光固化3D打印进化论:Axtra 3D、Formlabs与3D Systems如何重新定义SLA与DLP
立体光刻技术在过去四十年中一直是树脂基3D打印的核心技术,但近年来,一批新的光引擎方法已将技术路线远远推离Chuck Hull在1984年专利中描述的激光扫描液槽模型。
三套系统——3D Systems的PSLA 270、Formlabs的Form 4系列以及Axtra3D的Lumia X1——正好说明了光聚合物3D打印的未来走向,以及为什么传统的SLA/DLP分类已无法涵盖全貌。
在经典SLA中,紫外激光在树脂表面逐点扫描每一层的截面,一次只沿一条路径固化材料。这种工艺能带来极高的精度、优异的表面质量和大成型体积,但因为激光必须逐个追踪每个特征,打印速度会随零件复杂度或摆放密度成比例下降。


DLP立体光刻技术通过用投影仪替代激光解决了速度问题,投影仪将整层作为像素图像一次性照射。这种同时曝光意味着层固化时间与截面面积基本无关,使得DLP远快于激光SLA。代价是分辨率和表面质量:DLP投影仪的像素网格在低分辨率下会产生更硬的边缘和更粗糙的表面,而且倒置构建方向(从透明膜向上打印)会引入剥离力,可能使较大截面的零件变形或损坏。
基于LCD的系统(在消费级领域常称为mSLA)工作原理与DLP类似——用液晶屏遮蔽背光——但硬件成本更低,代价是光功率较低、屏幕寿命较短以及光分布不均匀。

感受到日益激烈的竞争压力,3D Systems通过引入PSLA技术迈出了远离传统SLA的重要一步。与大多数从底部投影的树脂3D打印机不同,PSLA 270从顶部向下投影,采用传统SLA的构建方向——平台下沉到树脂槽中,无需从膜上剥离。双高清投影仪的SLA系统相比激光技术,固化层时间快了最多5倍,7瓦投影仪以90µm像素分辨率提供首次成功零件。由于其保留了经典SLA的自上而下、开放式液槽几何结构,而非DLP/LCD的倒置膜式几何结构,因此没有接触也没有重力导致的变形——最终结果是不论几何形状如何,都能获得高精度、一致性和零件质量,所需的支撑结构也比其他解决方案少得多。
该系统通过专有图像处理解决了投影系统常见的像素边缘问题:3D Systems的软件使用灰度缩放技术自动调整像素边缘,从而制造出具有优异表面质量的高质量、生产级塑料零件。PSLA 270还使用3D Systems的Figure 4材料组合,包括刚性、柔性、耐高温、阻燃和生物相容性树脂——与该公司Figure 4生产平台使用相同的材料库。
简而言之,PSLA 270是一台具有经典SLA几何结构的DLP速度机器:它弃用了激光,但没有采用限制大多数投影仪系统只能处理较大截面的倒置膜架构。

Formlabs的Form 4系列以不同的方式改变了游戏规则。Form 4不是传统的SLA或LCD打印机——它是一个全新的掩模SLA(mSLA)类别,采用了Formlabs发明的Low Force Display打印引擎。该系统为倒置式,从树脂槽底部的膜向上构建。但Formlabs大幅改进了使这种几何结构在大尺寸上变得有问题的剥离机制。
LFD打印引擎的核心是背光单元,一个使用60颗LED、集成散热和准直透镜的超高功率光源,光学功率强度为16 mW/cm²。从那里,光通过光处理单元,该单元使用一系列偏振片、光学镀膜和定制液晶显示器将光整形以匹配打印层。50µm像素尺寸的高分辨率LCD与预调的抗锯齿功能可提供清晰的细节、光滑的表面光洁度和精确的公差。
关键工程成就在于释放系统。剥离力通过新的Release Texture和重新设计的Flexible Film树脂槽被最小化。Release Texture是一种专有的微纹理光学膜,可引入气流以防止树脂槽吸住LPU。结果,Form 4实现了掩模系统的速度,同时大幅减少了倒置LCD打印常见的打印失败、支撑需求和零件变形。大多数打印(使用80百分位的打印高度53mm和100µm层高)可在不到2小时内完成。
Form 4主要面向专业原型制作、牙科和工程市场——而非大幅面工业生产。Form 4L将同一引擎扩展到353×196×350 mm的构建体积,使用145颗LED,打印速度比其前身Form 3L快2–4倍。

Axtra3D的Hybrid PhotoSynthesis (HPS) 采用了一种根本不同的方法:它不是选择激光或投影仪,而是同时运行两者。在这个同轴系统中,两个光源同时工作,在相同波长和相同像平面固化树脂。在HPS工艺中,光投影仪固化大部分层,而激光同时以高精度固化该层的轮廓。
其逻辑是利用DLP投影实现快速但柔和的像素化边缘,用激光实现精度。图像发生器覆盖截面的大部分区域——“闪光孵化”——实现DLP的速度,而激光则以50µm分辨率创建边框轮廓以获得更好的表面质量和精度。两个光源共享相同波长和焦平面,因此它们在单次通过中协作固化,而非顺序进行。
Axtra3D将HPS与其TruLayer技术结合,TruLayer使用打印机膜下的多个传感器确保打印层从树脂槽快速脱离,最小化层间停顿并加速打印过程。这一组合瞄准了对速度和表面光洁度都有要求的连续、高产量零件生产——这些应用在传统DLP中必须牺牲一方以获得另一方。该公司由AM资深人士Gianni Zitelli(Nexa3D联合创始人之一)和Praveen Tummala(曾任XponentialWorks技术总监)于2021年创立,总部位于北卡罗来纳州夏洛特市,研发中心位于意大利维琴察。
这三套系统都解决了相同的核心问题——激光SLA的速度-质量权衡——但从不同的工程方向出发。PSLA 270保留了经典SLA的开放式液槽、自上而下几何结构,用双投影仪替代激光,从而在避免膜相关失真的同时提高速度。Form 4保留了mSLA/LCD的倒置膜几何结构,但从头重建了剥离和光学系统,以消除膜打印通常造成的可靠性和质量损失。Axtra3D的HPS则完全拒绝了非此即彼的选择,同时运行投影仪和激光,在单层内利用各自光源做最擅长的事情。
与传统的SLA相比,这三者都更快。与传统的DLP相比,它们都提供了更好的表面质量和边缘清晰度。PSLA 270适用于中幅面工业生产,Form 4面向专业原型制作到小批量生产,而Lumia X1定位在对纯DLP速度和纯SLA质量单独都不足以满足要求的高通量复杂零件生产中。


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