激光在快速成型制造中的应用

激光在娱乐、计算、医疗、仪器仪表、电信和制造（特别是增材制造）等不同领域发挥着越来越重要的作用。本文将讨论激光在快速成型制造/三维（3D）打印方法中的应用。

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三维打印激光的重要性
在增材制造/3D 打印中，激光主要用于定向能沉积、粉末床熔融和大桶光聚合方法，以提高产品质量、降低制造成本并提高生产率。

在定向能沉积法中，3D 打印激光器用于多层激光熔覆、激光工程网成形（LENS）、直接激光沉积和直接金属沉积（DMD）工艺，而在大桶聚合法中，激光器则用于立体光刻（SLA）。

在粉末床熔融法中，3D 打印激光器用于选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔融（SLM）。现有的商业增材制造系统使用多种激光技术，功率在 1 W 到 6 kW 之间，波长在紫外线/354.7 nm 和红外线/10.6 µm 之间。

然而，3D 打印激光器的要求会因增材制造工艺的不同而有所差异。例如，用于 SLA 的激光器必须与聚合物吸收光谱相匹配，而用于 DMD 工艺的二极管激光器波长较短。

关键激光快速成型制造技术
在 SLS 技术中，高功率二氧化碳激光器被用作 3D 打印激光器，用于将粉末状材料（主要是聚酰胺等粉末状聚合物）粘合/熔化成固体物体。

打印机先涂抹一层均匀的粉末，然后再仔细烧结这层粉末。这一过程要重复多次，直到高精度地制造出所需物品。SLS 工艺可以快速生产 3D 零件，因此对商业企业来说具有经济吸引力。

SLA 工艺使用高能紫外线激光对光活性树脂（如低分子量环氧大分子树脂和聚丙烯酸酯）进行分层硬化/固化，以制造出所需的三维结构。SLA 的最小细节尺寸在 50 微米至 200 微米之间。

SLA 具有多种优势，包括光滑的表面光洁度和卓越的尺寸精度。因此，该技术可用于制造具有良好表面光洁度和尺寸控制的非结构零件和原型。

SLM 采用光纤激光器，通过有选择地熔化一系列精细金属粉末层来创建三维结构。最初，粉末材料在辐射下加热熔化，形成液态池。

然后，在熔融液池冷却和凝固后获得最终结构。SLM 可以制造轻质结构和复杂几何形状，是一种基于三维打印激光的适应性强的增材制造方法。

在所有三种工艺中，激光束都是通过激光束扫描仪在三维模型定义的构建平面上高速转向目标位置的。软件和扫描控制器用于将整个三维模型作业转换为一系列激光和运动控制指令，以同步激光发射和激光束扫描运动。

层厚是增材制造的关键工艺因素之一。通过使用 SLA 和 SLM 降低层厚，可以对零件进行后处理/直接制造出接近精确的形状。然而，使用这些技术会降低生产速度。

目前，使用 SLM/SLS 和商用 DMD 设备可分别实现 20-100 微米和 130-380 微米的层厚。使用功能更强大的三维打印激光器，并改进工艺控制和提高壁塞效率，可以解决增材制造工艺的几个现有缺点，包括高能耗、零件再现性和工艺可重复性以及层厚/沉积速率。

激光快速成型技术的应用
涉及三维打印激光的增材制造方法在多个行业得到应用，包括电子、医疗、汽车和航空航天。由于 SLM 工艺能有效制造轻质结构，因此对航空航天、汽车和医疗行业大有裨益。 

在航空航天和汽车领域，对轻质结构的需求不断增长，这也增加了 DMD、SLM 和 SLS 技术的应用。激光快速成型制造方法可用于航空航天部件的制造和维修，以及宇航和航空应用中陶瓷材料的激光烧结。

激光快速成型制造方法，如 SLM、SLA 和 SLS，可用于实现微创手术和复制医疗保健领域的解剖结构。例如，SLA 可用于制造三维原型部件和植入结构。在生物医学应用中，也使用这些方法制造定制假肢。

电子领域使用 Micro-SLS 和 SLA 加快产品开发和微型化，并开发智能微型系统。使用 SLS 技术制造的原型部件被广泛用于电气、电子、战斗和运输系统的设计中。

参考资料

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作者：Samudrapom Dam