梁海弋：基于灰度投影的DLP光固化控形技术

在2024增材制造产业发展论坛暨增材制造产业年会论坛上，中国科学技术大学教授梁海弋先生做了“基于灰度投影的 DLP 光固化控形技术”报告。



梁海弋：今天非常荣幸，可以来分享我们最近的一个研究成果。

主要是用灰度投影解决DLP打印中间一些精度的问题。

第一个是研究背景，我们知道光固化技术有很多类型，比如说典型的立体光固化成形是一个由点到光，然后树脂光处理是面曝光，最近比较新发展技术，CIL技术是一个体曝光。虽然他们打印的方式不同，但是中间有一个共同的特点，就是用需要用光成型，我们正确就是在树脂里面进行正确的光剂量的空间设计，是我们实现精确打印的一个前提。

当然目前这个技术大家好像没有特别关注这个事情，所以这个是我们为什么做这个事情。本课题特别关注了一下DLP这个例子，我们知道成型平台和离型膜之间首先形成非常薄的液膜，大概几十微米。然后形成液膜之后就会把投影机打开进行投影并且固化这层液膜，这个会带着离型膜上去，到一定高度离型膜脱落，然后我们的平台会下降，再形成一层液膜，等待下一次的曝光，这样周而复始，可以做成复杂的三维物体，这里面注意到一个关键点，我们的投影曝光阶段，目前大家用的是左边的这个光，通常是均匀的对一个模型简单的切片，形成一个轮廓之后，在轮廓里面填充均匀的光去照射。

但是我们后面会看到，这个均匀的光会造成边界的不是那么精确的还原设计，我们的研究结果表明，右边这个光反而会像这种不是那么均匀的光，特别是边缘是振荡衰减的光会达到更好的结果。

这样我们先回答这个问题，为什么均匀光有不好的结果？这个是一个左边这个是这样的，这个是一个我们的模型，想去做成这个平面的带孔平面，所以我们一般会用这个几何光去照射它，但是我们的结果通常会发现，这个洞白色框是一个洞，一个圆角，这个是不同的例子，右边也是，如果我们想竖向打印，光从下面照射，但是我们知道光可以投射过一定的深度，把洞里面原来不想打，也固化了，打出来结果小的这个洞，有的研究者想改变一下这个精度，提高精度，所以他们就考虑到这个光的竖向穿透性能，建立了一个广剂量的数学方程。试图提高精度，但是我们看到结果，刚刚前面这个是非常差的，经过修正之后，其实有所改善，但是如果和原始设计图相比，还是有足够的差距。

在这个三维情况下同样的方法，这个最上面是一个模型，中间还是均匀光制造会发现很多地方是圆的，修正过之后好像好一点，但是还不是那么精确。

所以针对这个问题，我们去思考，为什么会这样？那么这个问题根源在于哪里，我们知道DLP这个光，往上照射的话根据光的传播原理，我们知道在水平面是高斯分布的，然后纵向的话是一个逐渐衰减，但是有投射深度，会对已成形部分进一步二次照射，进一步改变形状。

当然目前这种简单均匀光没有考虑这些事情，所以导致有些结果不是特别好，我们研究目标希望通过优化算法获得灰度光的投影，实现我们精度的提升。

我们知道在DLP设备里面，它的DMD芯片上面有大量的微镜，通过合适控制算法可以实现单个微镜的投影以及多个微镜的投影。如果看一下单个微镜的只亮一个微镜，我们投影幕布或者离型膜看到这样的光斑，如果继续往上传播，这张图反映在树脂里面的光的分布，所以我们不能预测就是我们获得一个非常小的这种方形截面的圆柱，只能获得最右边的圆锥形的柱子。比如说多个光，离型膜看到三个叠加，右边这个图也是在树脂上方的整个光的分布。

我们知道了解光的传播特性之后，那么我们思考就是他们分层打印的时候，比如说这个是一层，我们现在假设一百多微，我们想实现两千微米的线条打印，但是我们仔细看这个光的分布，边界不是很明确，没有一个明确边界，所以不能预测你会获得一个两千微米的细线出来。

如果光往上传播的话，一样的，第二层、第三层甚至第四层进一步受到当前光照射，进一步改变轮廓，所以针对这个问题，我们采用了优化算法，希望获得我们的T是目标的一个空间计量分布，然后E就是我们去试图获得一个设计的图案的分布，所以根据这个算法，我们去对验证不同的例子，比如说想打印棱柱，如果按照常规的话就是简单的我们想一二三截面，这个普通的，上面是一个普通均匀光，下面通过优化算法获得的灰度光。

然后看这个是当然第一列就是一个模型截面，中间的截面，均匀光的话去照射就会获得一个边比较圆的棱柱，不是精准还原几何模型，利用灰度光区别蛮大的，非常直，这个最右边这个图，就是把下面这三个图轮廓放在一起，会发现这个中间这个光就是中间这个轮廓最外面突出的轮廓。这个模型的轮廓和我们灰度光获得轮廓几乎完全重叠，得到比较好的结果。

更复杂的一些模型，比如说想打印这样一个弯曲边界的一个物体，均匀光只中间这一列，这个是我们的灰度光，同样把三个轮廓叠加在一起，最外面这个就是不好的形状就是均匀光的结果。

这个是另外的一个例子，打一个T台中间有一个洞，这个是中截面，中间一个管道是直的，如果用均匀光的话，可以看到至少中间这个是明显偏离这个设计的直线边缘也是不太直的，如果把这三个放在一起，我们会发现我们的灰度光和几个设计几乎完全重合的。

最后一个例子就是我们打的一个在一个小的立方体里面，比如说4.5毫米乘4.5乘2这个里面做了一个空间的管道，我这里没有用CT扫描，就没有发现里面有一个管道出来，灰度光里面看到一个管道，这个结果就是略有偏差这样一些地方，几乎是重合的。

总结一下，就是我们针对目前现有的DLP均匀光投影算法导致一些精度的问题，我们通过考虑光的高斯传播特性，通过一个优化算法获得了一个精度至少是大幅提升的一种灰度光的切片，然后我们并且用CT扫描验证了我们的结果，我们下面工作可能会进一步去考虑树脂的弹性对打印件弹性变形对精度的影响，以及光在固化区和树脂界面的这种折射影响。我基本上这个是我们做的结果。