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首頁 技術頻道 DLP具先進影像/曝光功能 高功率NIR雷射系統無往不利

DLP具先進影像/曝光功能 高功率NIR雷射系統無往不利

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以下為幾種目前較常見的3D列印技術:

.熔融沉積成型

.光固化成型

.燒結

.噴射

各種技術適用於不同類型的材料,如塑膠、尼龍、陶瓷或金屬;因此,列印物件也具備不同的強度、彈性和成品表面,分別適用於不同的組合區域(從釐米到米)和特徵尺寸(從微米到毫米)。

選擇3D列印技術通常取決於所需物件的屬性。其次的考量因素是需要列印原型,或是大規模生產多種類型的成品。但無論哪種情況,都需要快速列印。

SLS 3D印表機利用高功率雷射將塑膠、尼龍和金屬固體粉末材料熔合在一起。當需要列印更加複雜的3D幾何形狀,例如內部特徵、底切結構或薄壁等,可以選擇SLS積層製造技術。粉末材料燒結通常能將機械特性和強度做到類似射出成型物件的程度。

在SLS 3D印表機中,雷射移動經過粉床平面,逐點燒結物體的一層。如圖1所示,粉輥會添加燒結一層所需的粉末量,並重複上述步驟,直到3D物件製作完成。3D印表機可使用高功率二氧化碳或NIR雷射來熔融塑膠、尼龍和金屬粉末。將數位微鏡裝置(DMD)作為曝光頭的一部分,使印表機能夠將2D區域暴露在近紅外光下,相較於逐點雷射控制技術,可更快速地列印更複雜的圖形。鑒於DLP晶片組的快速切換速度,這類印表機可根據應用需求即時調校像素功率或補償溫差。

圖1 SLS 3D列印製程。

雷射刻印於動態後期階段具可追溯性

雷射刻印包含光束與光膜或熱敏膜表面的相互作用,從而改變表面的屬性或外觀。它可用於印刷電路板(PCB)、塑膠瓶、醫療設備、金屬零件和紙箱等。普通的刻印資訊或符號包括2D矩陣或QR code、商標、順序批次數據和批號等。

長期以來,我們一直列印代碼和符號,但近期對於後期刻印和可追溯性資訊的需求正在蓬勃發展。在醫療和航太產業,法規要求每個零件上都要印上資訊。數位標記解決方案具有靈活性,可在製造過程的後期階段為每個物體加上獨特的圖案或影像資訊。無論是列印關鍵的批次標識,或是有趣的客製化標記,製造商皆能輕鬆整合動態資訊並簡化大規模生產的列印物流。

熱轉印系統與雷射燒結類似,如圖2所示,它們都是透過逐點控制雷射光束在熱敏標籤或塗層上製作客製化影像。但是,採用DLP技術的雷射印表機透過動態2D近紅外光模式熱啟動物體,一次即可在整個照射區域內完成刻印,而不須要逐點進行。由於數位微鏡裝置(DMD)上的微鏡片可以微秒速度非常快速地開關,列印速度通常能夠滿足生產線週期的時效需求,即使是複雜的大型代碼或圖案也毋須擔心。另外,DLP技術還支援灰階影像,大大豐富了圖形列印效果。

圖2 熱轉印技術製作的客製灰階標籤。

柔版印刷可不間斷製作連續圖案

柔版印刷是在捲筒印刷機上,將柔性光聚合物印版包裹在旋轉圓筒上。著墨版面有略微凸起的圖像,在高速旋轉過程中將圖像轉印到物件上。柔版印刷油墨可用在廣泛類型,包含吸收性材料和非吸收性材料上的印刷。柔版印刷使用的卷材在大量印刷時幾乎可無間斷地運行,並能製作連續圖案,例如柔軟物體材質的包裝,圖3為柔版印刷包裝的範例。膠片印刷採用了類似的影像轉印概念,但一次只載入一張紙或一項物體。

圖3 柔版印刷可無間斷製作連續圖案。
圖4 產品包裝上柔版印刷的標籤。

圖4所示,包裝市場上大量仰賴工業印刷機在產品標籤、瓦楞紙、折疊紙箱以及食品袋等柔軟材質上進行印刷。

數位列印解決方案與印版機器正展開激烈角逐,並有望在未來日益普及。數位列印機器具有不受數量規模影響的客製化優勢,且列印速度更快,機器維護成本更低。

從印版轉向數位列印的一項別具意義的例子是PCB光刻市場。在過去十多年間,PCB光刻機已經從掩模轉換到數位直接成像,用於在各種光刻膠層上繪製精細的圖形。DLP技術是數位光刻的關鍵,原因在於DMD兼具大型微鏡陣列、小尺寸和極快的數據傳輸率,促成了以微秒計的成像週期,可滿足每小時印刷數百張PCB板的需求。

DLP技術為雷射刻印帶來的優點,也適用於新的數位列印系統設計。舉例來說,動態2D近紅外光模式可與圓筒或著墨版面直接相互作用,從而即時製作定製的列印影像。透過程式設定微鏡的開關時間,DMD可輕鬆實現多位元深灰階成像。這與顯示應用類似,但與普通的60或120Hz投影格率相比,它具有更快的圖像幀率,以德州儀器(TI)的DLP650LNIR為例,其幀率可高達12,500Hz。

數位製版效率/一致性高

印刷產業中,實體印版是印刷機的關鍵零件,決定了在媒介物上的印刷內容。許多印刷機上都會用到印版,如柔版印刷機和膠印機等。製版的類比流程包括聚合物基材、底片內容、紫外線曝光和沖洗。

近年來,數位製版已逐漸普及,這種製版技術透過電腦引導的雷射將影像直接蝕刻到印版上。數位化處理可縮短製版時間,提升一致性並減少缺陷,進而降低成本。從效能的角度來看,數位列印還改善了定位和邊緣列印的可重複性。在將DMD用於引導雷射曝光系統的一部分後,可增加雷射照射2D區域的曝光能力,可以更快地製版,並融入含灰階的複雜影像。

DMD是DLP技術核心的一種微機電系統(MEMS)。DMD包含具有高度反射性的鋁微鏡陣列,該陣列可控制空間內的光線。在高功率雷射應用中,DMD的功能帶來許多優勢。

如圖5所示,DLP650LNIR DMD支援從950~1,150nm NIR波長範圍內最高光功率處理能力(500W/cm2)。可從像素值調整多種光學功率,並支援更快速成像的單次曝光高速2D模式。此外,動態微鏡程式能夠補償可能出現的任何處理偏差,例如衰減功率或曝光值,來克服表面不均勻性造成的偏差。

圖5 DLP650LNIR 0.65英寸WXGA高功率DMD。

DMD可同步控制一百萬光點

採用X乘Y微鏡陣列,能增強雷射曝光系統的可程式性和靈活度。一次雷射照射的2D區域曝光能力讓列印複雜的影像速度比逐點雷射控制系統快速。將光學影像壓縮技術與DLP晶片組結合,可以根據不同的應用需求增加或改變每個像素的功率。DLP650LNIR具有1280×800(或一百萬以上)個空間光調製微鏡。這些微鏡尺寸為10.8μm,可以低於50μm的解析度列印特徵影像,而不會使圖像縮小。

DMD支援NIR波長

如圖6所示,DLP技術可與各種光源配合使用,支援紫外線、可見光和NIR波長。DLP650LNIR DMD可與800~2,000nm波長範圍內的光源結合使用,但能針對950~1,150nm波長範圍進行優化,因而可處理134W/cm2的輸入功率。因多種粉末、油墨、介質、基體和熱敏塗層都能與NIR雷射波長相互作用,因此NIR雷射可廣泛應用於燒結、標記、編碼、數位印刷和剝離等。DLP650LNIR為這些應用增加照明、曝光和熱控制功能。

圖6 DLP技術在363到2,500nm波長範圍內的能力。

DMD的微鏡開關切換速率非常快,以微秒計。DLP650LNIR與DLPC410控制器、DLPR410可程式唯讀記憶體和DLPA200驅動程式配套使用,構成完整的晶片組解決方案,可提供12,500Hz的二進位模式刷新率。              

高速模式刷新率可透過程式設計即時在生產線上客製複雜圖像。也可如圖7所示,利用自我調整模式,用於先進的列印技術或校正內嵌圖像。

圖7 可調適模式下的單微鏡控制。

數位控制器提供高位元深度

DLP微鏡能生成8位元灰階影像,如圖8中的圖像所示,其生成速度大於每秒1,000個圖案。因此能藉由數位控制灰階功能,這一點是逐點雷射系統幾乎做不到的。控制像素和模式持續時間的設置,意味著每種模式的工作時間均可控制光線擊中物體或材料的光點數量。也就是列印高像素(High-dots-per-inch, DPI)的圖像,預熱粉床以便更均勻地燒結,或提供高度準確的模式來燒蝕缺陷。DLP技術帶來時間和空間光控制功能,可製作工具套件,如工業印刷、標記、編碼和燒結工具。

圖8 DLP技術支援8位元灰階圖。

如果把高功率照明與DLP技術整合在一起,那麼管理DMD的溫度將會至關重要。光引擎設計應使微鏡陣列的溫度維持在70℃以下及DMD封裝背面溫度在30℃以下。在高功率雷射的系統設計時,針對DMD背面進行水冷,是一項關鍵要求。如果要獲得最高的輸出功率,則還需要強制氣流通過DMD的正面。

開始設計後,使用者會瞭解雷射源的功率,以及需要曝光或與預期材料相互作用所需要的能量。如果在設計中運用DLP晶片,有些地方將發生光效率損耗。主要位置會是輸入照明光學零件、DMD和輸出投影光學零件。

 

舉例來說,該設計會在DMD中損失25%的光線,光學元件輸出會損失17%。如果設計值為160W的DMD入射功率,那麼DMD輸出功率為120W,最終將有100W的能量從投影光學零件輸出並擊中物體或表面。在1280×800像素上分布100W能量,則相當於每個像素功率為0.1mW。

這些只是在特定光學引擎設計的估計值,但它們為如何確定每像素功率提供了指南。

如圖9所示,影像壓縮是一項用於提高每像素功率的技術。例如,如果採用1:16的壓縮率設計輸出光學零件,要達到在材料表面1280×50行(而非1280×800行)微鏡陣列上分布100W能量的目的,需要把每像素功率提高16倍,達到1.6mW。根據不同的終端設備設計規格和表面所需功率,存在著不同數量的影像壓縮組合。在利用DLP技術設計高功率NIR系統時,會須要評估多種系統注意事項和折衷因素。

圖9 左邊光學壓縮是一項用於提高每像素功率的方法,例如二維碼。右邊未做光學壓縮,例如灰階圖。

(本文作者為德州儀器DLP產品行銷與工程經理)

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