光聚合成型3D打印技术复制印章研究

冯明帅¹  彭嘉俊²  马立² 

(1.广东省公安厅刑事技术中心，广东广州，510050

2.广东警官学院刑事技术系，广东广州，510440)

摘  要：本项目研究了四类搭载不同技术路线的光聚合成型3D打印机复制印章的印文特征：分别是基于DLP技术的德国EnvisionTEC Vida红蜡3D打印机、基于LCD技术的小方L120Pro3D打印机、基于LFS技术的Formlabs Form 3 3D打印机以及基于SLA技术的联泰 Lite 300HD型号3D打印机。光聚合成型3D打印机将计算机数字模型构造成实体印章，所复制印章的印文相比较于原印章盖印的印文，受3D打印机本身的精度和塑型材质影响，在印文特征上仍存在细微差异。

关键字：3D打印 印章印文 光聚合成型 特征

作者授权本平台刊载，供学术交流。

引言

3D打印技术已用于各行各业，甚至也可用于印章制造领域。笔者从检验鉴定角度出发，研究了部分3D打印设备复制印章的印文情况，并做了归纳总结。

1  实验设计

1.1 实验路线

使用实验印章盖制印文，将印文数据输入4种不同工作原理的3D打印设备复制印章，使用复制出的印章盖制印文，并将此印文与原版印章印文进行比对，最后总结其特征规律。

1.2实验材料

1.2.1主要设备

德国EnvisionTEC Vida红蜡3D打印机、小方L120Pro3D打印机、Formlabs Form 3 3D打印机、联泰 Lite 300HD打印机各1台，实验用凸版印章2枚(原子印章和树酯印章各1枚)、打印材料进口光敏树脂、SOMOS光敏树脂、小方L120光敏树脂、RCP30红蜡若干。

1.2.2辅助材料

得力牌水性印台和油性印台各1个、尼康D5600单反相机1台、70g/㎡的A4打印纸若干。

图1，德国EnvisionTEC Vida红蜡3D打印机外观

表1，德国EnvisionTEC Vida红蜡3D打印机说明书标称的参数

图2，小方L120Pro3D打印机外观

表2，小方L120Pro3D打印机说明书标称的参数

图3，Formlabs Form 3 3D打印机外观

表3，Formlabs Form 3 3D打印机说明书标称的参数

图4，联泰 Lite 300HD型号打印机外观

表4，联泰 Lite 300HD型号打印机说明书标称的参数

图5，凸版印章2枚(左：原子印章，右：树酯印章)

2  光聚合成型技术原理

光聚合成型类3D打印技术是一种利用光敏树脂材料在光照下固化成型的3D打印技术的统称，与熔融沉积式3D打印技术相比，其精度较高，层厚小，材料耐用，打印空隙较小，被广泛运用于珠宝首饰、生物医疗、文化创意、航空航天、建筑工程、高端制造、消费品等精度要求较高的工艺领域。^[1]

本实验选取4类较具市场代表性的光聚合成型3D打印技术。其一是由德国envisionTEC公司基于数字光处理(DLP)投影技术的基础上开发DLP桌面级3D打印技术；其二由美国3DSystems开发并最早实现商业化的立体光固化成型技术(SLA)；其三是近年以DLP为基础研究开发，使用紫外线照射固化树脂作为成型方式、精度媲美DLP的利用液晶屏LCD成像原理的选择性区域光固化技术(LCD)；其四是2019年由Formlabs公司开发的基于SLA技术创新的低强度立体光刻打印技术(LowForce Stereolithography)，即为LFS技术。

2.1  数字光处理技术(DLP)原理

数字光处理技术(Digital Light Procession)，即先把影像信号进行数字处理，然后再把处理后的数字信号转变为光学影像，在输出装置上投射出来。德国EnvisionTEC Vida红蜡3D打印机采用的是DLP技术，它基于数字微镜元件——DMD(Digital Micromirror Device)来完成可视数字信息显示。DLP投影技术应用了数字微镜晶片(DMD)来作为关键处理元件以实现数字光学处理过程，以平面光的形式在液态材料表面进行层层投影，层层固化成型。^[2]

2.2  立体光固化成型技术(SLA)原理

联泰 Lite 300HD型号打印机采用的是SLA技术，SLA又名“立体光固化成型法”或“激光光固化”，主要利用液态光敏树脂在紫外激光束的照射下快速固化的特性，在树脂槽中盛满液态光敏树脂，聚激光束，同时在计算机的控制下，按照截面轮廓要求，沿液面进行扫描，被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片，然后升降工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在光线之下，再次扫描固化，如此重复，直到整个产品成型。^[3]

SLA技术由于具有成型过程自动化程度高、制作原型精度高、表面质量好以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点，使之得到较为广泛的应用。

2.3 选择性区域光固化技术(LCD)原理

由大业激光公司研发的小方L120Pro3D打印机搭载了近几年开始流行起来的选择性区域光固化技术(LCD)，它以数字光处理技术(DLP)为基础，因成本大大降低，使3D打印技术得到快速推广。LCD 技术利用计算机控制液晶屏出现选择性的透明区域，再利用穿过透明区域的紫外光，把树脂槽内的光敏树脂进行曝光固化。每当一层树脂固化时间结束，平台托板将固化部分提起，让树脂液体补充回流，平台再次下降，模型与离型膜之间的薄层再次被紫外线曝光。由此逐层固化上升打印出精美的立体模型。^[4]

2.4  低强度立体光刻技术(LFS)原理

Formlabs Form 3 3D打印机搭载的是2019年由Formlabs公司基于原SLA技术研发的低强度立体光刻(Low Force Stereolithography)3D 打印技术，即为LFS技术。LFS技术应用线性光照(linear illumination) 及一个柔性树脂槽 (flexible tank) 来固化树脂，以此减少了在打印过程中施加在零件上的力，大大提升了打印件的表面质量和打印精度。(见图7打印原理图)

图6，Formlabs Form 3 3D打印机打印原理图

2.5  建模及切片

使用实验印章在纸面上盖制清晰完整的印文，利用扫描仪或者相机采集印文图片，将印文图片输入计算机，使用Pro/E、UG、Solid Works、3DMAX等软件设计出所需的3D模型，再将3D模型进行切片分层，才能用于3D打印。本次实验选用的是在3D打印领域使用较为广泛的Materialise Magics切片软件。切片厚度与打印速度、打印质量密切相关。切片越厚，则打印速度越快，打印质量越差；切片越薄，则打印越慢，打印质量越好。

3  实验过程

在盖印过程中，将30张A4纸叠放作为衬垫物，以保证印章盖印时受力均匀，印文清晰度不会受到盖印压力及衬垫等因素发生变化。每枚印章在白纸上盖印一组印文，分别选取其中1个最清晰的印文作为母版印文，使用索尼α6300微单相机将母版印文拍照输入电脑，为保证印文图片不受分辨率影响，统一设置其分辨率为1000dpi、24位全彩、*.jpeg格式。

为保证模型的准确性，输入到Photoshop软件(见图7)当中进行印文图片还原，在电脑上匹配准确的印文数据，输入UG3D建模软件制作印章印文的数字模型，并在软件中输入印章的各个部位参数，生成相对应的数字模型(见图8)。

图7，Photoshop软件还原成的印文图片截图

图8，UG软件生成的印章数字模型截图

选用Materialise Magics软件作为本次打印输出的切片软件，设定比例大小、分层切割、转换成3D打印打需要的程序。使用将模型切片，输出到3D打印设备中完成打印。

图9， Materialise Magics软件中转换成的印章数字模型截图

在Materialise Magics软件中打开上述文件，设定比例大小为1：1，分层切割，转换为3D打印所需要的文件格式，输出到对应的3D打印设备进行打印，得到复制印章2枚，盖制印文若干进行分析。

图10，利用3D打印技术复制印章的实验过程

4  市场调研

笔者在电商网站上随机抽样55间可提供3D打印服务的店铺，发现大部分店铺可以提供印章打印服务，但是印章“刑事技术中心”的部分笔画宽度精确到0.10-0.20mm(见图12)，大部分店铺的3D打印机和打印材料在精度要求上不足，无法提供打印该印章的服务，只有小部分的店铺使用较为尖端的打印技术，占比为18%，其使用的打印工艺可以满足小笔画印章的打印需求。

图11，“刑事技术中心”印章小笔画宽度

表5 3D打印实验印章印文特征比对表

5实验结论

5.1光聚合成型3D打印技术可以复制出相似度较高的印章，但其图文精细度较母版印文稍差，利用文检技术仍可加以识别。

5.2光聚合成型3D打印技术复制出的印章与母版的相似度取决于操作人员的模型设计水平和打印机精密度。

5.3光聚合成型3D打印技术复制印章的成本较高，是防止该技术大量用于非法复制的有利因素，但仍需管理部门出台相关禁止性法律法规预防此类违法犯罪行为的发生。

参考文献:

[1] 基于DLP技术光固化3D打印系统研究与实践[J]. 范哲超,丰洪微,陈磊,徐国庆,白蕊.  铸造技术. 2018(03)：582-585+592

[2] 基于数字光处理技术的3D打印技术[J]. 方浩博,陈继民.  北京工业大学学报. 2015(12)：132-136

[3] 光固化3D打印快速成型技术[J]. 周鹏，郭龙，赖书城，马玲，周倩，司朝维.  物联网技术. 2017(04)：97-98

[4] LCD光固化3D打印机的改造与研究[J]. 金洁,尤子峰,李铭,王子阳.  安徽电气工程职业技术学院学报. 2019(02)：81-87

注：本项目受“攀登计划”广东大学生科技创新培育计划(pdjh2020b0419)资助