數(shù)字光處理（DLP）3D 打印技術(shù)演進(jìn)分析

王 浩 田佳陽（等同第一作者）

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津300300）

數(shù)字光處理（DLP）3D 打印技術(shù)，屬于“液態(tài)樹脂光固化成型”中的重要一類，DLP3D 技術(shù)由SLA 技術(shù)發(fā)展而來，它采用高分辨率的數(shù)字處理器投影儀替代SLA 激光來逐層光固化液態(tài)聚合。基于DLP 技術(shù)發(fā)展出的3D 打印系統(tǒng)由以下幾部分組成：DLP 投影系統(tǒng)、機械運動系統(tǒng)以及具有控制和運算能力的主控系統(tǒng)；在主控系統(tǒng)上進(jìn)行切片處理運算，將三維模型分割為一系列二維平面圖像，之后控制DLP 投影系統(tǒng)實現(xiàn)圖像的投影，驅(qū)動機械運動完成逐層打印，最終實現(xiàn)實體零件的制作[1-2]。

1 技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

該技術(shù)最早由MSTECHKK 于1996 年申請了形成三維圖像及其設(shè)備（JP09141749A），可在短時間內(nèi)形成高精度的三維圖像， 并使其可以應(yīng)用于紫外線固化樹脂。STANFORDRESINSTINT 于1997 申請了一種使用計算機控制的快速原型技術(shù)制造三維物體的設(shè)備（WO9806560A1），通過使用選擇性曝光裝置選擇性地將可光聚合組合物層暴露于光化輻射來制造物體，該裝置包括用于數(shù)字光處理（“DLP”）投影儀的數(shù)字微鏡裝置（“DMD”），液體晶體顯示器（“LCD”）投影儀，可光聚合的組合物包含光聚合物或高負(fù)載的陶瓷或金屬分散體，其在凝固時提供所需的結(jié)構(gòu)目標(biāo)。FUJIPHOTOFILMCOLTD 于2001 年申請了一種能夠快速實現(xiàn)超細(xì)形狀的光學(xué)整形裝置（JP2002316363A），當(dāng)通過XY 定位機構(gòu)確定曝光單元的第一位置時，DMD 微鏡根據(jù)符合第一位置的指定區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)和光源發(fā)出的光束，光束通過光纖和均化器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入DMD，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)對每個像素調(diào)制光束。JSR CORP 于2005 年申請了一種能夠精確地形成具有所需形狀的立體模型的光學(xué)成形方法（JP2006272916A）。在光學(xué)成形方法中，光照樹脂液體被選擇性地用光照射以連續(xù)形成固化樹脂層和這些固化樹脂連續(xù)層疊層以形成立體模型。3D SYSTEMS INC 于2009 年申請了一種用于補償在三維建模器中使用的成像器的強度分布的方法和裝置（EP2344323B1），確定成像器的強度分布，通過投射多個圖案（與單個圖案相對）來固化可凝固液體材料的每一層，這些圖案限定了被固化部分的二維橫截面，根據(jù)圖案數(shù)量和/或形狀不同調(diào)整持續(xù)時間與強度分布。

2 國內(nèi)重點專利技術(shù)演進(jìn)分析

對現(xiàn)有專利文獻(xiàn)進(jìn)行標(biāo)引后獲得的該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)手段包括曝光裝置/方法、原料、脫模裝置/方法、切片圖層處理等，現(xiàn)階段對該技術(shù)的主要改進(jìn)有：改進(jìn)曝光裝置/方法、新用途、改進(jìn)原料、改進(jìn)脫模裝置/方法、改進(jìn)切片圖層處理等方式，下面對關(guān)鍵技術(shù)手段中的改進(jìn)效果突出的技術(shù)方法進(jìn)行介紹。

2.1 改進(jìn)曝光裝置/方法

3D 系統(tǒng)公司于2007 年申請了逐層形成三維目標(biāo)的方法和設(shè)備，一種用于逐層形成三維目標(biāo)的方法和設(shè)備（CN101244629A），其利用隨可變硬的光聚合物構(gòu)建材料上的三維目標(biāo)的截面的數(shù)字光投影圖像的灰度或時間或二者而變化的曝光水平實現(xiàn)立體成像。以及用于三維造型器的光化輻射強度分布的補償（CN102186653A），以各種技術(shù)確定從成像器投射的光化輻射的強度分布，確定了成像器的強度分布，通過投射定義被固化的部件的二維橫截面的多個圖案(與單個圖案相反)固化每層可凝固液體材料。上海泰聯(lián)三維科技有限公司于2015年申請了基于投影式的光固化三維打印方法以及打印裝置（CN104669625A），投影系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的控制下逐層掃描打印固化，在打印每層時，采用在水平面內(nèi)直線移動投影系統(tǒng)所得的投影幅面來完成每層所要打印的整個圖案，且使投影幅面按預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行水平直線移動。

2.2 改進(jìn)DLP 打印原料方面

復(fù)旦大學(xué)于2015 年申請了一種數(shù)字投影成型DLP 光固化材料及其制備方法（CN105237689A）該材料由環(huán)氧丙烯酸酯及其他自由基活性組分，光引發(fā)劑和光敏劑組成，在機械攪拌作用下混合而成。該材料由丙烯酸酯、經(jīng)過表面處理的核殼粒子及光引發(fā)劑組成。本發(fā)明是將核殼粒子加入到丙烯酸酯及光引發(fā)劑的混合物中，并進(jìn)行高速機械攪拌。3D 系統(tǒng)公司2017 年申請了用于 3D 打印的水凝膠材料的方法和裝置（CN108883572A），提供了用于物體的3D 打印的3D 打印系統(tǒng)、方法和材料，所述材料包括固化的水凝膠材料、未固化的水凝膠材料和載體材料，固化的水凝膠材料可限定用于器官或其它生物結(jié)構(gòu)的支架。北京工業(yè)大學(xué)（CN109734434A）于2019 年申請了一種基于3D 打印技術(shù)的極小曲面結(jié)構(gòu)磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合生物陶瓷的制備方法。采用DLP(數(shù)字光固化)3D 打印技術(shù)為打印手段，以組合物主要為：35-70vol%的磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合陶瓷粉體，30-65vol%的光敏樹脂預(yù)混液。

2.3 改進(jìn)切片圖層處理方面

北京大學(xué)口腔醫(yī)院、北京實諾泰克科技有限公司、南京航空航天大學(xué)于2016 年申請了一種三維打印方法和裝置（CN107180451A），根據(jù)斷層掃描數(shù)據(jù)獲取分層掃描圖像；根據(jù)分層掃描圖像提取待打印物體的邊緣輪廓線；根據(jù)邊緣輪廓線確定待打印物體的分層剖面圖像；根據(jù)分層剖面圖像生成分層打印數(shù)據(jù)。提取分層的斷層掃描數(shù)據(jù)中的邊緣輪廓線，獲取待打印物體的分層剖面圖像，確定分層打印數(shù)據(jù)，無需先根據(jù)斷層掃描數(shù)據(jù)生成三維數(shù)據(jù)，再將三維數(shù)據(jù)切片生成分層打印數(shù)據(jù)，提高了分層打印數(shù)據(jù)生成的效率。清華大學(xué)于2016 年申請了一種DLP3D 打印機打印方法及裝置（CN107283816A），根據(jù)預(yù)設(shè)打印層高度，對待打印三維模型進(jìn)行逐層切片，獲得多個打印層；將每個所述打印層分解成多個分離的多邊形；根據(jù)預(yù)設(shè)DLP 投影尺寸，對每個所述多邊形按預(yù)設(shè)傾斜角進(jìn)行分割，獲得每個多邊形的多個矩形塊；確定每個所述打印層對應(yīng)的多個所述矩形塊的打印順序，使得DLP3D打印機適用于大規(guī)模的三維模型的打印，并在保證打印精度的前提下，獲得較高的打印效率。

2.4 新用途

耶路撒冷希伯來大學(xué)伊森姆研究發(fā)展有限公司于2014 年（CN105027690A）申請了三維導(dǎo)電性圖案和用于制造三維導(dǎo)電性圖案的油墨，至少一種金屬源、至少一種單體和/或低聚物和聚合引發(fā)劑的可聚合的導(dǎo)電性油墨制劑，以及其用于打印三維功能結(jié)構(gòu)的用途。清華大學(xué)于2015 年申請了一種蜂窩夾芯及其制備方法（CN105034361A），顯著提高蜂窩夾芯的生產(chǎn)效率，大幅提升蜂窩夾芯與面板的粘接性能，并且可以制備得到曲面結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯。

3 技術(shù)的趨勢預(yù)測

在通過標(biāo)引獲得該技術(shù)的改進(jìn)熱點的基礎(chǔ)上，我們可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在其發(fā)展的過程中一直圍繞著曝光裝置/方法、原料、圖層切片處理等關(guān)鍵技術(shù)手段進(jìn)行改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，我們不難發(fā)現(xiàn)該種技術(shù)依舊存在一些不足，這些不足也為我們指出了該技術(shù)的發(fā)展方向：

（1）DMD 鏡片偏轉(zhuǎn)誤差使光斑尺寸發(fā)生變化，由于放大倍數(shù)的增大，有效光斑尺寸在總光斑尺寸中比例逐漸減小，限制了光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)。而DMD 芯片尺寸較小，使得DLP 型3D 打印機無法形成較大的投影幅面，很難完成大幅面的打印成型工作。

（2）DLP 3D 打印技術(shù)要求原料為光敏樹脂，材料種類較少而且性能難以取代現(xiàn)有工程塑料，雖然領(lǐng)域內(nèi)對圍繞DLP3D 打印原料作了諸多改進(jìn)，在應(yīng)用方面仍存在一定限制。