紫外激光3D打印的工藝研究及應(yīng)用

本文將指導(dǎo)你理解和掌握紫外激光器在3D打印上的工藝研究及應(yīng)用。

一、激光及激光加工技術(shù)

（1）激光是上個(gè)世紀(jì)60年代的重要發(fā)明之一，它具有良好的單色性、方向性、強(qiáng)相干性和高功率密度性等優(yōu)點(diǎn)。隨著行業(yè)的發(fā)展，激光器的種類越來越多。按其波長可分為，紅外激光器，綠光激光器，紫外激光器三大類，這里主要介紹紫外激光器的應(yīng)用及工藝。

（2）紫外激光器

紫外激光波長為355nm，屬于冷光源，可以被材料較好的吸收，且對材料的破壞也是最小的。紫外激光器波長較短，以國內(nèi)貝林3W紫外激光器為例，其脈寬為10ns－15ns，在材料上的作用時(shí)間較短，可以最大程度的減少熱效應(yīng)的時(shí)間從而保護(hù)材料，光斑為0．5mm（以上數(shù)據(jù)不同廠家的激光器會有所不同），光斑較小能量更為集中。相對于光纖激光器的高熱效應(yīng)，和CO2激光器的大光斑來說，紫外激光器在加工一些特殊材料上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

紫外激光器

二、紫外激光器在3D打印（SLA）中的應(yīng)用及其工藝

（1）紫外激光3D打印的原理機(jī)制

紫外激光器通過脈沖的紫外波（UV）來照射液態(tài)光敏樹脂，而后由掃描振鏡在X－Y平面內(nèi)一層一層由下而上堆棧掃描最終固化成型，成型精度較高（±0．1mm），具有高度的模擬還原性。

（2）紫外激光器在3D打印中主要影響參數(shù)

由于液態(tài)光敏樹脂對紫外光的吸收系數(shù)最大，因此較低的光能量密度就可使樹脂固化，但是由于光敏樹脂對紫外光的吸收遵循Beer－Lambert 定律，即：紫外光的能量密度隨著透射深度的增加呈指數(shù)衰減。理論及試驗(yàn)表明，只有當(dāng)液態(tài)光敏樹脂接受的紫外線能量密度超過一定的閾值后，才會產(chǎn)生凝膠（凝膠態(tài)是液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)） 因此在固化過程中需要持續(xù)輸出200mw以上的連續(xù)紫外光才能使其固化，但是我們要怎么樣才能達(dá)到較好的固化品質(zhì)呢？

樹脂的固化品質(zhì)主要由紫外激光在液面的掃描速度，激光成型的光斑大小和激光持續(xù)輸出功率大小三個(gè)因素共同決定。振鏡的掃描速度直接影響著激光器的脈沖個(gè)數(shù)以及紫外激光在液態(tài)光敏樹脂表面的接觸時(shí)間，若掃描速度過快可能直接導(dǎo)致激光器脈沖個(gè)數(shù)不足，或接觸時(shí)間過短而導(dǎo)致的最終固化硬度低或固化失敗等一系列問題。而液態(tài)光敏樹脂表面最終成型的紫外光斑大小影響著支撐的厚度以及成品的厚度，且若是激光器的光斑不圓可能會導(dǎo)致分布在樹脂上的能量不均勻而導(dǎo)致最終成型的品質(zhì)下降或者固化線寬異常等。最后是激光功率，一般在350mw－500mw間的持續(xù)穩(wěn)定輸出功率最佳，功率過高可能導(dǎo)致樹脂發(fā)黑或發(fā)黃，功率過低可能導(dǎo)致樹脂發(fā)白或硬度減少，若是持續(xù)輸出功率不穩(wěn)定還能導(dǎo)致固化線和固化深度異常等問題。綜上所述，我們要得到較好的固化品質(zhì)則需要對激光器滿足以下幾點(diǎn)條件：1．持續(xù)穩(wěn)定的輸出功率且在350mw以上；2．持續(xù)穩(wěn)定的激光輸出脈沖；3．較好的激光器光斑質(zhì)量。

由此貝林激光為3D打印及增材制造應(yīng)用特別推出0．5－3W風(fēng)冷紫外激光器（LP105），此款激光器單脈沖能量＞5μJ＠100kHz，重復(fù)頻率30－100kHz，脈寬＜70ns＠100kHz，光束質(zhì)量高（M2＜1．3），光斑圓度＞90％，這些嚴(yán)格的參數(shù)要求能夠完美解決在固化過程中硬度不夠，色澤差異等一系列問題，且風(fēng)冷的制冷方式使激光器體積更小更容易集成3D打印的整體光路。

希望更多的企業(yè)能使用上國產(chǎn)激光器，與貝林激光一起推進(jìn)中國增材制造產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。

審核編輯 黃昊宇