超快激光加工技術(shù)在增材制造中的應(yīng)用

來(lái)源： 高能束加工技術(shù)及應(yīng)用

超快激光器是久經(jīng)考驗(yàn)且不斷發(fā)展的制造工具。同時(shí)，增材制造(AM) 已成為具有任意幾何形狀的物體 3D 制造的關(guān)鍵領(lǐng)域。增材制造(AM)廣泛用于制造國(guó)防、醫(yī)療、航空航天、汽車(chē)和電子等一系列行業(yè)的廣泛產(chǎn)品，這證明了人們對(duì)增材制造(AM)日益增長(zhǎng)的興趣。如今，大多數(shù)基于激光的增材制造都是通過(guò)使用連續(xù)波(CW)和長(zhǎng)脈沖激光器進(jìn)行的。連續(xù)激光器和長(zhǎng)脈沖激光器的缺點(diǎn)是激光賦予的熱能在照射點(diǎn)周?chē)鷶U(kuò)散，并經(jīng)常導(dǎo)致熱影響區(qū) (HAZ)的產(chǎn)生。熱影響區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋、多孔結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，從而降低材料強(qiáng)度。為了解決這些問(wèn)題，目前正在嘗試在增材制造過(guò)程中使用超快激光源，例如飛秒(fs)激光器，脈沖持續(xù)時(shí)間約為(1fs=10-15s)限制了破壞性的激光與材料的相互作用，從而將熱影響區(qū)的可能性降至最低。在增材制造中使用超快激光器為下一代制造技術(shù)提供了可能性，這些技術(shù)適用于難加工材料、透明材料以及微納米制造。

選擇性激光熔化/燒結(jié)
基于連續(xù)模式或納秒脈沖激光的增材制造能夠?qū)⒛芰恐苯觽鬟f到小焦點(diǎn)區(qū)域的材料上，并以更好的分辨率實(shí)現(xiàn)固化、燒結(jié)或熔化。這些方法的突出例子是選擇性激光熔化(SLM)和選擇性激光燒結(jié)(圖1)。常用的金屬有不銹鋼和工具鋼、鋁合金、鈦及其合金、鎳合金和一些鈷合金。最佳零件取向、激光參數(shù)優(yōu)化和一致性、高殘余應(yīng)力和表面質(zhì)量只是粉末床熔融工藝中的一些挑戰(zhàn)。對(duì)于具有不同熔點(diǎn)、激光吸收光譜和導(dǎo)熱行為的各種金屬，應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)使該技術(shù)進(jìn)一步復(fù)雜化。超快激光器為難以加工的材料的選擇性激光熔化/燒結(jié)提供了可能的解決方案。超短脈沖在如此短的時(shí)間尺度上提供強(qiáng)烈的峰值能量，以至于目標(biāo)材料被迅速加熱到超過(guò)其熔點(diǎn)，但熱影響區(qū)很小。具有高熔點(diǎn)和/或優(yōu)異導(dǎo)熱性能的材料可能更容易通過(guò)這種受限的極端加熱進(jìn)行加工。由于相互作用時(shí)間短，余熱會(huì)迅速擴(kuò)散到體中，但通過(guò)將脈沖重復(fù)頻率提高到MHz范圍，產(chǎn)生的熱積聚可以為熔化過(guò)程提供額外的控制。由于熱影響區(qū)不比焦點(diǎn)直徑大多少，因此粉末粒度被限制在不大于光斑尺寸。應(yīng)該注意的是，一般來(lái)說(shuō)，金屬在超快激光照射下的熔化動(dòng)力學(xué)還沒(méi)有得到充分的了解。超快激光粉末床熔融的熱力學(xué)及其對(duì)材料性能的影響更小。因此，目前的技術(shù)水平是研究主要局限于可行性研究。

圖1.SLM/SLS 設(shè)置示例。在建筑平臺(tái)上沉積一層均勻的粉末，通過(guò)激光掃描選擇性熔化，隨后通過(guò)沉積粉末層

圖2.超快激光選擇性激光熔化不同材料獲得成品及微觀形貌

3D激光光刻(3DLL)
立體光刻是一種制造過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程，光誘導(dǎo)光化學(xué)結(jié)構(gòu)變化以打印圖案和物體，允許從計(jì)算機(jī)繪制的設(shè)計(jì)中逐層生產(chǎn)任意 3D 對(duì)象。傳統(tǒng)上，光敏聚合物通過(guò)紫外激光固化從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)聚合物。將光引發(fā)劑激發(fā)到產(chǎn)生離子或自由基物質(zhì)的狀態(tài)，在中引發(fā)交聯(lián)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。激發(fā)和光聚合可以通過(guò)多光子吸收較低能量的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)，這相當(dāng)于通常由單一紫外光子吸收的能量。由于對(duì)激光強(qiáng)度的非線性依賴性和材料對(duì)單光子吸收的透明度，多光子吸收發(fā)生在超快激光的緊密焦點(diǎn)區(qū)域，這意味著可以完成更高的分辨率和內(nèi)部修飾。多光子光刻技術(shù)（也稱為3D激光光刻（3DLL）或多光子直接激光寫(xiě)入(MP-DLW））。在化學(xué)傳感、微流控器件和微針?lè)矫嬗袘?yīng)用，但近年來(lái)微納光學(xué)以及生物和組織工程受到廣泛關(guān)注。

圖3.立體光刻，光誘導(dǎo)光化學(xué)結(jié)構(gòu)變化打印圖案和物體:(1)飛秒直接激光光刻技術(shù)制造的不同幾何形狀的支架和生物材料;(2)光刻系統(tǒng)構(gòu)建的緊湊型三聯(lián)透鏡物鏡;(3)利用雙光子光刻技術(shù)產(chǎn)生91.8 wt%的Ni結(jié)構(gòu)

(1) 組織工程：再生醫(yī)學(xué)是一個(gè)可以從定制的生物相容性3D微結(jié)構(gòu)中受益匪淺的領(lǐng)域，因?yàn)樗�依賴于�?xì)胞基質(zhì)和支架上的細(xì)胞增殖。生物組織是復(fù)雜的復(fù)合材料，細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)為細(xì)胞提供支撐結(jié)構(gòu)。人們正在研究通過(guò)飛秒直接激光光刻技術(shù)制造的不同幾何形狀的支架和生物材料，以獲得最佳的相容性和體內(nèi)結(jié)果。通過(guò)直接寫(xiě)入多個(gè)光刻，可以給設(shè)計(jì)人員的支架帶來(lái)進(jìn)一步的復(fù)雜性。聯(lián)合方法可以改善對(duì)細(xì)胞結(jié)合域的空間控制，從而改善細(xì)胞分布。通過(guò)使用多種光刻，不僅可以控制初級(jí)支架的幾何形狀和機(jī)械性能，還可以創(chuàng)建特定部位的功能，并可能創(chuàng)建不同程度的細(xì)胞兼容性的定制分布。

(2) 微納光學(xué)：多光子光刻是實(shí)現(xiàn)微米和納米級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的有效工具。這種增材制造工藝的幾何自由度和高精度使得從具有良好光學(xué)性能的光刻膠中微加工出折射和衍射元件。這些器件對(duì)集成光學(xué)器件、光子電路以及基于光纖的內(nèi)窺鏡和斷層掃描具有令人興奮的意義。

(3) 金屬沉積：隨著人們對(duì)微電子器件、超材料和等離子體器件的興趣日益濃厚，對(duì)微觀尺度金屬制造方法的渴望是不可避免的，可以不受限制地控制幾何形狀�，F(xiàn)有增材制造技術(shù)在分辨率上的局限性導(dǎo)致了目前由金屬顆粒油墨擠出、電流體動(dòng)力打印或液滴噴射、激光輔助電泳沉積、LIFT等技術(shù)填補(bǔ)的空白。基于或涉及使用多光子直接激光寫(xiě)入的替代技術(shù)正在研究中，因?yàn)樗�提供了在聚合領(lǐng)域看到的誘人優(yōu)勢(shì)。另外，可以通過(guò)多光子光還原溶解金屬來(lái)完成金屬的直接沉積，用于3d打印結(jié)構(gòu)的成核和生長(zhǎng)。

混合制造應(yīng)用
激光器是獨(dú)特的制造工具。激光參數(shù)很容易控制局部能量輸入，并使目標(biāo)材料發(fā)生所需的物理變化，例如熔化或燒蝕。熔化和再凝固可實(shí)現(xiàn)增材制造，而蒸發(fā)和燒蝕主要可實(shí)現(xiàn)減材制造。因此，具有廣泛可調(diào)性(波長(zhǎng)、脈沖持續(xù)時(shí)間、重復(fù)頻率)的現(xiàn)代超快激光器可以在增材制造和減材制造模式之間切換。具有較低資本成本的混合、多合一制造設(shè)備的前景很有吸引力，并且已經(jīng)證明了多種激光技術(shù)的使用。微流控器件制造可以從這種雜交中受益。圖中是將這種減材的超短脈沖激光微加工方法與多光子聚合相結(jié)合，創(chuàng)建了具有集成聚合物微結(jié)構(gòu)的可定制微流控器件(圖4)。

圖4.通過(guò)飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻的微流控的超快減材制造

圖5.通過(guò)飛秒激光燒蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)微流控器件的混合減法-加法制造(1)多光子光刻將各種幾何形狀的微過(guò)濾器直接集成到燒蝕的微通道中，并在雕刻通道的頂部用飛秒激光焊接蓋板玻璃側(cè)以形成密封(2)多光子光刻制造結(jié)構(gòu)(3)單一的超快激光微加工裝置對(duì)傳統(tǒng)金屬增材制造處理

結(jié)論與展望
討論了幾種增材制造技術(shù)和應(yīng)用，其中超快激光器提供或具有未來(lái)潛力，與其他工具和方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高熔點(diǎn)、低光吸收材料在選擇性激光熔化/燒結(jié)工藝中的加工性能已得到證實(shí)。在其他情況下，超快激光器在微納米制造領(lǐng)域占有相當(dāng)大的份額。非線性吸收現(xiàn)象提供的精度和通量的提高為超快激光器未來(lái)從納米級(jí)到中級(jí)的實(shí)用性奠定了基礎(chǔ)。亞微米分辨率多光子光刻提供了按需制造復(fù)雜3D納米結(jié)構(gòu)的自由度，但僅限于可集成到光刻膠解決方案中的材料。特別是，金屬和陶瓷很難制造，盡管進(jìn)展仍在進(jìn)行中。另一方面，激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移幾乎沒(méi)有材料限制，但需要進(jìn)一步努力提供與多光子光刻相同程度的分辨率和幾何自由度。不僅材料的多樣性，而且材料相（固體、液體、高粘度或低粘度漿料）的多樣性為理解潛在的激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移工藝及其優(yōu)化帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。雖然脈沖激光沉積可以通過(guò)采用超快激光器進(jìn)行改進(jìn)，但主要局限于均勻的薄膜生長(zhǎng)。

  利用單個(gè)超快激光源進(jìn)行 (1)精確減材制造，(2)定制高分辨率3D打印，以及(3)任意材料的精確焊接，是一個(gè)令人興奮的前景。最近的研究表明，我們已經(jīng)更接近這種下一代一體化制造系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)。