唐博士分享：3D打印光固化成型技术的新方向 | 点客分享会

 

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虽然此刻市场上到处都是FDM类型的3D打印机（3D打印圈都快成它的天下了），但论起资厉来，光固化3D打印机要比FDM还早几年呢。

上周咱们邀请了唐天博士为大众分享最新的可见光光固化技术，对早已经是饥渴难耐的小伙伴们（例如我）来讲，无疑是久旱逢甘霖，爽的一塌糊涂！无现场听分享的点客，快来补上这一碗干货吧！

分享人：唐博士

职业：材料专家

特长：光固化打印技术

入坑时间：2015年

机型：潘多拉全系列光固化打印机

前言：一天夜晚，我在微X公众号小不点极客里看到一篇文案《9种你需要晓得的平常光敏树脂》，里面说到了一个来自英国的日光树脂，daylight resin。

而后我就很好奇，由于这就我发明的！况且这个日光树脂daylight resin，便是可见光树脂，已然到中国来了。我是在去年（2016）回国创业的，因此这个日光树脂已然在中国生产了，况且完全实现了国产化。

今天我借点客分享会和大众一块探讨下，这个可见光树脂（日光树脂）大概会在全部3D打印技术发展中，处在一个什么样的角色，是不是可能会形成一个新的方向？

3D打印是什么？

相信大众都接触过一部分3D打印技术了，然则3D打印到底是什么呢？有那些主流技术种类呢？

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3D打印，又叫增材制造，其实关键的地区是在材料上。所有3D打印都是围绕材料，是材料的一种新的加工工艺。

它有一个明显的特征，便是和先进制造，数字化制造和精细制造这些概念紧密相连的。这亦便是为什么大众把3D打印归为先进制造2025或是工业制造4.0的重要构成部分之一。

咱们能够看到下面三张照片，分别表率日前三种最主流的打印技术：FDM，SLA，SLS。广大点客们估计对FDM的理解，比我还深入。

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我先要说声抱歉，由于我把大众喜欢的FDM技术归为“低”端了。这儿有三个原由：第1，FDM便宜，价格“低”；其次，reprap的开源技术，使得FDM制导致本“低”，以及大众DIY的技术难度“低”；第三，FDM的精度“低”，还有速度“低“。大众用FDM打印一件作品，通常都要用好几个小时，对吧。

处在第二位的，是做为“中端”或中高端的打印技术，即光固化技术。亦许大部分听众对光固化打印技术暂时认识比较少。

核心原理便是，液态树脂，受到数字化的光照射，产生选取性的固化，这般层层叠加，咱们就得到了一个打印件。光固化的优点在于精度高，速度高，当然运用成本亦偏高。

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第三种技术便是激光选取性烧结技术，这是个更高端的技术了。可能普通玩家大多都无亲眼看到过这类设备，或无亲手接触过这种设备打印的样品。他所说的“高”是高在哪呢？

第1是，运用成本“高”。一个设备大概是七八十万到好几百万。而后，它的应用行业尤其高端，重点集中在金属打印，用在咱们的航空航天行业，金属牙齿制造或医学医疗移植的金属骨骼这类的，尤其高端的应用。

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光固化3D打印技术

下面，我针对我尤其善于的光固化技术，掰开来讲明一下，其中的有些细节问题。

大众看一下这个图，图里边有四类设备。最左边的，倘若认识光固化的朋友，很容易就会认出来，这个是Formlab出品的Form1打印机。

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这个是日前全世界销量最好的桌面级光固化设备。它的原理咱们叫做SLA（stereo-lithography apparatus），运用激光器光斑逐点扫描，把液体树脂固化。

而后咱们看第二类，DLP技术（digital light processing）。这个是在SLA的基本上，发展而来的。它的核心技术，是采用了紫外的光源，经过数字微镜DMD，亦便是DLP，德州仪器的数字镜片技术，把光投影到全部树脂槽的透光窗口上。

从DLP技术起始，咱们每次成型一个面了。不管这个面积多大，咱们都能够每次（同期）成型一个面。面成型技术飞速加强了3D打印的速度。DLP技术里边，有个尤其牛逼的技术，那便是CLIP（continuous liquid interface production）。

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CLIP实质上便是Carbon3D的连续液面固化打印技术，它还是采用的DLP投影的方式。但它有一个非常明显的特点，那便是打印速度非常快！是日前主流打印技术速度的几乎一百倍！

而后咱们再来看第三种，用LCD掩模的技术（LCD masking）。这个技术可能有些人接触过，亦有些人还不太认识。

LCD掩模技术，便是用紫外（405nm）为光源，而后用LCD面板做为光的掩模（masking），它像一个对光遮掩的板子，只让一部分的紫外光（选取性）经过，而后成型在液态树脂的底部。

它非常类似于前面的DLP技术，独一区别的便是，用LCD掩模而不是用数字光振镜DLP来成型的。它最大的优点是，设备尤其的便宜。比方说这个（ibox nano）众筹的设备，大概只要几百美元。

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最后一个技术（潘多拉科技的pluto），亦便是咱们今天的主角，我要介绍的可见光固化（VLC）技术。这是咱们的设备，它最大的特点是在光源的进一步升级。它用的光源是咱们最普通的LCD平板，便是它发射红绿蓝（RGB）三原色的可见光。

这种光源，你能够想象为咱们最常用的平板电脑屏幕，手机屏幕，电脑监测器，LCD电视，等离子电视，所有的投影、电影的数字放映机，等等等等。

只要你能想到的数字化的表示技术，都能够用作光源。因此，在光源上这种升级，就带来了咱们技术上的最大优点：设备对光源无尤其的需求，所有的（数字）光源都能够用。

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3D打印的瓶颈

回过头来，咱们想想，3D打印为何还无普及，为何有这么多问题无处理呢？我在下面这个图里面大概总结了几个方向。为何呢？

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由于：精度差，速度慢。这重点指的是FDM设备（左边三个）。精度基本上是0.1毫米以上；速度的话，倘若追求高精度，几个小时只能打印手指头同样大的东西。

中间这两种便是刚才说的光固化设备，但由于技术垄断，设备尤其的贵，从6万人民币（formlab）到几百万人民币的设备（3dsystem）。其实她们亦处理了前面说到的一部分问题，精度亦高了，速度亦快了有些。

最右边这个，是最高端的金属打印设备，德国的EOS。它便是很典型的技术垄断。这个设备很贵，几百万，可能国内就无买回来几台，亦可能便是技术封锁原由吧。尤其耗材方面，耗材可能经过国内的代理商能买到了，但报价可能超出了咱们（普通）用户的想象。

因此，咱们的问题是，有什么技术能处理这些瓶颈呢？

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我其实想了这个问题很久。有什么技术能够处理以上这些瓶颈问题呢？这儿，可能吧，咱们的可见光固化（VLC）技术，便是一个很好的处理方法！

刚才说的，光固化的核心问题，便是把光源改变。新技术的光源，便是咱们右图看到的平板电脑或手机的屏幕。它的优点便是，没有紫外辐射，无激光，亦无高温喷头啦，运用最简单的，咱们平常随时用得到的，LCD表示技术或投影技术。

而FDM有一个高温危险的问题。倘若是激光的话，有一个激光和振镜系统国外垄断的问题，亦非常有害，成本亦高。倘若是DLP技术的话，基本是德州仪器对DLP数字微镜99%的市场垄断。因此，这是限制DLP技术在国内乃至在全世界范围，继续加强精度和速度的关键技术，由于光源是垄断的。

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唯独，可见光固化（VLC）技术，对光源无垄断的问题，亦无成本高的问题，亦无有害的问题。因此，它可能是咱们将来的一个突破口。

可见光光固化（VLC）技术

这儿我大概说一下光固化的原理。这个稍微需要有些化学背景。光固化是用一个液体的树脂，亦便是最左边的，咱们有些预聚物和小分子单体。

她们就像有些积木，大体积小的。还有有些诱发剂。这些诱发剂，吸收光，而后让化学反应起始，聚合，亦就像中间图中描述的。这些积木起始搭建成一条条的链，亦便是聚合物链。

可能在零点几秒或则几秒的过程中，就能形成右图这种渔网状的结构。从最左边的分散的分子到最右边网状的聚合物链，咱们就得到了固体。亦便是，光能够把液体的树脂，最后变为固体的材料。

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可见光固化和以往紫外固化独一的区别，便是咱们利用的是（上图光谱）中间的那个彩虹段。这一段的可见光波长，对应红橙黄绿青蓝紫。而这个可见光的范围（400-760nm），亦正是咱们最普通的，每日看到的，电视屏幕电脑屏幕或投影到电影幕布上所看到的光。

用可见光固化（VLC）这种技术，有什么优良呢？大概来讲，便是：多，快，好，省。

下面由我来一一介绍吧。

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多：举个例子来讲，FDM打印一个棋子要用一个小时，两个棋子用两个小时，如此类推。而咱们瞧瞧图中的钥匙扣，打印一个需要半小时，打印三十个亦一样需要半个小时。

原由便是面光源成型，便是一个面，打印一个和打印N个，十个、一百个所用的时间都是同样的。反正每次揭发的时间都是整一个面。

因此，这个优良便是“多”，就能达到批量生产。亦便是说“煮一个饺子用一个小时，煮一锅饺子一样亦是一个小时”。因此这种光固化最适合做批量生产的。

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快：光固化成型的第二个优点，是“快”。到底有多快？下图中的杯子里装的是一个手指体积的东西，而咱们打印大概只需要3分钟上下。

我不晓得平时大众打印一个手指头的体积的东西需要多久。然则光固化最大的特点便是快，便是光线有多强，固化的速度就有多快。

由于全部反应，从光刺激而后产生化学反应到聚合物成型，大概只要零点几秒的时间来固化一层。因此它的极限速度，咱们大概预算了一下，每小时能达到五百毫米高度，亦便是每分钟能打印一厘米高。

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好：光固化打印第三个优点，是“好”，便是精度高的意思。我不晓得大众用FDM精度最多能达到多少。可不能够达到一百微米以下？而光固化打印的话，一百微米便是一个门槛，大部分光固化打印是一百微米以下，例如75微米，50微米，乃至到25微米，还可以往下。

下图中繁杂的教堂，这是我在英国研发的技术，它能打印的一个大尺寸，层厚为50微米，XY轴的分辨率为100微米以内的，大尺寸的模型。倘若你采用的更高分辨率的投影或更高分辨率的LCD屏，例如说一个4K、8K的LCD屏幕，咱们能够得到一个更高精度的模型。

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省：最后一个要介绍的特点，便是“省”。为何是“省”呢？原由是成本低，售价低。倘若一个FDM的设备几千快的话，可见光固化打印设备是很容易达到的，例如咱们研发的设备，亦便是几千块钱。它的精度跟日前的入门级光固化设备是看齐的。

下图右边的是咱们正在研发的一个可见光固化设备。它重点概念是用IPAD MINI平板，本来它的精度能达到视网膜精度（retina），用这种光源做为咱们固化成型的光源。那样它的精度能达到75微米，而层厚咱们能够很容易掌控，100、50、25微米层厚都能够，而这种设备咱们可能的售价亦便是几千元。

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将来，咱们还会有更加低价的千元以内的设备，由于这个光固化技术，其实设备很简单，一个LCD屏、一个上下升降平台、一个树脂槽、一个遮光罩、还要一个驱动板。只要大众开放咱们的DIY思维，我相信，咱们火速就能够拿到一个千元以内的DIY的光固化设备。

在“省”的这个优良下，FDM无任何优良，由于FDM起码要用4个电机，要用到加热头，还可能要加热板，乃至还要哪些更繁杂的零件。仅有可见光固化技术，能够做到，可能成本只要几百块钱。由于这类设备至需要一个Z轴平台，一个液晶屏亦就一两百元不到，而其他配件都和FDM配件差不多价格。

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可见光光固化技术的应用行业

下面介绍一下可见光光固化技术怎么用，我来举三个例子：

第1个例子，便是咱们正在做的，况且有有些初步成绩的，桌面级光固化设备。例如我刚才介绍的，咱们推出的桌面型的LCD为光源的光固化设备，几千元的一个设备。

以及右边这个咱们正在研发的用IPAD的屏幕做为光源，把IPAD变为3D打印机的智能设备。它的最大好处便是性价比非常高，方便创客，设计者、兴趣者、以及家庭公众，都能接受这个新的光固化3D打印技术，能真正让3D打印给大众带来真正的实惠。

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第二个例子：工业用的3D打印机。它能够采用一个光强更高的投影设备，运用下沉式的打印技术。这个好处在于成型速度非常快，能够加强几十到一百倍的打印速度。

重点应用于三个方面：一是珠宝，它能够批量生产珠宝，况且精度和表面光滑度亦是非常的高。二是牙科，它能够成批生产牙齿；况且能做到每一个牙齿都不同样。而后打印这些牙齿，可能便是半个小时，况且精度高，能用这个牙齿进行倒膜形成金属和陶瓷的牙胚。

第三是工业快速原型。工业设计上，有非常多零件或是装配件，要先做一个原型出来，而后试装配一下，用以验证设计方法，这类便是俗叫作的手板。

当然，在这三类之外，非常多兴趣者把这个打印技术用在文创设计，艺术，还有精致的动漫模型等等，都是很受欢迎的应用结合。

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第三个例子：工业生产型的3D打印。这个应该是咱们所有的3D打印技术最后要实现的目的：部分取代传统的生产。重点要强调的是部分取代，不是所有取代。

下图的例子中，左边是注塑的传统设备，右边是咱们3D打印机，由非常多个小型模块构成的大型流水线设备。这般的两套设备的成本是相近的，而后仔细比较一下，大概上下两套设备的生产能力亦是相近的。

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上面已然说到，一个模块化打印单元半小时打印30个图中的钥匙扣，这个流水线里边集合了几十个打印单元，半小时生产零件的个数和传统注塑的个数应该是相当的。独一的区别便是原材料的价格，3D打印原材料肯定比传统工艺原材料的价格要贵。

当然，咱们能够运用这技术打印有些比较精致（繁杂度高）、比较特殊的、个性化的东西，例如有些设计模型是传统工艺达不到的。因此重点强调只是部分取代传统工艺。

在有优良的，可定制的小批量的生产过程中，3D打印完全能够取代这部分订单。然则，针对批量尤其大，比较低价，比较简单的零件，咱们当然还是运用传统工艺加工，例如注塑或CNC加工。

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总结

3D打印的最后形态是柔性制造，亦便是设计师，设计一个制品，周边的3D打印工厂就能够把它批量生产出来，既省了非常多繁杂工艺，节省了时间，又节省了地域上的运输、仓储、分配等非常多环节。

最后的3D打印应该是柔性化生产/分布式制造，设计者、生产者、运用者都处在区别的地域经过数字网络相连，按需制造的方式。

倘若3D打印技术要真正被广泛的应用，除了上面我聊的设备上种种特性之外，材料技术是需要处理的最核心的问题。如我之前说的，材料是3D打印技术中的灵魂，而所有3D打印技术是应该围绕材料的特性研发的，而3D打印技术只是一个工艺上的问题。

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针对液态树脂，我就提出了将来的发展方向（当然这个不必定只是我一个人在做，还有国内外的厂商都在为UV树脂或可见光的固化树脂持续供给方法），例如运用在鞋材上的柔性树脂，用在机械制造的高强树脂、运用在金属铸造的铸造树脂/蜡基树脂，还有运用在牙科中的医学中的（生物相容性尤其好的）医用树脂，等等等等。这般的材料上的多样性，加上设备针对行业的应用，才可真正促进3D打印行业达到爆发式增长。

今天，我就和大众分享这么多吧。我很荣幸我在一个新的方向（可见光固化打印技术）上，做出了第1款树脂，开拓了这个新方向的有些实质应用。其实我只算是走了第1步。

将来，咱们期盼能像国外的reprap学习，把这个技术放在开源平台，大众来一起推动全部技术发展成熟。可见光固化技术要像之前FDM技术同样，百花齐放，做出针对自己应用域的DIY研发，真正落实到应用层面的技术发展。谢谢！

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再次感谢唐博士的分享，期待可见光光固化技术早点百花齐放！

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分享人 唐博士

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