Технология DLP. Влияние окраски полимера на качество печати. Есть ли недостатки у технологии DLP
Всем привет! Хочу рассказать вам о своем хобби - строительстве DLP 3Д принтеров. В первые услышал о технологии стереолитографии в момент выхода принтера B9Creator на KickStarter, с тех пор увлекся и начал изучать эту тему. Сама технология на первый взгляд довольно проста, всего лишь одна ось с платформой, на которой с помощью проектора или лазера послойно отверждается светочувствительный материал - фотополимер, но сложности, как оказалось, в деталях. Основных проблем стереолитографии две - это отделение слоя ото дна ванны с полимером и точная фокусировка светового потока.
Отделение слоя
Для начала хочу поподробнее остановиться на первой проблеме. После отверждения фотополимер очень сильно липнет ко всем поверхностям. Дополнительно при отдирании модели ото дна ванны присутствует эффект присоски(из -за вакуума и вязкости полимера), поэтому помимо анти адгезионного покрытия в системе реализации слоя должно присутствовать что-то, что минимизирует данный эффект. Я бы выделил следующие основные подходы к отделению слоя:
1. Сдвиг с переходом уровня. Ванна представляет собой двухуровневый контейнер, модель сдвигается с одного уровня на другой(более низкий). Может быть как слайдер так и вращательное движение. Используется в принтерах B9Creator, Autodesk Ember
2. Тильт(наклон) дна ванны. Этот вид тоже можно разделить на 2 подвида:
- так называемый passive tilt. Подход при котором наклон ванны вызывается самой моделью, т.е. модель тянется вверх и тянет за собой дно ванны, которое находится либо на оси вращения, либо на пружинах, либо просто деформируется, в конце концов происходит отлипание. Частный случай этого подхода гибкая(Flex) ванна. Используется во многих принтерах ввиду простоты реализации, из известных могу назвать Kudo Titan 1.
- наклон(tilt), который создается дополнительным мотором. Используется в принтерах Form 1, Envisiontec и многих других.
3. Две оси Z, в начале поднимается одна сторона платформы, затем другая. Из известных принтеров могу назвать Solidator.
Начал я свое строительство с первого подхода,по образу и подобию опенсорсного B9Creator. Результатом явился мой первый 3D принтер, вот такой гаражный зверь:
Печатал он довольно хорошо, и я долгое время не искал альтернативных подходов, но позже выделил для себя следующие недостатки:
1. Плоскость движения слайдера должна быть идеально параллельна плоскости слоя, иначе при сдвиге дно ванны будет цеплять модель и будут возникать смещения, артефакты и т.д.
2. Даже при идеальной параллельности при сдвиге идет боковая нагрузка за счет трения о дно и за счет вязкости полимера, в результате тонкие элементы(особенно если полимер не достаточно крепок и сильно вязок) будут обломлены или сдвинуты, что приведет к "грязной" поверхности или не пропечаткам.
3. Затруднено использование каких либо других антиадгезионных веществ кроме кремнеорганического силикона(PDMS). Сам по себе кременорганический силикон в качестве разделительного покрытия хорош, но он быстро мутнеет, в результате требуется его частая замена, что неудобно. Силикон также сильно рассеивает свет(особенно толстые слои) в результате падает детализация.
Я решил попробовать второй подход, passive tilt с использованием тефлона на дне ванны в ввиду простоты реализации. Но напрягала одна вещь, что нагрузка при отрыве все равно очень большая, потому как модель тянет собой весь вес ванны. При таком подходе модели часто срывает с платформы, нужны более толстые поддержки. Поэтому, чтобы вес ванны ложился не на модель, я сделал стальную рамку на магнитах. До ограничителя рамка тянулась магнитами и тянула за собой ванну вверх, после ограничителя ванна была наклонена, а модель с продолжала движение вверх. Выглядело это вот так(второй гаражный зверь):Позже этот принтер много модифицировал, ставил новую более мощную раму, рельсовые линейные направляющие, нормальную ось вращения ванны, но чистоты поверхности добиться не удавалось. Пока наконец не понял весь основной просчет passive tilt подхода, постараюсь объяснить на картинках.
Т.е. дно ванны при вращении в сторону движения платформы, создает дополнительную боковую нагрузку, в результате грязная поверхность модели. В сравнение наклон ванны в сторону от модели где данной проблемы не возникает:
В целом эта проблема решается, если дно ванны будет как можно более гибким(сильно гибче чем отвержденный полимер). На зарубежном тематическом форуме как раз начали появляться так называемые Flex Vat, ванны с тефлоновым(фторопластовым) гибким дном. И я решил создать свой вариант. Первое с чем я столкнулся, что фторопластовая пленка имеет порог натяжения, после определенного усилия она растягивается. Соответственно чем толще будет пленка тем сильнее ее можно будет натянуть, но главное, чтобы это было не в ущерб прозрачности и амортизирующему эффекту. Как оказалось, если ванна большой площади то даже при максимальном растяжении пленки она все равно будет прогибаться под весом полимера и давления платформы сверху в результате искажения геометрии и не пропечатки. Пробовал сделать поддерживающее дно на которое натягивается пленка, при этом пленка может прогибаться вверх, а снизу ей это не дает прогнуться дно из оргстекла. Но такой поход перестает работать после первого мытья ванны и попадания влаги между пленкой и оргстеклом, пленка прилипает к нему за счет вакуумных сил и весь амортизирующий эффект устраняется. Поэтому я решил сделать 2 ванны, одна для детализированных моделей с высоким разрешением и тоненькими элементами, в области печати только 0.1мм фторопластовая пленка, остальная площадь поддерживается фланцем из оргстекла. Вторая ванна для объемных моделей и более низких разрешений, дно ванны полностью из 0.5мм пэт, поверх которого натянута фторопластовая пленка, компромисс между амортизирующим эффектом и способностью прогибаться по весом полимера и давления платформы. Выглядит ванна вот так:
Но так как для больших поверхностей амортизирующий эффект на второй ванне - минимальный, решил добавить в свой принтер также активный наклон ванны, да и использование гибкой ванны и наклона одновременно создает еще более "нежный" отрыв модели ото дна ванны. Ну и всегда можно выбравть один из способов релиза или задействовать сразу оба, плюс при достаточно амплитудном движении тильта, возможно откинуть возвратно-поступательные движения по оси Z и тянуть модель из ванны "внатяг". На этот раз решил сделать все "правильно" и сел за разработку чертежей в SolidWorks. Изготовление планировал путем лазерной резки и гибки 3 мм алюминия, над дизайном особо не думал, главное это была простота конструкции и сборки. Сделал логотип и придумал "оригинальное" название:). Итогом разработки явился вот такой пепелац:
Ну а через некоторое время собрал итоговый вариант(ноутбук 15 дюймов для масштаба):
Далее хочу поговорить о второй проблеме, это фокусировка проектора в пятно света с пикселем нужного размера. Т.к. я планировал догнать и обогнать Envisiontec:))), то и сфокусировать проектор хотелось в пятно света с пикселем 25-30 микрон(разрешение по XY). Естественно ни один серийный проектор со штатной оптической системой так не сфокусируется, поэтому требуется ее модификация. Универсального рецепта тут скорее всего нет, но у каждого проектора есть колесо масштабирования, которое передвигает масштабирующую линзу, тут наша задача линзу от колеса "отвязать" и передвинуть на нужное нам место, что я и сделал для своего проектора. На четкость, как уже писал, влияет многое, замутненность дна, его толщина, материал из которого оно сделано, по своему опыту скажу, что наилучшая детализация у меня получалась на голой растянутой фторопластовой пленке. Далее важен сам процесс фокусировки, рекомендую делать это в темных очках(гораздо четче видно линии) и что нибудь(обычно бумажный шаблон для калибровки) нужно положить на поверхность ванны, потому как часто глаз видит преломленный свет на нижней поверхности дна ванны, а нужно сфокусировать на верхней поверхности.
Софт
За основу мной был взят исходник софта B9Creator 1.6, распространяемый под лицензией GPL v3, благо в С++ немного разбираюсь. Модуль расстановки поддержек и нарезки на слои остался практически без изменений, управление принтером адаптировал под свою прошивку, добавил поддержку выравнивающей маски, а также для возможности расстановки поддержек и нарезки на слои в Creation Workshop, добавил конвертер CWS файлов. Как того требует GPL выкладываю и скомпилированную win32 версию
Итог
Все описанное выше только мой личный опыт, на истину сильно не претендую.
В итоге принтер получился со следующими характеристиками:
Разрешение засветки по XY: 25-50 микрон
Разрешение позиционирования по Z: 10 микрон(без микрошага, соответственно 5, 2.5 .... и т.д. микрон с включением режима дробления шага)
Размеры области печати XY: 48 х 27 мм(при точке XY 25 микрон), 96 х 54 мм (при точке XY 50 микрон).
Высота построения: до 200мм.
Ну и фото распечаток
На электронный микроскоп, модель M4, распечатанная на EnvisionTEC Perfactory Aureus(принтер ценой 2.8 млн. р.), полимер RCP30(40-50 тыс р. за кг.) и рядом мой вариант(30микрон XY, 20микрон слой) полимер MaikerJuice(3-4 тыс. р. за кг).
Пост специально подготовлен для проекта Робофорум.
Считаете что 3D принтер за 100 USD это миф? Считаете что нереально создать недорогой 3D принтер с ювелирной точностью? – Прочтите эту статью и посчитайте стоимость такого принтера , исходя из того, что БУ проектор стоит около 30-50 USD .
В принципе все. Все это безобразие можно собрать за пару часов.
Подключаем ардуинку к ЮСБ, а проектор ко второму выходу видеокарты.
Проектор ставим сверху над судочком и винтовой парой. В качестве крепления используем стопку книжек.
Пластину крепим к винтовой паре и выставляем так, чтобы она лишь чуть-чуть покрывалась полимером.
Ардуинку нужно заставить раз в секунду делать шаг вниз. Делает это софт, прошивка будет примитивной.
Качество высокое, конструкция простая. Себестоимость копеечная при условии использования бушного проектора.
Недостатки такой конструкции:
1. Их почти нет.
2. Нужно поддерживать постоянный уровень полимера в ванночке. (при печати мелких ювелирных деталей, на которые собственно и рассчитана данная технология это не критично)
3. При печати больших предметов нужно много полимера. Вопрос тоже решаемый за счет добавления в емкость соленой воды, которая вытеснит дорогой полимер на поверхность.
P.S. Всю хвалу за идеологию и практическое испытание технологии проcим адресовать Семену (http://diylife.ru)
Скачать исходники конструкции можно .
Как и в SLA печати, существует два варианта устройств для DLP 3D печати: в одном построение объекта происходит снизу-вверх (рабочая платформа опускается), и наоборот (рабочая платформа поднимается). В нашей статье рассмотрим DLP 3D печать на примере устройств обеих типов.
Обратная DLP 3D печать
Итак, специальная емкость 3D принтера заполняется фотополимерной смолой до определенного уровня. Платформа построения опускается в емкость так, чтобы зазор между ней и дном был равен высоте одного слоя. Под емкостью расположен DLP проектор. На платформу проецируется свет, соответствующий сечению первого слоя модели. После его отверждения платформа поднимается вверх и начинается засветка второго слоя.
Так, шаг за шагом и создается физический объект. По завершению печати платформа поднимается выше уровня фотополимера, изделие извлекается и очищается от остатков расходного материала. После этого необходимо выполнить финальную засветку в УФ-лампе для полного отверждения материала.
Прямая DLP 3D печать
В отличие от обратной печати, DLP проектор здесь расположен сверху, над емкостью с фотополимером. При этом рабочая платформа находится непосредственно в ней. Для построения первого слоя платформа поднимается вверх так, чтобы зазор между ней и поверхностью расходного материала соответствовал высоте первого слоя.
Сечение первого слоя проецируется на платформу, отверждая фотополимер, после чего платформа опускается вниз на высоту одного слоя. Эти шаги повторяются вплоть до полного построения изделия. Дальнейшие действия идентичны описанным в предыдущем пункте: объект извлекается, очищается от расходного материала и подвергается дополнительной засветке.
Преимущества
Чем же так интересна DLP 3D печать? Какие ее особенности помогают этой методике с каждым днем завоевывать все большую популярность? Давайте смотреть:
- Более высокая скорость печати сравнительно с SLA 3 D принтерами. В отличие от лазерной стереолитографии DLP 3D печать проецирует на фотополимер сразу целый слой, а не проходит постепенно его участки лазером. За счет этого скорость создания изделий повышается в несколько раз;
- Высокая точность печати. По точности создаваемых объектов DLP 3D печать нисколько не уступает 3D печати SLA: высота слоя в этой методике может достигать 15 микрон! Однако все зависит от типа 3Д принтера и конкретного материала;
- Большой выбор расходных материалов. Что касается фотополимеров, их ассортимент на рынке 3D печати настолько широк на сегодняшний день, что порой бывает сложно определиться. Тем более, часто DLP 3D принтеры могут работать с теми же расходными материалами, что и принтеры SLA;
- Доступная цена оборудования. DLP проекторы гораздо дешевле лазерных установок, что влияет на стоимость 3D принтеров для DLP печати в лучшую сторону. Технология развивается стремительно и многие сегодня делают выбор именно в пользу цифровой светодиодной проекции.
Из недостатков стоит выделить лишь довольно высокую стоимость расходных материалов.
Применяемые материалы
DLP 3D печать работает с жидкими фотополимерными смолами (практически такими же, как SLA 3D печать). Некоторые расходные материалы даже подходят для работы с обеими методиками. Это зависит от длины волны засветки и расходного материала. Однако даже конкретно для цифровой светодиодной проекции разработаны отличные профессиональные линейки фотополимерных смол.
Так, сегодня на рынке 3Д печати можно найти и материалы, прозрачные фотополимеры и смолы самых разнообразных . Доступны также расходные материалы для специфических целей. К примеру, стоматологические фотополимеры с разнообразными свойствами, а также материалы для изготовления ювелирных мастер-моделей.
Оборудование
Уже сегодня некоторые DLP 3D принтеры могут составить прямую конкуренцию оборудованию для SLA печати. В нашем магазине представлены разнообразные устройства, как профессионального, так и бюджетного класса, для DLP 3D печати. Ниже перечислены некоторые из них.
Технология DLP
Цифровая светодиодная проекция (DLP) – метод аддитивного производства , вариант стереолитографической 3D-печати.Технология
Одним из наиболее популярных методов аддитивного производства высокоточных прототипов является лазерная стереолитография (SLA) . Метод основан на использовании фотополимерных смол, затвердевающих при облучении ультрафиолетовым светом. В то время как технология SLA находит широкое применение в профессиональной среде, ее распространение ограничивается достаточно высокой стоимостью устройств, обусловленной применением дорогостоящих лазерных излучателей.Альтернативный метод использует цифровые светодиодные проекторы (DLP), позволяя снижать себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели.
О преимуществах того или иного метода сложно судить. DLP-печать появилась совсем недавно, но уже демонстрирует прекрасные результаты, сопоставимые по точности и производительности с оригинальной технологией лазерной стереолитографии (SLA), запатентованной Чарльзом Халлом в 1986 году и давшей первый существенный толчок развитию 3D-печати. Основным преимуществом DLP над SLA может стать более низкая стоимость используемых проекторов по сравнению с лазерными излучателями.
Применение
С момента появления, DLP-принтеры составляют прямую конкуренцию устройствам, работающим по технологии SLA. DLP-принтеры применяются в стоматологии, ювелирной промышленности, свободном дизайне и в производстве сувениров.
Преимущества и недостатки
Как и стандартные стереолитографические устройства, DLP-принтеры имеют высокие показатели точности печати – минимальная толщина слоя может достигать 15 микрон с использованием существующих установок. Минимальная толщина слоя, наносимого более доступными FDM- принтерами , как правило, составляет не менее 50 микрон. Практически же, разрешение находится в обратной зависимости от скорости наслоения – технология позволяет достигать и более высоких показателей точности ценой снижения скорости печати. Расходные материалы, а именно фотополимерные смолы, имеют высокий диапазон механических характеристик: возможны имитаторы в диапазоне от твердых пластиков до резины. Как правило, печать осуществляется материалом одного цвета, но ограничений палитры не существует. Основным недостатком метода DLP, как и SLA, является относительно высокая стоимость расходных материалов – порядка $80-160 за один литр жидкого полимера. Для сравнения, килограмм пластиковой нити для FDM печати можно приобрести за $35. В итоге, пользователь должен найти правильный баланс между качеством и себестоимостью печати.
На сегодняшний день существует несколько технологий засвечивания полимера в фотополимерных принтерах процесса «полимеризация в ванне».
Но из них можно выделить три основных:
1) Классический SLA принтер с засвечиванием лазерным лучом (далее по тексту - SLA-принтер).
Лазерный луч через систему развертки (которая может быть реализована различными способами) засвечивает фотополимер, последовательно «оббегая» ванну. Модель формируется за счет включения-отключения лазера.
2) Принтер с засветкой фотополимера при помощи DLP-проектора (далее по тексту - DLP-принтер)
Фотополимер засвечивается DLP-проектором, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
3) Принтер с засветкой фотополимера светодиодной УФ-матрицей с использованием в качестве маски доработанный LCD-дисплей (далее по тексту - LCD-технология).
Фотополимер засвечивается светодиодной матрицей, изображение формируется за счет LCD-дисплея, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
Если отличия классической LSA технологии от DLP и LCD очевидны, то DLP и LCD-технологии засвечивания часто путают, что неправильно, т.к. каждая из этих технологий имеет свои особенности, которые влияют на возможности принтера, качество печати, и т.п.
Ниже дано краткое сравнение этих трех технологий по ряду параметров.
1. Размер области печати по XY
SLA-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость (лучу надо успеть «оббежать» большую площадь.
DLP-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость печати и ниже разрешающая способность принтера.
LCD-принтер - область печати жестко привязана к размеру LCD-дисплея.
2. Скорость печати
SLA-принтер - самый «медленный» из трех технологий. Связано это с последовательной засветной и низкой мощностью лазера.
DLP-принтер - самый «быстрый», связано с высокой мощностью проектора.
LCD-принтер - «средний» по скорости печати. Скорость печати связана с мощностью УФ-матриц. Мощность матрицы увеличивать бесконечно нельзя, т.к. мощные матрицы требуют мощного охлаждения, и начинают «пробивать» «трафарет» из LCD-дисплея.
SLA-принтер - минимальная
DLP-принтер - максимальная. Высокая засветка связана как с большой мощностью ламп проектора, так и с большей долей длинноволнового актиничного излучения в спектре.
LCD-принтер - средняя.
SLA-принтер - минимальная.
DLP-принтер - при правильной наводке на резкость - минимальная, но выше, чем у SLA.
5. Возможность использования прозрачных полимеров.
SLA-принтер - возможно использование без снижения качества печати.
6. Влияние окраски полимера на качество печати
SLA-принтер - несколько улучшает качество печати, использование сильноокрашенных полимеров может привести к снижению адгезии между слоями и невозможности использования полимера.
7. Факторы, влияющие на разрешающую способность (помимо свойств полимера и толщины слоя)
SLA-принтер - диаметр пятна лазера и точность позиционирования пятна. Типичные значения 100-200 мкм (для пятна лазера), 40…20 мкм (точность позиционирования)
DLP-принтер - размер пикселя и точность наводки на резкость. Типичное разрешение 1920х1080, соответственно размер пикселя зависит от области печати по XY.
8. Совместимость с полимерами.
SLA-принтер - плохая совместимость, полимеры могут не подойти под конкретный принтер из-за сильной окраски, и из-за «быстроты» (слишком «быстрые» или слишком «медленные»).
DPL- и LCD-принтеры - хорошая совместимость. Практически любой полимер, разработанный для LCD- и DLP-принтеров может быть использован на любом принтере. В целом DPL-принтер «любит» более окрашенные полимеры, а LCD-принтер - более «быстрые». Использование полимеров, разработанных для SLA-принтеров так же возможно, но требует проверки по каждому полимеру.
9. Ресурс отдельных элементов.
SLA-принтер - лазер - ресурс 3000 - 5000 и более часов.
DLP-принтер - лампа проектора, ресурс - несколько тысяч часов
LCD-принтер - LCD-экран - ресурс около 1000 часов, УФ-матрица - ресурс несколько тысяч часов.
10. Цена
SLA-принтеры - цены на бюджетные модели цена в пределах 190 000 - 400 000 р, «профессиональные» — от 400 000 р и выше
DLP-принтеры - цены на серийно-выпускаемые - 300 000 р и выше, цена самоделок (не считая стоимости проектора) - не выше 50 000
LCD-принтеры - цена 25 000 -50 000 р.
SLA-принтер - возможно как сверху вниз, так и снизу вверх.
DLP-принтер - возможно как сверху-вниз, так и снизу вверх.
LCD-принтер - только снизу вверх.
Надеюсь этот краткий обзор позволит читателям портала лучше понять особенности прнтеров, которые влияют на их характеристики.
Современные фотополимерные принтеры 3D-принтеры: лазерные, DLP, LCD
