数字光处理（DLP）3D 打印技术演进分析

2020-01-10田佳阳等同第一作者

科学技术创新 2020年16期

王浩田佳阳（等同第一作者）

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津300300）

数字光处理（DLP）3D 打印技术，属于“液态树脂光固化成型”中的重要一类，DLP3D 技术由SLA 技术发展而来，它采用高分辨率的数字处理器投影仪替代SLA 激光来逐层光固化液态聚合。基于DLP 技术发展出的3D 打印系统由以下几部分组成：DLP 投影系统、机械运动系统以及具有控制和运算能力的主控系统；在主控系统上进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像，之后控制DLP 投影系统实现图像的投影，驱动机械运动完成逐层打印，最终实现实体零件的制作[1-2]。

1 技术发展脉络

该技术最早由MSTECHKK 于1996 年申请了形成三维图像及其设备（JP09141749A），可在短时间内形成高精度的三维图像，并使其可以应用于紫外线固化树脂。STANFORDRESINSTINT 于1997 申请了一种使用计算机控制的快速原型技术制造三维物体的设备（WO9806560A1），通过使用选择性曝光装置选择性地将可光聚合组合物层暴露于光化辐射来制造物体，该装置包括用于数字光处理（“DLP”）投影仪的数字微镜装置（“DMD”），液体晶体显示器（“LCD”）投影仪，可光聚合的组合物包含光聚合物或高负载的陶瓷或金属分散体，其在凝固时提供所需的结构目标。FUJIPHOTOFILMCOLTD 于2001 年申请了一种能够快速实现超细形状的光学整形装置（JP2002316363A），当通过XY 定位机构确定曝光单元的第一位置时，DMD 微镜根据符合第一位置的指定区域的图像数据和光源发出的光束，光束通过光纤和均化器光学系统进入DMD，根据图像数据对每个像素调制光束。JSR CORP 于2005 年申请了一种能够精确地形成具有所需形状的立体模型的光学成形方法（JP2006272916A）。在光学成形方法中，光照树脂液体被选择性地用光照射以连续形成固化树脂层和这些固化树脂连续层叠层以形成立体模型。3D SYSTEMS INC 于2009 年申请了一种用于补偿在三维建模器中使用的成像器的强度分布的方法和装置（EP2344323B1），确定成像器的强度分布，通过投射多个图案（与单个图案相对）来固化可凝固液体材料的每一层，这些图案限定了被固化部分的二维横截面，根据图案数量和/或形状不同调整持续时间与强度分布。

2 国内重点专利技术演进分析

对现有专利文献进行标引后获得的该技术的关键技术手段包括曝光装置/方法、原料、脱模装置/方法、切片图层处理等，现阶段对该技术的主要改进有：改进曝光装置/方法、新用途、改进原料、改进脱模装置/方法、改进切片图层处理等方式，下面对关键技术手段中的改进效果突出的技术方法进行介绍。

2.1 改进曝光装置/方法

3D 系统公司于2007 年申请了逐层形成三维目标的方法和设备，一种用于逐层形成三维目标的方法和设备（CN101244629A），其利用随可变硬的光聚合物构建材料上的三维目标的截面的数字光投影图像的灰度或时间或二者而变化的曝光水平实现立体成像。以及用于三维造型器的光化辐射强度分布的补偿（CN102186653A），以各种技术确定从成像器投射的光化辐射的强度分布，确定了成像器的强度分布，通过投射定义被固化的部件的二维横截面的多个图案(与单个图案相反)固化每层可凝固液体材料。上海泰联三维科技有限公司于2015年申请了基于投影式的光固化三维打印方法以及打印装置（CN104669625A），投影系统在控制系统的控制下逐层扫描打印固化，在打印每层时，采用在水平面内直线移动投影系统所得的投影幅面来完成每层所要打印的整个图案，且使投影幅面按预设路径进行水平直线移动。

2.2 改进DLP 打印原料方面

复旦大学于2015 年申请了一种数字投影成型DLP 光固化材料及其制备方法（CN105237689A）该材料由环氧丙烯酸酯及其他自由基活性组分，光引发剂和光敏剂组成，在机械搅拌作用下混合而成。该材料由丙烯酸酯、经过表面处理的核壳粒子及光引发剂组成。本发明是将核壳粒子加入到丙烯酸酯及光引发剂的混合物中，并进行高速机械搅拌。3D 系统公司2017 年申请了用于 3D 打印的水凝胶材料的方法和装置（CN108883572A），提供了用于物体的3D 打印的3D 打印系统、方法和材料，所述材料包括固化的水凝胶材料、未固化的水凝胶材料和载体材料，固化的水凝胶材料可限定用于器官或其它生物结构的支架。北京工业大学（CN109734434A）于2019 年申请了一种基于3D 打印技术的极小曲面结构磷酸三钙/钛酸锶钡复合生物陶瓷的制备方法。采用DLP(数字光固化)3D 打印技术为打印手段，以组合物主要为：35-70vol%的磷酸三钙/钛酸锶钡复合陶瓷粉体，30-65vol%的光敏树脂预混液。

2.3 改进切片图层处理方面

北京大学口腔医院、北京实诺泰克科技有限公司、南京航空航天大学于2016 年申请了一种三维打印方法和装置（CN107180451A），根据断层扫描数据获取分层扫描图像；根据分层扫描图像提取待打印物体的边缘轮廓线；根据边缘轮廓线确定待打印物体的分层剖面图像；根据分层剖面图像生成分层打印数据。提取分层的断层扫描数据中的边缘轮廓线，获取待打印物体的分层剖面图像，确定分层打印数据，无需先根据断层扫描数据生成三维数据，再将三维数据切片生成分层打印数据，提高了分层打印数据生成的效率。清华大学于2016 年申请了一种DLP3D 打印机打印方法及装置（CN107283816A），根据预设打印层高度，对待打印三维模型进行逐层切片，获得多个打印层；将每个所述打印层分解成多个分离的多边形；根据预设DLP 投影尺寸，对每个所述多边形按预设倾斜角进行分割，获得每个多边形的多个矩形块；确定每个所述打印层对应的多个所述矩形块的打印顺序，使得DLP3D打印机适用于大规模的三维模型的打印，并在保证打印精度的前提下，获得较高的打印效率。

2.4 新用途

耶路撒冷希伯来大学伊森姆研究发展有限公司于2014 年（CN105027690A）申请了三维导电性图案和用于制造三维导电性图案的油墨，至少一种金属源、至少一种单体和/或低聚物和聚合引发剂的可聚合的导电性油墨制剂，以及其用于打印三维功能结构的用途。清华大学于2015 年申请了一种蜂窝夹芯及其制备方法（CN105034361A），显著提高蜂窝夹芯的生产效率，大幅提升蜂窝夹芯与面板的粘接性能，并且可以制备得到曲面结构的蜂窝夹芯。