梁海弋：基于灰度投影的DLP光固化控形技術(shù)

在2024增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產(chǎn)業(yè)年會論壇上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授梁海弋先生做了“基于灰度投影的 DLP 光固化控形技術(shù)”報告。



梁海弋：今天非常榮幸，可以來分享我們最近的一個研究成果。

主要是用灰度投影解決DLP打印中間一些精度的問題。

第一個是研究背景，我們知道光固化技術(shù)有很多類型，比如說典型的立體光固化成形是一個由點到光，然后樹脂光處理是面曝光，最近比較新發(fā)展技術(shù)，CIL技術(shù)是一個體曝光。雖然他們打印的方式不同，但是中間有一個共同的特點，就是用需要用光成型，我們正確就是在樹脂里面進(jìn)行正確的光劑量的空間設(shè)計，是我們實現(xiàn)精確打印的一個前提。

當(dāng)然目前這個技術(shù)大家好像沒有特別關(guān)注這個事情，所以這個是我們?yōu)槭裁醋鲞@個事情。本課題特別關(guān)注了一下DLP這個例子，我們知道成型平臺和離型膜之間首先形成非常薄的液膜，大概幾十微米。然后形成液膜之后就會把投影機打開進(jìn)行投影并且固化這層液膜，這個會帶著離型膜上去，到一定高度離型膜脫落，然后我們的平臺會下降，再形成一層液膜，等待下一次的曝光，這樣周而復(fù)始，可以做成復(fù)雜的三維物體，這里面注意到一個關(guān)鍵點，我們的投影曝光階段，目前大家用的是左邊的這個光，通常是均勻的對一個模型簡單的切片，形成一個輪廓之后，在輪廓里面填充均勻的光去照射。

但是我們后面會看到，這個均勻的光會造成邊界的不是那么精確的還原設(shè)計，我們的研究結(jié)果表明，右邊這個光反而會像這種不是那么均勻的光，特別是邊緣是振蕩衰減的光會達(dá)到更好的結(jié)果。

這樣我們先回答這個問題，為什么均勻光有不好的結(jié)果？這個是一個左邊這個是這樣的，這個是一個我們的模型，想去做成這個平面的帶孔平面，所以我們一般會用這個幾何光去照射它，但是我們的結(jié)果通常會發(fā)現(xiàn)，這個洞白色框是一個洞，一個圓角，這個是不同的例子，右邊也是，如果我們想豎向打印，光從下面照射，但是我們知道光可以投射過一定的深度，把洞里面原來不想打，也固化了，打出來結(jié)果小的這個洞，有的研究者想改變一下這個精度，提高精度，所以他們就考慮到這個光的豎向穿透性能，建立了一個廣劑量的數(shù)學(xué)方程。試圖提高精度，但是我們看到結(jié)果，剛剛前面這個是非常差的，經(jīng)過修正之后，其實有所改善，但是如果和原始設(shè)計圖相比，還是有足夠的差距。

在這個三維情況下同樣的方法，這個最上面是一個模型，中間還是均勻光制造會發(fā)現(xiàn)很多地方是圓的，修正過之后好像好一點，但是還不是那么精確。

所以針對這個問題，我們?nèi)ニ伎�，為什么會這樣？那么這個問題根源在于哪里，我們知道DLP這個光，往上照射的話根據(jù)光的傳播原理，我們知道在水平面是高斯分布的，然后縱向的話是一個逐漸衰減，但是有投射深度，會對已成形部分進(jìn)一步二次照射，進(jìn)一步改變形狀。

當(dāng)然目前這種簡單均勻光沒有考慮這些事情，所以導(dǎo)致有些結(jié)果不是特別好，我們研究目標(biāo)希望通過優(yōu)化算法獲得灰度光的投影，實現(xiàn)我們精度的提升。

我們知道在DLP設(shè)備里面，它的DMD芯片上面有大量的微鏡，通過合適控制算法可以實現(xiàn)單個微鏡的投影以及多個微鏡的投影。如果看一下單個微鏡的只亮一個微鏡，我們投影幕布或者離型膜看到這樣的光斑，如果繼續(xù)往上傳播，這張圖反映在樹脂里面的光的分布，所以我們不能預(yù)測就是我們獲得一個非常小的這種方形截面的圓柱，只能獲得最右邊的圓錐形的柱子。比如說多個光，離型膜看到三個疊加，右邊這個圖也是在樹脂上方的整個光的分布。

我們知道了解光的傳播特性之后，那么我們思考就是他們分層打印的時候，比如說這個是一層，我們現(xiàn)在假設(shè)一百多微，我們想實現(xiàn)兩千微米的線條打印，但是我們仔細(xì)看這個光的分布，邊界不是很明確，沒有一個明確邊界，所以不能預(yù)測你會獲得一個兩千微米的細(xì)線出來。

如果光往上傳播的話，一樣的，第二層、第三層甚至第四層進(jìn)一步受到當(dāng)前光照射，進(jìn)一步改變輪廓，所以針對這個問題，我們采用了優(yōu)化算法，希望獲得我們的T是目標(biāo)的一個空間計量分布，然后E就是我們?nèi)ピ噲D獲得一個設(shè)計的圖案的分布，所以根據(jù)這個算法，我們?nèi)�對驗證不同的例子，比如說想打印棱柱，如果按照常規(guī)的話就是簡單的我們想一二三截面，這個普通的，上面是一個普通均勻光，下面通過優(yōu)化算法獲得的灰度光。

然后看這個是當(dāng)然第一列就是一個模型截面，中間的截面，均勻光的話去照射就會獲得一個邊比較圓的棱柱，不是精準(zhǔn)還原幾何模型，利用灰度光區(qū)別蠻大的，非常直，這個最右邊這個圖，就是把下面這三個圖輪廓放在一起，會發(fā)現(xiàn)這個中間這個光就是中間這個輪廓最外面突出的輪廓。這個模型的輪廓和我們灰度光獲得輪廓幾乎完全重疊，得到比較好的結(jié)果。

更復(fù)雜的一些模型，比如說想打印這樣一個彎曲邊界的一個物體，均勻光只中間這一列，這個是我們的灰度光，同樣把三個輪廓疊加在一起，最外面這個就是不好的形狀就是均勻光的結(jié)果。

這個是另外的一個例子，打一個T臺中間有一個洞，這個是中截面，中間一個管道是直的，如果用均勻光的話，可以看到至少中間這個是明顯偏離這個設(shè)計的直線邊緣也是不太直的，如果把這三個放在一起，我們會發(fā)現(xiàn)我們的灰度光和幾個設(shè)計幾乎完全重合的。

最后一個例子就是我們打的一個在一個小的立方體里面，比如說4.5毫米乘4.5乘2這個里面做了一個空間的管道，我這里沒有用CT掃描，就沒有發(fā)現(xiàn)里面有一個管道出來，灰度光里面看到一個管道，這個結(jié)果就是略有偏差這樣一些地方，幾乎是重合的。

總結(jié)一下，就是我們針對目前現(xiàn)有的DLP均勻光投影算法導(dǎo)致一些精度的問題，我們通過考慮光的高斯傳播特性，通過一個優(yōu)化算法獲得了一個精度至少是大幅提升的一種灰度光的切片，然后我們并且用CT掃描驗證了我們的結(jié)果，我們下面工作可能會進(jìn)一步去考慮樹脂的彈性對打印件彈性變形對精度的影響，以及光在固化區(qū)和樹脂界面的這種折射影響。我基本上這個是我們做的結(jié)果。