紫外激光3D打印工藝研究及應(yīng)用

一、激光及激光加工技術(shù)
（1）激光是上個(gè)世紀(jì)60年代的重要發(fā)明之一，它具有良好的單色性、方向性、強(qiáng)相干性和高功率密度性等優(yōu)點(diǎn)。隨著行業(yè)的發(fā)展，激光器的種類(lèi)越來(lái)越多。按其波長(zhǎng)可分為，紅外激光器，綠光激光器，紫外激光器三大類(lèi)，這里主要介紹紫外激光器的應(yīng)用及工藝。
（2）紫外激光器
紫外激光波長(zhǎng)為355nm，屬于冷光源，可以被材料較好的吸收，且對(duì)材料的破壞也是最小的。紫外激光器波長(zhǎng)較短，以國(guó)內(nèi)貝林3W紫外激光器為例，其脈寬為10ns－15ns，在材料上的作用時(shí)間較短，可以最大程度的減少熱效應(yīng)的時(shí)間從而保護(hù)材料，光斑為0．5mm（以上數(shù)據(jù)不同廠(chǎng)家的激光器會(huì)有所不同），光斑較小能量更為集中。相對(duì)于光纖激光器的高熱效應(yīng)，和CO2激光器的大光斑來(lái)說(shuō)，紫外激光器在加工一些特殊材料上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
二、紫外激光器在3D打?。⊿LA）中的應(yīng)用及其工藝
（1）紫外激光3D打印的原理機(jī)制
紫外激光器通過(guò)脈沖的紫外波（UV）來(lái)照射液態(tài)光敏樹(shù)脂，而后由掃描振鏡在X－Y平面內(nèi)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(shù)
由于液態(tài)光敏樹(shù)脂對(duì)紫外光的吸收系數(shù)最大，因此較低的光能量密度就可使樹(shù)脂固化，但是由于光敏樹(shù)脂對(duì)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(shù)衰減。理論及試驗(yàn)表明，只有當(dāng)液態(tài)光敏樹(shù)脂接受的紫外線(xiàn)能量密度超過(guò)一定的閾值后，才會(huì)產(chǎn)生凝膠（凝膠態(tài)是液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)） 因此在固化過(guò)程中需要持續(xù)輸出200mw以上的連續(xù)紫外光才能使其固化，但是我們要怎么樣才能達(dá)到較好的固化品質(zhì)呢？
樹(shù)脂的固化品質(zhì)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(xù)輸出功率大小三個(gè)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(gè)數(shù)以及紫外激光在液態(tài)光敏樹(shù)脂表面的接觸時(shí)間，若掃描速度過(guò)快可能直接導(dǎo)致激光器脈沖個(gè)數(shù)不足，或接觸時(shí)間過(guò)短而導(dǎo)致的最終固化硬度低或固化失敗等一系列問(wèn)題。而液態(tài)光敏樹(shù)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(huì)導(dǎo)致分布在樹(shù)脂上的能量不均勻而導(dǎo)致最終成型的品質(zhì)下降或者固化線(xiàn)寬異常等。最后是激光功率，一般在350mw－500mw間的持續(xù)穩(wěn)定輸出功率最佳，功率過(guò)高可能導(dǎo)致樹(shù)脂發(fā)黑或發(fā)黃，功率過(guò)低可能導(dǎo)致樹(shù)脂發(fā)白或硬度減少，若是持續(xù)輸出功率不穩(wěn)定還能導(dǎo)致固化線(xiàn)和固化深度異常等問(wèn)題。綜上所述，我們要得到較好的固化品質(zhì)則需要對(duì)激光器滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)條件：1．持續(xù)穩(wěn)定的輸出功率且在350mw以上；2．持續(xù)穩(wěn)定的激光輸出脈沖；3．較好的激光器光斑質(zhì)量。
由此貝林激光為3D打印及增材制造應(yīng)用特別推出0．5－3W風(fēng)冷紫外激光器（LP105），此款激光器單脈沖能量＞5μJ＠100kHz，重復(fù)頻率30－100kHz，脈寬＜70ns＠100kHz，光束質(zhì)量高（M2＜1．3），光斑圓度＞90％，這些嚴(yán)格的參數(shù)要求能夠完美解決在固化過(guò)程中硬度不夠，色澤差異等一系列問(wèn)題，且風(fēng)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。