德州仪器 DLP^® 在3D打印中的应用 (1)

大家好 我是特瑞仪器公司的负责DLP产品业务经理 郑海斌 今天我非常高兴有机会和大家一起探讨 3D打印技术以及相关发展 那么今年上半年工信部 发改委和财政部联合 发布了国家升才之造产业发展推荐计划 相信会对国内的3D打印产业的发展有很积极的推动作用 那么今天我希望利用这个机会给大家介绍一下德州仪器公司的DLP技术 以及DLP技术在3D打印当中的应用 这是我今天的议题 首先我会像大家简单介绍一下DLP技术以及DLP技术发展的历程 然后我会详细阐述一下采用DLP技术如何实现3D打印 它的工作原理 DLP的技术优势 以及系统的实现方法 那么为了帮助客户快速的导入TI的产品 缩短产品设计周期 TI有很丰富的详细的参考设计 这里我也会为大家DLP的3D打印参考设计的相关情况 以及其对应的产品平台 包括如何进行选型 那么最后是我们的回答环节 也欢迎大家提出问题 我们也会一起讨论 那首先我们看一下什么是DLP技术 DLP技术是TI的专利发明技术 它是一个MEMS技术 那我想讲到MEMS大家都很熟悉 MEMS就是微机电系统 micro electronic mechanical system 的英文缩写 那这个图片是DLP技术的核心器件 DLP器件的一个简单适应图 大家可以看到它是由九个小的镜片呈正列分布 那DLP芯片就是在cmos电路上形成了数以百万个这样的小镜片来组成的 那每一个小的镜片我们称为一个数字微镜 那数字微镜在数字信号的控制下 可以在正负12度 两个方向做快速的切换 当我们有光线照射在DLP微件阵列上时 那数字微镜通过它不同的偏转角度 就可以把光线反射到不同的方向 从而进行影像的显示 那这是DLP技术一个简单的工作原理 那在这里面有两点我想要强调 第一点就是每一个小的镜片它的开关切换速度非常的快 使得DLP的响应速度远远优越于其他的显示技术 那么第二点我刚才提到每一个数字微镜都可以在数字信号的控制下 进行开关的动作 那因此我们可以去精准的控制任何一个镜片的开关动作 那通过这个特性我们可以进行很多先进的光学控制应用 我们来简单了解一下DLP技术的发展历程 1987年Larry Hornbeck博士发明了DLP技术 那到1996年我们推出了采用DLP技术的数字投影机 1998年DLP技术获得了艾美奖 那2009年我们又推出了微型投影产品 把投影功能提升到了便携式的数字多媒体设备中 比如大家现在看到市面上比较流行的无屏电视 就是采用DLP技术的数字微型投影机 与此同时我们也在关注DLP技术在新兴领域的应用 包括工业 汽车 医疗等 那DLP技术也推动了电影行业 从胶片到数字化时代的变革 那现在大家在国内看到的数字电影 基本上都是采用DLP技术的数字影片放映机放映的 那今年为了表彰Larry Hornbeck的发明的DLP技术 对数字电影行业的推动和发展 颁发给他的奥斯卡科学技术奖 Larry hornbeck博士也获得他的第一座小金人 那这也是对TI对DLP产品一直以来坚持创新的最大肯定 DLP技术作为一种投影显示技术 在显示领域已经取得了很好的成绩 不管是在会议室 教室 家庭 数字影院 还是在消费类的微型投影 DLP技术都占据的绝对的市场份额 那我们一直在思考 除了传统的显示领域 我们怎么样可以把DLP技术推广扩展到更多的新兴应用市场 在经过不断的产品创新和技术突破 我们现在已经成功地把DLP技术应用于许多的工业 医疗和汽车电子等新兴的应用领域 那在这里我给大家举几个简单的例子 比如说大家看到这张图里面写的digital exposure 数字曝光应用 我们现在已经成功地把DLP技术应用到PCV电路制版 液晶电板修复等曝光工业应用领域 像比如说3D scanning 三维扫描 那现在很多的工厂自动化 印象工程 在线检测 甚至一些医疗应用里面 越来越多地需要了解到物体的三位立体信息 那DLP技术在这里作为一种结构光的扫描技术 得到了广泛的应用 再比如说wavelength control 一些光谱分析应用 在这里面我们把DLP作为一种可编程的光调制器 用于提取物体的特征光谱 进行进一步的光谱分析 那广泛应用于一些食品安全检测 在线成分分析 和化学成分判定等等的应用方向 还有汽车电子里面的抬头显示 也体现了DLP技术的多样化和它的技术优势 那么当然也包括今天下面我们要重点讨论的3D打印技术 因此我们可以看到DLP技术不再局限于作为一种投影显示技术 仅仅用于显示应用 还是越来越多地面向工业 医疗 汽车 新兴的应用方向 继续展现其强大的生命力 前面给大家介绍了一下DLP技术及发展历程 以及DLP技术的新兴应用方向 在下面我们重点讨论一下DLP技术如何实现3D打印 它的工作原理 实现方式和系统设计 我想大家对3D打印并不陌生 3D打印又称作增材制造 是通过CAD设计的数据模型 采用材料逐层累加的方式来制造 因此它又被称为材料累加制造 快速成型 分层制造等等 那3D打印的这个流程可以极大地缩短整个产品的设计周期 便于调整原型的设计 以及可以用于制作非常复杂的产品形态 包括做一些定制化的设计 那目前3D打印被广泛应用在一些膜具制造 原型设计 珠宝首饰的加工 包括一些医疗植入物的一些设计 那还有一些高端的3D打印经常被应用于直接生产制造 航空 航天 汽车电子的元器件 那么下面我来介绍一下DLP技术是如何应用于3D打印 那我想大家应该熟悉3D打印的流程 首先你要有一个3D的模型 不管是用CED生成还是用现有的3D模型 然后通过软件把CED模型进行的slicing处理 也就是说切片的处理 来生成每一层打印文件的横截面影像 最后通过逐层打印的方式把最后的产品制造出来 那么在这个PPT的左上角这张图解释了DLP 3D打印的工作原理 那DLP 3D打印通常会采用液态的光敏材料 比如说光敏树脂 [听不清] 等等 所谓的光敏材料就是在特定波长的光照射下材料会发生特性变化 从液态转变成固态 这也是为什么说我们讲DLP技术属于一种SLA的打印分支 SLA就是光固化技术 那么我在前面讲的DLP是一个反射式的一个微型整列 它可以精确地控制光线的反射方向 当我们得到了每一层的感应器之后 我们就可以控制TMP芯片把光线精准地反射到打印材料上 那么有光线照射的地方 打印材料会迅速地固化 而没有光线照射的地方 打印材料仍然保持它的液态特性 那么当这层打印结束之后呢 打印平台向下位移预先设定的打印厚度后 液态材料会覆盖在一次打印的这个固态表面上 然后我们可以进行第二次的打印 如此循环往复的话 我们就可以把整个物体打印出来 那么通常3D打印的时间都非常长 这也是目前困扰整个3D打印的产业非常大的问题 如何提高3D打印的速度和效率 一直以来是3D打印产业所面临的一个挑战 也是大家所致力于解决的一个问题 那我们通过DLP的3D打印的工作原理我们可以看到 DLP技术给我们带来的是一种面打印的方式 也就是说每一个打印周期 整个物体打印面试一次成型 那相比较于其他的3D打印技术比如说FDM 这种技术来讲的话 面打印可以大大提高打印的速度和效率 那么再一点 3D打印在制造一些内部结构非常复杂的物体上 是比传统的制造工艺制造技术有优势 但同时也提出了很高的精度要求 那如何满足高精度的需求 也是3D打印技术所面临的一个问题 那么DLP产品拥有多种分辨率的TMP芯片 我们可以实现50um以下的打印精度 那么通过光学设计甚至可以进一步的提升打印的精度 那因此相较于其他的打印技术来讲的话 DLP在分辨率上在打印精度上有很好的一个技术优势 那我可以给大家举一个简单的例子 那么DLP目前来讲一个非常主要的应用领域是在打印什么呢 是打印助听器 大家可以想象一下 助听器因人而异 那么需要定制化的设计 同时他是一个非常精密的器件 它需要有非常高的精度要求 那目前来讲在助听器的3D打印市场 DLP技术是非常广泛被采用的 那么再一点也非常关键 就是被打印材料的支持 那我们前面提到液态光敏树脂通常来讲都是[听不清]的 那么我们DLP技术可以支持多打印材料 比如目前比较常见的365纳米 385纳米 395纳米和405纳米 这是非常常见的3D打印材料的波长 那当然我们目前TMD芯片可以支持363纳米到2500纳米这种不同的波长范围 也有对应的紫外光的TMD来选择 因此给我们3D打印的方案提供了一些非常好的灵活性 那我们来看一下DLP 3D打印的大概工作流程 首先我们要进行3D打印 我需要有物体的3维模型 通常我们可以用CAD的工具来生成三维模型 CAD的工具会输出一个STL格式的文件 这个文件包含了打印物体表面的网格信息 当然我们也可以从网络上下载一些现成的三维模型 来进行3D打印 第二步当我们得到三维模型之后 我们可以通过软件的方式 来做slicing的处理 那这个slicing就是说切片 我们来获得每一个横截面的影像信息 那这个切片数量的多少 会决定你打印物体表面的平滑程度和打印精度 以及对应的打印时间 你的切片数量越多那么你打印出来的物体表面就越平滑 精度越高 但相对应你的打印时间也会越长 你的切片数量越少你打印出物体表面的粗糙就会越粗糙 你的精度也低 但对应你的打印时间也会缩短 因此我们需要根据你的系统的需求 比如说你打印时间的需求 打印速度的需求 包括你在打印材料的要求 来决定我们到底要做多少层切片 那第三一步我们需要把所有的切片影像信息转送到DLP的系统 用DLP来形成一个sequence的文件 那这个sequence的文件就是DLP所可以显示的一个特定的文件格式 第四步DLP系统会根据生成这个sequence的文件来进行影像的显示 也就是说来进行光线的反射 那么在有光线反射到的地方 我们的液态材料会迅速的固化 那没有光线照射的地方还是保持液态 这样的话来完成第一层面的打印 那这里面有一个曝光时间的要求 也就是说你每一个打印平面 是打印的时间是多长 曝光时间是由你打印材料的厚度 以及材料的固化速度和你整个DLP光学系统的曝光强度来决定的 你的光强越强 你的这个固化速度就越快 你的打印厚度越厚呢 你就需要较长的曝光时间 那么当我们完成一层固化之后呢 我们打印平台会位移一个单位来进行下一层的打印 直到循环整个流程来完成整个物体的打印 那因此大家可以看到在整个打印过程中 有几个因素来决定你的打印速度 第一个你的slicing的数量多少 第二个你的这个DLP 光学系统曝光强度 第三你的打印材料的特性 因此我们在决定整个系统的这个切片数量的时候 你需要去通盘考虑你对系统各个参数的控制