激光3D打印 Laser 3D printing

2022-11-15 10:12:22 浏览:252

定义

使用激光烧结,熔化或聚合制造3D结构。

生成 3D 结构有多种制造方法,其中激光源在构建过程中起着核心作用。 这方面的一般术语是激光3D打印(或3D激光打印)和立体光刻。 选择性激光熔化或选择性激光烧结等术语是指形成固体材料的过程。

3D打印的一个主要吸引力是,具有复杂几何形状的物体可以灵活地制造,而无需首先制造专门的制造工具。 3D打印机是一种用途广泛的制造机器,可直接将软件结构转换为真实对象。 这种印刷工艺已经为一系列材料开发,包括金属、陶瓷和聚合物。

工作原理

激光3D打印方法通常工作原理如下:

图1:使用立体光刻技术的激光 3D 打印。

  • 一个从液体或粉末浴开始,表面光滑。 然后将激光束移动到顶部表面上,照射其某些部分,导致凝固,同时不击中其他部分。 (下一节将解释如何实现这种凝固。 通常,激光束仅沿任意方向的线移动(矢量法)。 在其他情况下,系统地扫描整个区域,并且仅针对要处理的零件打开激光束(光栅法)。 也可以结合使用这些方法,例如对轮廓进行矢量扫描,然后对内部进行光栅扫描。
  • 然后将创建的扁平结构在浴液中稍微降低,使其表面再次覆盖一层薄薄的液体或粉末。 (用固体物体在表面上滑动可能有助于获得光滑的浴缸表面。 然后可以使用激光创建另一层固体材料。
  • 重复此过程,直到创建所需实体工件的整个高度。
  • 之后,将创建的工件从浴液中取出,去除剩余的液体或粉末,并可能应用一些额外的工艺,例如抛光以提高表面质量(后处理)。
  • 剩余的未加工粉末或液体可用于下一个要制造的零件。

另一种可能性是照射从底部发生,例如通过浴缸下方的玻璃板。 然后将制造的工件逐步向上拉动,以使新鲜的粉末或液体到达其底部。

还有其他方法,在此过程中通过某种进给机构连续供应源材料。

这样的过程通常在很大程度上是自动化的,由某种3D激光打印机设备执行。 尽管如此,人们仍然需要一些手工工作,例如填充浴槽、拆卸和清洁工件等。

可用材料和工艺

金属结构可以用各种钢或镍、钛或铝的合金制造。 人们可以使用仅具有一种类型的颗粒的粉末,或者使用不同材料的混合物,其中只有其中一种被熔化并有助于将其他材料结合在一起。 (可靠地保持这些物质的均匀混合物是另一个挑战。 该技术也称为选择性激光熔化。

适合加工金属的激光器是脉冲光纤激光器和其他固态激光器。 通常需要氮气或氩气等惰性气体来保护金属免受氧化。

可以采用激光烧结代替激光熔化。 在这里,激光不会完全熔化材料,而只是将粉末颗粒烘烤在一起。 对于金属粉末,该方法也称为直接金属激光烧结。 通过这种方法,可以使用多种材料。 然而,烧结材料通常仍表现出一些显着的孔隙率,即较低的密度和较弱的机械强度。

一种改进的方法是间接烧结或两步烧结,其中激光处理仅产生初步的多孔结构,然后通过热处理再次烧结。 在该过程中,可以引入另一种熔点较低的金属(例如铜),该金属填充另一种金属(例如钢)多孔结构中的微观空隙。 这样,就可以避免结构的大幅缩小。

更通用的术语是激光粉末床熔化(见图2),而不是定义粉末颗粒的融合是如何完成的。 请注意,还有一些粉末床融合方法不适用于激光。 其他术语是激光金属熔融和激光金属沉积。

图2:激光粉末床融合的激光增材制造。资料来源:弗劳恩霍夫ILT,德国亚琛。

对于熔化聚合物材料,通常使用一氧化碳2激光波长为10.6μm;这种光通常被聚合物很好地吸收。 通常使用单独的红外源加热整个浴槽,因此需要相对较少的激光功率,并且由此产生的温度梯度较弱。 这有助于获得更高质量的结果。

另一种可能性是使用激光诱导聚合。 这里,原始材料是含有一些单体的液体,短波长光用于触发一些活化剂以启动聚合。

陶瓷的增材制造工艺尚未像金属和聚合物那样发达,但可以采用不同的工艺。 例如,可以使用悬浮液或糊剂作为原料,其可以表现出足够均匀的陶瓷颗粒分布(例如氧化铝或氧化锆)。 这种悬浮液可以含有光固化的有机粘合剂材料;通过粘合剂材料的自由基聚合可以开始陶瓷颗粒的结合,例如用蓝色激光。

铸造

在某些情况下,用3D打印生产的零件不是直接使用的,而仅用于生产铸造形式,通过某种铸造可以用另一种材料制造更多的零件(复制品)。 然后,复制品可以由非常稳定的材料组成,这种材料不容易直接用于3D打印。 然而,这种方法强烈限制了几何形状的可能范围,因为内部结构无法以这种方式复制。

软件

详细地说,应用的制造策略通常不是微不足道的。 例如,存在一个挑战,即某些部件需要机械支撑,因为较低的部件不连接到结构的其余部分,而只会在以后的较高水平上连接。 然后需要制造额外的支撑结构,这些支撑结构需要在额外的制造步骤中移除。

复杂的软件不仅可以在制造过程中适当地控制机器,还可以帮助人们从CAD模型开始制定整个策略(例如,包括支撑结构的生成和扫描模式)。 因此,开发功能强大的软件与开发实际激光工艺同样重要。 随着工业4.0越来越多地使用软件工具和自动化,增材制造方法的特定灵活性优势变得尤为重要。

改进的方法

3D打印过程可以通过多种方式进行优化,以便以最大速度获得最佳质量。 例如,可以使用双点技术,使用两个不同直径的激光束:较小的激光束可以绘制精细的轮廓,而较大的激光束适合快速填充较大的区域。 此外,人们试图扩展越来越多的材料选择,以便可以服务于更广泛的应用。

3D激光打印机

3D激光打印机已经开发出完全不同的尺寸。 虽然有些只允许制造非常小的物体,但通常具有非常高的空间分辨率(例如优于50μm),但其他的适用于体积大得多的工件。

除了实际的打印站外,通常还有一个处理站,人们可以在那里准备浴缸或稍后从浴缸中取出创建的对象。

原则上,可以打印多种材料。 然而,特定的3D激光打印机通常只能用于一小部分材料,因为必须为其他材料修改太多细节。

层压物体制造

一种有点相关的技术,与激光3D打印具有类似的应用,是层压物体制造。 在这里,人们通过层压适当形状的平面物体来构建结构。 在这里,人们首先使用激光切割,例如从纸片或聚合物箔上,以获得这样的层。 然后可以在自动化过程中将它们层压,例如使用一种胶水。 可能还需要一些后处理,例如在烤箱中固化。

例如,这种多层技术可用于制作建筑模型。 使用聚合物材料,可以制造用于生物技术设备的微流体组件。

也可以组合不同的材料,例如将柔性膜或层与传感器或电加热器等电子功能集成在一起。 特别是不需要高温的工艺,可以自由地集成各种功能。

激光3D打印的应用

激光增材制造的两个主要吸引力如下:

  • 可以制造各种不同的零件;只需要在这个过程中改变增长策略,而不需要做任何专门的工具和方法。 换句话说,只需要定制软件,而不是硬件和一般制造策略。
  • 可以制造出用其他方法几乎不可能制造的结构。 设计自由度要大得多,比通常受制造方法能力的限制要小得多。 例如,可以制造包含具有相当复杂形状的开放通道的零件,这些零件无法通过钻孔等方式制造。 有时,大量这样的开口可用于有效冷却机器部件,并通过冷却通道的一些流体流动。

快速原型制作

制造原型的时间对于高效的批量生产来说可能太长,但与其他灵活生产原型的方法相比仍然相当短。 因此,激光增材制造可用于快速原型制作。 在某些情况下,这种原型仅用于演示几何形状,而在其他情况下,人们生产功能性原型,甚至可以在操作中进行测试 - 即使它们不是由以后用于批量生产的相同材料制成的。

工具

模具是指制造工具,例如铸件或工件固定工具。 虽然标准工具可用于许多工艺,但有些工艺需要非常专业的工具,但通常数量不多,例如,因为一种工具可用于制造最终产品的许多项目。 这为激光增材制造创造了大量机会,因为在某些限制(见下文)不那么相关的情况下,可以发挥巨大的灵活性。

快速制造

在某些情况下,人们甚至用激光增材制造最终使用的零件;这称为快速制造。 虽然制造过程本身可能不是特别快,但从原始概念到第一个生产项目的时间可能比传统方法短得多。 当然,这种技术主要用于需要少量且难以用其他方法制造的零件。 例如,可以通过用钛合金进行3D打印来制造量身定制的医疗植入物。

极端应用的一个例子是使用3D激光打印制造火箭发动机的基本部件。 在这里,创建计算机设计的复杂结构的机会很重要,例如在气体流量和稳定性方面进行优化,尽管重量最小,而材料成本和加工时间等限制则不太重要。

快速制造也可以方便地用于更换零件。 为各种机器生产和储存足够数量的替换零件通常不是很经济,特别是在模型周期相对较短的情况下,并且始终需要新型零件。 然后,人们可以仅以计算机化形式存储配方,并根据需要生产此类替换零件。

3D打印的局限性

不幸的是,激光增材制造受到特性限制。 其结果是激光增材制造主要用于原型设计,但仅限于大规模生产。 此外,它暂时更适合于小零件的制造,其中典型的限制影响不太严重。

材料

添加剂方法仅适用于某些原材料,这意味着只能获得有限数量的最终材料。 进一步的开发旨在扩大材料范围。 已经有相当数量的金属、陶瓷和塑料材料可以加工。 但是,请注意,即使可以使用某种金属,例如,通常也不能完全控制所有相关的冶金性能。

处理时间

特别是对于大型零件,加工时间可能相当长。 虽然这对人类工作时间来说可能无关紧要,但当这个过程在很大程度上是自动化的时,这仍然意味着一台昂贵的机器会被占用很长时间。 因此,当每年只能制造相当有限的零件数量时,很难摊销机器的成本。 此外,在相应的制造空间需要大量此类机器才能获得大量生产。

材料和能源消耗

原材料的成本可能大大高于传统制造工艺的成本。 例如,如果首先需要将金属转化为具有明确定义的特性的粉末形式,则成本可能比直接从固体金属开始要高得多。 此外,这种制造(当然包括原材料的制造)的总能耗可能要高得多,因为每立方毫米的材料需要分几个步骤进行密集加工,而传统技术只需要表面需要高强度的工作。

另一方面,增材(与减法相反)制造方法的一个普遍优点是,除了以后需要移除的支撑结构外,不会产生废物。

激光材料加工

作          者: 泮桥成像光电商城

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