高功率13KW 動(dòng)態(tài)光束激光器，實(shí)現(xiàn)速度提升千倍的CBC金屬3D打印技術(shù)

導(dǎo)讀：近日，德國(guó)研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IWS透露，它正在測(cè)試一個(gè)3D打印系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可能比目前基于振鏡的激光制造技術(shù)快"一千倍"。南極熊認(rèn)為，這種新型金屬3D打印技術(shù)的可行性一旦得到認(rèn)證，將會(huì)在3D打印行業(yè)掀起一場(chǎng)革命，它會(huì)為大批量增材制造金屬零部件鋪平道路。

△激光增材制造

據(jù)悉，這家研究所的裝置重點(diǎn)在于一個(gè)高功率的13KW "動(dòng)態(tài)光束激光器"，它能夠迅速產(chǎn)生不同的能量分布模式，并精確地打印出極為復(fù)雜的材料。據(jù)FraunhoferIWS的Andreas Wetzig稱，這項(xiàng)技術(shù)推動(dòng)了金屬3D打印的極限，將會(huì)解鎖新的合金材料在醫(yī)療、電動(dòng)車和航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

CBC 3D打印技術(shù)裝機(jī)應(yīng)用

這項(xiàng)突破性技術(shù)最初由以色列公司Civan Lasers開發(fā)，F(xiàn)raunhofer IWS用相干光束來做金屬3D打印。這種方法被認(rèn)為是高功率激光工藝的 “巔峰"，它涉及到將激光分割放大成多條相干光線，然后再將它們合并成強(qiáng)大的單束。

在Civan Lasers公司的案例中，它們已經(jīng)開發(fā)出一種利用部分光束的小相位偏移來調(diào)制能量分布模式的方法。與現(xiàn)有的激光器相比，動(dòng)態(tài)光束激光器在光束中心釋放出大部分能量，因此能夠?qū)⒘慵�制成�?fù)雜的 "環(huán) "或"馬蹄 "形狀。

從理論上講，使用光束偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件或快速振鏡已經(jīng)可以做到這一點(diǎn)，盡管每次重新調(diào)整都需要幾毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能夠在微秒內(nèi)調(diào)整激光的能量模式，因此它有可能使動(dòng)態(tài)光束成形首次用于工業(yè)規(guī)模的金屬3D打印。這套動(dòng)態(tài)光束激光器現(xiàn)在已經(jīng)從耶路撒冷運(yùn)到德累斯頓的Fraunhofer IWS進(jìn)行安裝。

△一位工程師在德累斯頓的Fraunhofer IWS安裝耶路撒冷的 "動(dòng)態(tài)光束激光"。照片來自Fraunhofer IWS

Fraunhofer IWS和"ShapeAM"。

作為歐盟支持的 "M-era.Net "計(jì)劃中 "ShapeAM "項(xiàng)目的一部分，Civan Lasers公司已經(jīng)在Fraunhofer IWS的德累斯頓工廠安裝了一套名為"CIVAN"的新型系統(tǒng)。ShapeAM團(tuán)隊(duì)與焊接專家Laser Welding Solutions的同事合作，表示最終目標(biāo)是開發(fā)具有 "改進(jìn)材料特性 "的鈦和鋁3D打印部件。南極熊的全球3D打印產(chǎn)品庫(kù)product.nanjixiong.com將收錄這款產(chǎn)品。

具體而言，研究人員打算利用動(dòng)態(tài)光束成型來消除部件缺陷，并克服裂紋敏感材料帶來的許多現(xiàn)有挑戰(zhàn)。在這樣做的過程中，研究小組認(rèn)為也有可能創(chuàng)造出具有特定應(yīng)用價(jià)值的金屬部件，例如為在外太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)而定制的部件，或具有增強(qiáng)生物相容性的植入物。

為了衡量動(dòng)態(tài)光束激光器的能力，F(xiàn)raunhofer IWS和Civan Lasers的專家們首先計(jì)劃對(duì)光束輪廓和材料進(jìn)行基本測(cè)試，通過評(píng)估它對(duì)通常難以加工的合金的切割、連接或3D打印各種物體的能力來確定最終用途。

雖然該項(xiàng)目在2021年7月才開始，但Fraunhofer IWS已經(jīng)預(yù)測(cè)，CIVAN將在3D打印過程中對(duì)熔池動(dòng)態(tài)提供 "更快和更精確的控制"。在其他領(lǐng)域，該研究所還預(yù)計(jì)，當(dāng)涉及到激光切割時(shí)，動(dòng)態(tài)光束激光器將被證明是目前光纖激光器的兩倍，同時(shí)產(chǎn)生無毛刺的切割，并具有良好的邊緣質(zhì)量。

2021年9月14日，F(xiàn)raunhofer IWS將舉行網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，屆時(shí)它將與潛在的工業(yè)和研究伙伴深入探討其實(shí)驗(yàn)，那些對(duì)測(cè)試該技術(shù)感興趣的人將被邀請(qǐng)將CBC激光器用于他們自己的應(yīng)用，但條件是任何后續(xù)發(fā)現(xiàn)將在2021年12月7日至9日的激光研討會(huì)和ISAM 2021上提出。

△預(yù)計(jì)新的 "CIVAN "將在金屬3D打印中開啟動(dòng)態(tài)光束成型。照片來自Fraunhofer IWS

高功率激光3D打印

與FraunhoferIWS正在試驗(yàn)的基于CBC的系統(tǒng)不同，目前許多金屬3D打印機(jī)都僅限于使用1KW的單激光器。為了解決這個(gè)問題，制造商越來越多地在他們的打印機(jī)上安裝多個(gè)高功率激光器和大構(gòu)建量，做出具有工業(yè)規(guī)模應(yīng)用潛力的巨型機(jī)器。

考慮到這一點(diǎn)，SLM Solutions在去年的Formnext Connect展會(huì)上發(fā)布了強(qiáng)大的新NXG XII 600 3D打印機(jī)。它包含12個(gè)1KW的激光器，專門為汽車或航空航天領(lǐng)域的企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)大尺寸零件而設(shè)計(jì)，它已經(jīng)吸引了 "歐洲主要OEMs "的興趣。

同樣，F(xiàn)arsoon技術(shù)公司在2021年TCT亞洲展覽會(huì)上推出了一款新的粉末床融合（PBF）3D打印機(jī)，它具有不少于8臺(tái)1000W的激光器。Farsoon的系統(tǒng)有兩種設(shè)置，包括FS721M-8和縮小版的FS721M，讓客戶降低生產(chǎn)成本，在汽車、工具和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。

200萬激光點(diǎn)的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)，Seurat速度提升1千倍

2021年7月1日，南極熊獲悉，金屬3D打印創(chuàng)業(yè)公司Seurat Technologies最近獲得了4100萬美元（約2.65億元人民幣）的B輪融資，由投資公司Capricorn基金領(lǐng)投。

據(jù)悉，Seurat公司將使用這筆資金繼續(xù)加速“區(qū)域打印工藝”的研發(fā)和商業(yè)化。這是一種創(chuàng)新的3D打印技術(shù)，使用200萬個(gè)激光點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)部件的大規(guī)模3D打印。這與EOS此前發(fā)布的近百萬個(gè)二極管激光器來融化材料看起來很相似。

△Seurat200萬個(gè)激光的“區(qū)域打印工藝”，可以打印金屬件

△EOS的LaserProFusion技術(shù)，采用近百萬個(gè)二極管激光器來熔化材料并逐層制造零件，適用于尼龍粉末材料

但是，在技術(shù)原理上并不相同，Seurat的這種新技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對(duì)于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進(jìn)行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個(gè)激光點(diǎn)射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個(gè)光點(diǎn)的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個(gè)區(qū)域。

南極熊剖析一下，可能你會(huì)更容易理解這個(gè)技術(shù)的厲害之處：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當(dāng)于15平方毫米，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米，兩者相差近1000倍，也就是說最多可以實(shí)現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率；
• 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達(dá)到傳統(tǒng)單激光的10倍。
  

現(xiàn)有的金屬增材制造中效率比較高的兩種工藝是：電弧熔絲和粘結(jié)劑噴射。電弧熔絲使用基于金屬絲的焊接工藝來沉積材料。然而，電弧熔絲的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之間。粘合劑噴射法是基于噴墨打印技術(shù)，以高生產(chǎn)速率打印毛坯部件，然而打印之后還需要進(jìn)行燒結(jié)，兩步法也使這項(xiàng)技術(shù)難以掌握。目前，使用這兩種技術(shù)方法可以實(shí)現(xiàn)400-1,500立方厘米/小時(shí)的打印速度。

Seurat的區(qū)域打印技術(shù)的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何現(xiàn)有金屬3D打印技術(shù)。它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。