光固化3D列印原理解密！SLA、DLP、LCD列印技術比較！

近幾年3D列印技術發展蓬勃，就算沒接觸過3D列印，也多少聽過3D列印這項技術。相較一般印表機只能在紙張平面上列印，3D列印技術能夠直接印出實體！這怎麼做到的呢？而3D列印技術發展至今也有不同分支，今天就來為各位介紹光固化3D列印這項技術的原理！

什麼是光固化3D列印？

從光固化3D列印這個名稱可知該技術包含光固化與3D列印兩個概念，而3D列印基本概念就是將列印物件切成一層層平面(稱為切片)，接著讓列印設備印製平面圖案，每印完一層就往上印製新的平面圖案，持續堆疊直到列印物件完成，如圖1所示。

而光固化指的則是成形方式，指的是光敏樹脂在特定光源下固化的特性。因此，當某層樹脂在呈現特定圖案的光源照射下固化，如果接著照射下一層樹脂並不斷堆疊，就能列印出實際的3D物體，此為光固化3D列印技術原理，實際成形過程可參照下列影片。

SLA技術原理

SLA為Stereolithography縮寫，機台組成簡圖可參考圖2。從Fig.2可知機台包含雷射光源、XY方向掃描鏡、樹脂儲存槽、移動平台等元件。基於XY方向掃描鏡角度偏擺，雷射光會掃描對應圖案，被照射到的樹脂便會固化成薄片，此時再透過移動平台讓薄片移動一個層厚，再繼續掃描新的樹脂，不斷重複此步驟就能得到列印物件。

相較於等等要介紹的DLP與LCD，由於雷射光軌跡具有連續性，故列印物件上並不會有像素點存在，表面較為光滑。然而雷射光點的點狀掃描方式使其列印速度普遍較慢，列印範圍也較小，價格普遍昂貴。

DLP技術原理

DLP為digital light processing縮寫，使用的是數位投影技術，機台組成可參考圖3。DLP的機台組成跟SLA差別不大，主要差異為SLA的XY方向掃描鏡被DLP投影機取代，而DLP投影機的關鍵元件為DMD數位鏡列，這些微型鏡子陣列透過電訊號改變偏轉角度，用來控制顯示畫面的像素，進而達到畫面呈現的效果，用來控制每個像素的鏡子架構可參考圖4。

由於DLP投影機為面光源，相較於SLA點光源，DLP技術能夠一次對整個面成形，故列印速度普遍較SLA還快，但也因為成像是由數個像素點構成，受限於解析度，通常列印範圍也較小。底下圖5為分別使用SLA技術與DLP技術的列印成品比較，從結果可知DLP列印技術會因為像素層疊推積導致像素紋出現。

LCD技術原理

LCD為Liquid Crystal Dislay的縮寫，即為液晶顯示技術，其機器組成架構可參考圖6。LCD顯示技術與DLP技術的機台組成類似，差異在於將DLP投影機換成LCD投影器。由於跟DLP投影機一樣為面成形，故列印速度普遍較SLA技術還快，機台價格也較為低廉，但受限於投影解析度，列印物件易有像素紋，LCD螢幕使用壽命也較短，需要注意維修保養。

主廚結語

此次跟各位簡單介紹光固化3D列印技術原理，根據實踐方式不同又可分成SLA、DLP、LCD這三種技術。底下簡單歸納這些技術的特點：

• 速度：DLP = LCD > SLA
• 價格：SLA > DLP > LCD
• 像素紋：SLA(無)，DLP(有)，LCD(有)
• 列印精度：SLA(高)，DLP(視解析度而定)、LCD(視解析度而定)

由於3D列印技術日新月異，因此上述歸納僅供參考，也不是絕對。基於LCD技術的3D列印機如果使用品質優良的元件，又或是在機台上運用新的技術，其機台價格也可能較高，還是要根據自身需求來挑選合適機種。

參考資料

1. Sebastian Gradinaru et al, Analysis of the anisotropy for 3D printed pla parts usable in medicine, UPB Scientific Bulletin, Series B: Chemistry and Materials Science 2019, 81(4), 314 – 324
2. MANUFACTUR3D, How Stereolithography (SLA) 3D Printing Works?, 2018
3. 3D Printing Industry, The Free Beginner’s Guide, https://3dprintingindustry.com/3d-printing-basics-free-beginners-guide
4. Anton Travinsky et al., Evaluation of Digital Micromirror Devices for use in space-based Multi-Object Spectrometer application, 2017. arXiv retrieved
5. formlabs, SLA vs. DLP: Guide to Resin 3D Printers, https://formlabs.com/blog/resin-3d-printer-comparison-sla-vs-dlp/
6. Asish Malas, Fabrication of High Permittivity Resin Composite for Vat Photopolymerization 3D Printing: Morphology, Thermal, Dynamic Mechanical and Dielectric Properties, Materials 2019, 12(23)