研究基于新型金屬偏光片技術(shù)改進(jìn)樹脂 3D 打印

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在研究在基于樹脂的 3D 打印機(jī)中使用金屬線柵偏振濾光片。

有線網(wǎng)格偏光片旨在取代單色 LCD 屏幕中使用的傳統(tǒng) PVA 薄膜偏光片，該組件會(huì)生成用于打印各層的圖案。測(cè)試表明，與傳統(tǒng)薄膜相比，新的線柵偏振器提供了更高的光傳輸效率。

在 LCD 3D 打印的背景下，傳輸效率的提高會(huì)導(dǎo)致紫外線強(qiáng)度更高、打印時(shí)間更短、紫外線穿透深度更大（更厚的層）和更寬的固化表面。

△金屬線柵偏振器的 SEM 成像，圖片來自仁荷大學(xué)。

PVA 薄膜偏光片與線柵偏光片

在投影微立體光刻 (PμSL) 中，空間調(diào)制器用于將紫外光投射到構(gòu)建板的整個(gè)區(qū)域，從而允許基于 PμSL 的 3D 打印機(jī)一次固化整個(gè)層。空間調(diào)制器可以采用 LCD、硅上液晶 (LCoS) 或數(shù)字微鏡器件 (DMD) 的形式。

雖然 PμSL 通常比基于點(diǎn)激光的 SLA 更快，但它確實(shí)有其局限性。例如，從小型空間調(diào)制器芯片投射紫外光需要高放大倍數(shù)，這會(huì)隨著表面積的增加而降低光強(qiáng)度。此外，傳統(tǒng)的 LCD 具有兩個(gè)正交薄膜偏振器，允許紫外光在某些區(qū)域通過。這里的工作機(jī)制是薄膜中的電場(chǎng)吸收平行于它們的光，只傳輸垂直的光。這種傳統(tǒng)方法有效，但也降低了光引擎的有效強(qiáng)度。

為了解決與薄膜偏振器相關(guān)的問題，改用有線網(wǎng)格偏振器。與薄膜非常相似，線柵偏振器吸收平行光但透射垂直光，該方案建立在散射機(jī)制上而不是吸收機(jī)制。除了更高的傳輸效率外，金屬線柵還可以承受更高的光強(qiáng)度而不會(huì)受到損壞。

△偏振濾光片設(shè)計(jì)用于僅在一個(gè)軸上傳輸光。圖片來自 Codixx。

邁向更高的傳輸效率

為了測(cè)試有線網(wǎng)格偏振器的有效性，研究人員將它們與PVA 偏振器的彩色和單色 LCD 進(jìn)行了比較。每個(gè)設(shè)備都用于在各種 UV 波長和光強(qiáng)度下 3D 打印有機(jī)硅樹脂部件。研究小組發(fā)現(xiàn)，PVA 薄膜偏振器的透射效率在較短的波長下顯著降低，而線柵偏振器在每個(gè)波長下透射的紫外光更多。薄膜和線柵性能之間的差異在波長低于 400nm 時(shí)最為明顯。對(duì)于 365、385、405 和 450nm 的波長，薄膜偏光片的透射效率分別為 0.0%、1.1%、22.9% 和 34.8%。對(duì)于相同的波長，線柵偏振器提供 34.4%、39.3%、39.1% 和 42.5%。

最終，結(jié)果表明，使用線柵偏光片具有更高的輸出強(qiáng)度、更高的損傷閾值、更好的樹脂兼容性和整體改進(jìn)的打印性能，證明了它們?cè)?UV LCD 3D 打印機(jī)中的可行性。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為‘Use of wire grid polarizers with liquid crystal display for large-volume stereolithography’的論文中找到。