更便宜更快？謝菲爾德大學采用激光陣列加工金屬粉末

根據(jù)謝菲爾德大學的研究人員，他們研究出新的3D打印/增材制造工藝，通過使用節(jié)能二極管激光器陣列，不用振鏡，達到更快、更經(jīng)濟的零件加工結(jié)果，謝菲爾德大學認為他們將改變零件的生產(chǎn)方式。

我們所熟知的激光熔化粉末材料的加工方式正越來越多地被應用于航空航天和汽車等高附加值領域，將粉末材料通過激光熔化的方式制造金屬和塑料零件。為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光點的燒結(jié)量取決于粉末的熱導率和激光的能量。

所擴散的激光能量和熔池的激光掃描速度都是經(jīng)過精心調(diào)整和控制的，這樣才能達到一致的金屬合金的特性和層厚度。據(jù)3D科學谷的了解，激光束的聚焦是熔化過程中影響合金性能的關鍵，要達到一致的過程就依賴于控制激光點大小，就需要使得激光能量密度和轉(zhuǎn)移到鄰近粉末的能量是一致的。

目前粉末床激光融化加工工藝中，通過振鏡來獲得清晰聚焦的光束，因為任何聚焦的不集中都會導致能量傳達到熔化區(qū)以外的材料帶來不充分的粉末熔化，并可能導致的成品尺寸誤差和表面光潔度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加，那么可能導致成品組件含大量不完全熔化粉末和難以控制的材料性能。

所以說長久以來占據(jù)業(yè)界大腦的一個共識是振鏡是實現(xiàn)精密加工的一個關鍵零件。而與市場上通用的加工技術(shù)不同的是，謝菲爾德大學嘗試棄用振鏡。他們將這一過程稱為二極管面積熔化（Diode Area Melting），通過并行使用單個激光二極管陣列，這些激光束可以被打開或關閉，根據(jù)謝菲爾德大學這種方法更快、更節(jié)能。

來自電子與電氣工程系的Kristian Groom博士說：“我們的研究挑戰(zhàn)了業(yè)界長期以來的信念：低功率二極管由于功率低和光束質(zhì)量差，無法實現(xiàn)充分的粉末材料熔化。Diode Area Melting技術(shù)的關鍵過程是移動短波長激光陣列（808nm），增加吸收的準直效應，并在幾毫秒內(nèi)聚焦光束達到1400℃的熔點，產(chǎn)生致密的零件，這種方法可用于17-4不銹鋼零件的加工�！�

Groom博士和機械工程系的Kamran Mumtaz博士計劃將這種技術(shù)延伸到塑料產(chǎn)品的加工領域。研究小組認為設備將來有可能擴展成為多材料加工系統(tǒng)。這項研究獲得了工程和物理科學研究委員會（EPSRC）的支持。

謝菲爾德大學的這項研究的商業(yè)價值如何？3D科學谷還需要后續(xù)跟蹤觀察，就棄用振鏡的這項嘗試來說，據(jù)3D科學谷的了解，此前德國Fraunhofer研究所發(fā)布的僅售3萬歐元針對中小企業(yè)的入門級SLM 3D打印機也是沒有振鏡。

Fraunhofer的設備配備了140 W的激光二極管，焦點直徑為250微米，并使用一個直角坐標系。該設備能夠生產(chǎn)的金屬部件高90毫米，最大直徑80毫米。設備外觀十分緊湊，僅占空間1.3×0.8×1.4米。通過調(diào)整打印速度和質(zhì)量，研究所還嘗試打印了一個中等大小的不銹鋼組件，密度超過99.5%，并且可以在12小時內(nèi)打印完成。

不過，F(xiàn)raunhofer的這臺設備似乎并沒有涉及到激光二極管陣列，此外通常來說短波長激光包含發(fā)光波長由390nm到950nm，長波長激光則涵蓋發(fā)光波長由980nm至1550nm的激光，而謝菲爾德大學選用短波長激光陣列（808nm）來加工金屬粉末，可以說是一次腦洞大開的嘗試。

來源：3D科學谷
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