梁海弋：基于灰度投影的DLP光固化控形技術

在2024增材制造產業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產業(yè)年會論壇上，中國科學技術大學教授梁海弋先生做了“基于灰度投影的 DLP 光固化控形技術”報告。



梁海弋：今天非常榮幸，可以來分享我們最近的一個研究成果。

主要是用灰度投影解決DLP打印中間一些精度的問題。

第一個是研究背景，我們知道光固化技術有很多類型，比如說典型的立體光固化成形是一個由點到光，然后樹脂光處理是面曝光，最近比較新發(fā)展技術，CIL技術是一個體曝光。雖然他們打印的方式不同，但是中間有一個共同的特點，就是用需要用光成型，我們正確就是在樹脂里面進行正確的光劑量的空間設計，是我們實現精確打印的一個前提。

當然目前這個技術大家好像沒有特別關注這個事情，所以這個是我們?yōu)槭裁醋鲞@個事情。本課題特別關注了一下DLP這個例子，我們知道成型平臺和離型膜之間首先形成非常薄的液膜，大概幾十微米。然后形成液膜之后就會把投影機打開進行投影并且固化這層液膜，這個會帶著離型膜上去，到一定高度離型膜脫落，然后我們的平臺會下降，再形成一層液膜，等待下一次的曝光，這樣周而復始，可以做成復雜的三維物體，這里面注意到一個關鍵點，我們的投影曝光階段，目前大家用的是左邊的這個光，通常是均勻的對一個模型簡單的切片，形成一個輪廓之后，在輪廓里面填充均勻的光去照射。

但是我們后面會看到，這個均勻的光會造成邊界的不是那么精確的還原設計，我們的研究結果表明，右邊這個光反而會像這種不是那么均勻的光，特別是邊緣是振蕩衰減的光會達到更好的結果。

這樣我們先回答這個問題，為什么均勻光有不好的結果？這個是一個左邊這個是這樣的，這個是一個我們的模型，想去做成這個平面的帶孔平面，所以我們一般會用這個幾何光去照射它，但是我們的結果通常會發(fā)現，這個洞白色框是一個洞，一個圓角，這個是不同的例子，右邊也是，如果我們想豎向打印，光從下面照射，但是我們知道光可以投射過一定的深度，把洞里面原來不想打，也固化了，打出來結果小的這個洞，有的研究者想改變一下這個精度，提高精度，所以他們就考慮到這個光的豎向穿透性能，建立了一個廣劑量的數學方程。試圖提高精度，但是我們看到結果，剛剛前面這個是非常差的，經過修正之后，其實有所改善，但是如果和原始設計圖相比，還是有足夠的差距。

在這個三維情況下同樣的方法，這個最上面是一個模型，中間還是均勻光制造會發(fā)現很多地方是圓的，修正過之后好像好一點，但是還不是那么精確。

所以針對這個問題，我們去思考，為什么會這樣？那么這個問題根源在于哪里，我們知道DLP這個光，往上照射的話根據光的傳播原理，我們知道在水平面是高斯分布的，然后縱向的話是一個逐漸衰減，但是有投射深度，會對已成形部分進一步二次照射，進一步改變形狀。

當然目前這種簡單均勻光沒有考慮這些事情，所以導致有些結果不是特別好，我們研究目標希望通過優(yōu)化算法獲得灰度光的投影，實現我們精度的提升。

我們知道在DLP設備里面，它的DMD芯片上面有大量的微鏡，通過合適控制算法可以實現單個微鏡的投影以及多個微鏡的投影。如果看一下單個微鏡的只亮一個微鏡，我們投影幕布或者離型膜看到這樣的光斑，如果繼續(xù)往上傳播，這張圖反映在樹脂里面的光的分布，所以我們不能預測就是我們獲得一個非常小的這種方形截面的圓柱，只能獲得最右邊的圓錐形的柱子。比如說多個光，離型膜看到三個疊加，右邊這個圖也是在樹脂上方的整個光的分布。

我們知道了解光的傳播特性之后，那么我們思考就是他們分層打印的時候，比如說這個是一層，我們現在假設一百多微，我們想實現兩千微米的線條打印，但是我們仔細看這個光的分布，邊界不是很明確，沒有一個明確邊界，所以不能預測你會獲得一個兩千微米的細線出來。

如果光往上傳播的話，一樣的，第二層、第三層甚至第四層進一步受到當前光照射，進一步改變輪廓，所以針對這個問題，我們采用了優(yōu)化算法，希望獲得我們的T是目標的一個空間計量分布，然后E就是我們去試圖獲得一個設計的圖案的分布，所以根據這個算法，我們去對驗證不同的例子，比如說想打印棱柱，如果按照常規(guī)的話就是簡單的我們想一二三截面，這個普通的，上面是一個普通均勻光，下面通過優(yōu)化算法獲得的灰度光。

然后看這個是當然第一列就是一個模型截面，中間的截面，均勻光的話去照射就會獲得一個邊比較圓的棱柱，不是精準還原幾何模型，利用灰度光區(qū)別蠻大的，非常直，這個最右邊這個圖，就是把下面這三個圖輪廓放在一起，會發(fā)現這個中間這個光就是中間這個輪廓最外面突出的輪廓。這個模型的輪廓和我們灰度光獲得輪廓幾乎完全重疊，得到比較好的結果。

更復雜的一些模型，比如說想打印這樣一個彎曲邊界的一個物體，均勻光只中間這一列，這個是我們的灰度光，同樣把三個輪廓疊加在一起，最外面這個就是不好的形狀就是均勻光的結果。

這個是另外的一個例子，打一個T臺中間有一個洞，這個是中截面，中間一個管道是直的，如果用均勻光的話，可以看到至少中間這個是明顯偏離這個設計的直線邊緣也是不太直的，如果把這三個放在一起，我們會發(fā)現我們的灰度光和幾個設計幾乎完全重合的。

最后一個例子就是我們打的一個在一個小的立方體里面，比如說4.5毫米乘4.5乘2這個里面做了一個空間的管道，我這里沒有用CT掃描，就沒有發(fā)現里面有一個管道出來，灰度光里面看到一個管道，這個結果就是略有偏差這樣一些地方，幾乎是重合的。

總結一下，就是我們針對目前現有的DLP均勻光投影算法導致一些精度的問題，我們通過考慮光的高斯傳播特性，通過一個優(yōu)化算法獲得了一個精度至少是大幅提升的一種灰度光的切片，然后我們并且用CT掃描驗證了我們的結果，我們下面工作可能會進一步去考慮樹脂的彈性對打印件彈性變形對精度的影響，以及光在固化區(qū)和樹脂界面的這種折射影響。我基本上這個是我們做的結果。