紫外激光3D打印工藝研究及應用
時間：2018-08-20 18:52 來源：三的部落 作者：中國3D打印網 閱讀：次
本文將指導你理解和掌握紫外激光器在3D打印上的工藝研究及應用。
一、激光及激光加工技術
（1）激光
激光是上個世紀60年代的重要發明之一，它具有良好的單色性、方向性、強相干性和高功率密度性等優點。隨著行業的發展，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，以國內貝林3W紫外激光器為例，其脈寬為10ns－15ns，在材料上的作用時間較短，可以最大程度的減少熱效應的時間從而保護材料，光斑為0．5mm（以上數據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，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厚的優勢。
二、紫外激光器在3D打印（SLA）中的應用及其工藝
（1）紫外激光3D打印的原理機制
紫外激光器通過脈沖的紫外波（UV）來照射液態光敏樹脂，而后由掃描振鏡在X－Y平面內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
由于液態光敏樹脂對紫外光的吸收系數最大，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衰減。理論及試驗表明，只有當液態光敏樹脂接受的紫外線能量密度超過一定的閾值后，才會產生凝膠（凝膠態是液態和固態之間的臨界狀態） 因此在固化過程中需要持續輸出200mw以上的連續紫外光才能使其固化，但是我們要怎么樣才能達到較好的固化品質呢？
樹脂的固化品質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輸出功率大小三個因素共同決定。振鏡的掃描速度直接影響著激光器的脈沖個數以及紫外激光在液態光敏樹脂表面的接觸時間，若掃描速度過快可能直接導致激光器脈沖個數不足，或接觸時間過短而導致的最終固化硬度低或固化失敗等一系列問題。
而液態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致分布在樹脂上的能量不均勻而導致最終成型的品質下降或者固化線寬異常等。最后是激光功率，一般在350mw－500mw間的持續穩定輸出功率最佳，功率過高可能導致樹脂發黑或發黃，功率過低可能導致樹脂發白或硬度減少，若是持續輸出功率不穩定還能導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則需要對激光器滿足以下幾點條件：
1．持續穩定的輸出功率且在350mw以上；
2．持續穩定的激光輸出脈沖；
3．較好的激光器光斑質量。
由此貝林激光為3D打印及增材制造應用特別推出0．5－3W風冷紫外激光器（LP105），此款激光器單脈沖能量＞5μJ＠100kHz，重復頻率30－100kHz，脈寬＜70ns＠100kHz，光束質量高（M2＜1．3），光斑圓度＞90％，這些嚴格的參數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。
一、激光及激光加工技術
（1）激光
激光是上個世紀60年代的重要發明之一，它具有良好的單色性、方向性、強相干性和高功率密度性等優點。隨著行業的發展，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，以國內貝林3W紫外激光器為例，其脈寬為10ns－15ns，在材料上的作用時間較短，可以最大程度的減少熱效應的時間從而保護材料，光斑為0．5mm（以上數據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，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厚的優勢。
紫外激光器
二、紫外激光器在3D打印（SLA）中的應用及其工藝
（1）紫外激光3D打印的原理機制
紫外激光器通過脈沖的紫外波（UV）來照射液態光敏樹脂，而后由掃描振鏡在X－Y平面內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
由于液態光敏樹脂對紫外光的吸收系數最大，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衰減。理論及試驗表明，只有當液態光敏樹脂接受的紫外線能量密度超過一定的閾值后，才會產生凝膠（凝膠態是液態和固態之間的臨界狀態） 因此在固化過程中需要持續輸出200mw以上的連續紫外光才能使其固化，但是我們要怎么樣才能達到較好的固化品質呢？
樹脂的固化品質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輸出功率大小三個因素共同決定。振鏡的掃描速度直接影響著激光器的脈沖個數以及紫外激光在液態光敏樹脂表面的接觸時間，若掃描速度過快可能直接導致激光器脈沖個數不足，或接觸時間過短而導致的最終固化硬度低或固化失敗等一系列問題。
而液態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致分布在樹脂上的能量不均勻而導致最終成型的品質下降或者固化線寬異常等。最后是激光功率，一般在350mw－500mw間的持續穩定輸出功率最佳，功率過高可能導致樹脂發黑或發黃，功率過低可能導致樹脂發白或硬度減少，若是持續輸出功率不穩定還能導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則需要對激光器滿足以下幾點條件：
1．持續穩定的輸出功率且在350mw以上；
2．持續穩定的激光輸出脈沖；
3．較好的激光器光斑質量。
由此貝林激光為3D打印及增材制造應用特別推出0．5－3W風冷紫外激光器（LP105），此款激光器單脈沖能量＞5μJ＠100kHz，重復頻率30－100kHz，脈寬＜70ns＠100kHz，光束質量高（M2＜1．3），光斑圓度＞90％，這些嚴格的參數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。
加工效果示例圖
(責任編輯：admin)
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