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(huì)論壇上，中國(guó)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(bào)告。



梁海弋：今天非常榮幸，可以來分享我們最近的一個(gè)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(gè)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(gè)由點(diǎn)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(gè)體曝光。雖然他們打印的方式不同，但是中間有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(jì)，是我們實(shí)現(xiàn)精確打印的一個(gè)前提。

當(dāng)然目前這個(gè)技術(shù)大家好像沒有特別關(guān)注這個(gè)事情，所以這個(gè)是我們?yōu)槭裁醋鲞@個(gè)事情。本課題特別關(guān)注了一下DLP這個(gè)例子，我們知道成型平臺(tái)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(huì)把投影機(jī)打開進(jìn)行投影并且固化這層液膜，這個(gè)會(huì)帶著離型膜上去，到一定高度離型膜脫落，然后我們的平臺(tái)會(huì)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，我們的投影曝光階段，目前大家用的是左邊的這個(gè)光，通常是均勻的對(duì)一個(gè)模型簡(jiǎn)單的切片，形成一個(gè)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(huì)看到，這個(gè)均勻的光會(huì)造成邊界的不是那么精確的還原設(shè)計(jì)，我們的研究結(jié)果表明，右邊這個(gè)光反而會(huì)像這種不是那么均勻的光，特別是邊緣是振蕩衰減的光會(huì)達(dá)到更好的結(jié)果。

這樣我們先回答這個(gè)問題，為什么均勻光有不好的結(jié)果？這個(gè)是一個(gè)左邊這個(gè)是這樣的，這個(gè)是一個(gè)我們的模型，想去做成這個(gè)平面的帶孔平面，所以我們一般會(huì)用這個(gè)幾何光去照射它，但是我們的結(jié)果通常會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)洞白色框是一個(gè)洞，一個(gè)圓角，這個(gè)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(gè)洞，有的研究者想改變一下這個(gè)精度，提高精度，所以他們就考慮到這個(gè)光的豎向穿透性能，建立了一個(gè)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(gè)是非常差的，經(jīng)過修正之后，其實(shí)有所改善，但是如果和原始設(shè)計(jì)圖相比，還是有足夠的差距。

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

所以針對(duì)這個(gè)問題，我們?nèi)ニ伎迹瑸槭裁磿?huì)這樣？那么這個(gè)問題根源在于哪里，我們知道DLP這個(gè)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(gè)逐漸衰減，但是有投射深度，會(huì)對(duì)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(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)單個(gè)微鏡的投影以及多個(gè)微鏡的投影。如果看一下單個(gè)微鏡的只亮一個(gè)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(cè)就是我們獲得一個(gè)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(gè)光，離型膜看到三個(gè)疊加，右邊這個(gè)圖也是在樹脂上方的整個(gè)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(shí)候，比如說這個(gè)是一層，我們現(xiàn)在假設(shè)一百多微，我們想實(shí)現(xiàn)兩千微米的線條打印，但是我們仔細(xì)看這個(gè)光的分布，邊界不是很明確，沒有一個(gè)明確邊界，所以不能預(yù)測(cè)你會(huì)獲得一個(gè)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(duì)這個(gè)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(gè)空間計(jì)量分布，然后E就是我們?nèi)ピ噲D獲得一個(gè)設(shè)計(jì)的圖案的分布，所以根據(jù)這個(gè)算法，我們?nèi)��?duì)驗(yàn)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(jiǎn)單的我們想一二三截面，這個(gè)普通的，上面是一個(gè)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(gè)是當(dāng)然第一列就是一個(gè)模型截面，中間的截面，均勻光的話去照射就會(huì)獲得一個(gè)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(gè)最右邊這個(gè)圖，就是把下面這三個(gè)圖輪廓放在一起，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)中間這個(gè)光就是中間這個(gè)輪廓最外面突出的輪廓。這個(gè)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(gè)彎曲邊界的一個(gè)物體，均勻光只中間這一列，這個(gè)是我們的灰度光，同樣把三個(gè)輪廓疊加在一起，最外面這個(gè)就是不好的形狀就是均勻光的結(jié)果。

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

最后一個(gè)例子就是我們打的一個(gè)在一個(gè)小的立方體里面，比如說4.5毫米乘4.5乘2這個(gè)里面做了一個(gè)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(gè)管道出來，灰度光里面看到一個(gè)管道，這個(gè)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(duì)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(gè)優(yōu)化算法獲得了一個(gè)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(yàn)證了我們的結(jié)果，我們下面工作可能會(huì)進(jìn)一步去考慮樹脂的彈性對(duì)打印件彈性變形對(duì)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(gè)是我們做的結(jié)果。