更便宜更快？謝菲爾德大學(xué)采用激光陣列加工金屬粉末

根據(jù)謝菲爾德大學(xué)的研究人員，他們研究出新的3D打印/增材制造工藝，通過(guò)使用節(jié)能二極管激光器陣列，不用振鏡，達(dá)到更快、更經(jīng)濟(jì)的零件加工結(jié)果，謝菲爾德大學(xué)認(rèn)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(lái)越多地被應(yīng)用于航空航天和汽車(chē)等高附加值領(lǐng)域，將粉末材料通過(guò)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(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長(zhǎng)，影響到周?chē)�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(diǎn)的燒結(jié)量取決于粉末的熱導(dǎo)率和激光的能量。

所擴(kuò)散的激光能量和熔池的激光掃描速度都是經(jīng)過(guò)精心調(diào)整和控制的，這樣才能達(dá)到一致的金屬合金的特性和層厚度。據(jù)3D科學(xué)谷的了解，激光束的聚焦是熔化過(guò)程中影響合金性能的關(guān)鍵，要達(dá)到一致的過(guò)程就依賴(lài)于控制激光點(diǎn)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(guò)振鏡來(lái)獲得清晰聚焦的光束，因?yàn)槿魏尉劢沟牟患�中都�?huì)導(dǎo)致能量傳達(dá)到熔化區(qū)以外的材料帶來(lái)不充分的粉末熔化，并可能導(dǎo)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(dǎo)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(shuō)長(zhǎng)久以來(lái)占據(jù)業(yè)界大腦的一個(gè)共識(shí)是振鏡是實(shí)現(xiàn)精密加工的一個(gè)關(guān)鍵零件。而與市場(chǎng)上通用的加工技術(shù)不同的是，謝菲爾德大學(xué)嘗試棄用振鏡。他們將這一過(guò)程稱(chēng)為二極管面積熔化（Diode Area Melting），通過(guò)并行使用單個(gè)激光二極管陣列，這些激光束可以被打開(kāi)或關(guān)閉，根據(jù)謝菲爾德大學(xué)這種方法更快、更節(jié)能。

來(lái)自電子與電氣工程系的Kristian Groom博士說(shuō)：“我們的研究挑戰(zhàn)了業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)的信念：低功率二極管由于功率低和光束質(zhì)量差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分的粉末材料熔化。Diode Area Melting技術(shù)的關(guān)鍵過(guò)程是移動(dòng)短波長(zhǎng)激光陣列（808nm），增加吸收的準(zhǔn)直效應(yīng)，并在幾毫秒內(nèi)聚焦光束達(dá)到1400℃的熔點(diǎn)，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(jī)械工程系的Kamran Mumtaz博士計(jì)劃將這種技術(shù)延伸到塑料產(chǎn)品的加工領(lǐng)域。研究小組認(rèn)為設(shè)備將來(lái)有可能擴(kuò)展成為多材料加工系統(tǒng)。這項(xiàng)研究獲得了工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）的支持。

謝菲爾德大學(xué)的這項(xiàng)研究的商業(yè)價(jià)值如何？3D科學(xué)谷還需要后續(xù)跟蹤觀察，就棄用振鏡的這項(xiàng)嘗試來(lái)說(shuō)，據(jù)3D科學(xué)谷的了解，此前德國(guó)Fraunhofer研究所發(fā)布的僅售3萬(wàn)歐元針對(duì)中小企業(yè)的入門(mén)級(jí)SLM 3D打印機(jī)也是沒(méi)有振鏡。

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

不過(guò)，F(xiàn)raunhofer的這臺(tái)設(shè)備似乎并沒(méi)有涉及到激光二極管陣列，此外通常來(lái)說(shuō)短波長(zhǎng)激光包含發(fā)光波長(zhǎng)由390nm到950nm，長(zhǎng)波長(zhǎng)激光則涵蓋發(fā)光波長(zhǎng)由980nm至1550nm的激光，而謝菲爾德大學(xué)選用短波長(zhǎng)激光陣列（808nm）來(lái)加工金屬粉末，可以說(shuō)是一次腦洞大開(kāi)的嘗試。

來(lái)源：3D科學(xué)谷
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