DLP投影+SLM，金屬3D打印新技術(shù), 理論速度可提高200倍

選擇性激光熔融技術(shù)(SLM)是一種通過激光融化金屬粉末直接形成金屬部件的技術(shù). 通過這種技術(shù), 3D金屬部件可以通過數(shù)字文件自由設(shè)計(jì), 并且已經(jīng)廣泛運(yùn)用于醫(yī)藥, 自動(dòng)化, 航天以及紡織工業(yè)中. 由于SLM是激光逐層掃描金屬粉末以達(dá)到增材打印的目的, 所以相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè), 速度相對(duì)較慢, 從而限制了推廣的速度. 為了提高SLM的掃描效率, 一般通過兩種方式, 要么增加激光束的數(shù)量, 要么提高單體激光束的功率或者掃描效率. 但是不幸的, 當(dāng)激光束的數(shù)量提高到4個(gè)以上時(shí), 整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)變得極其復(fù)雜, 而很難提高混合激光束的總輸出功率. 而如果激光掃描得過快, 會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品有微觀結(jié)構(gòu)上的缺陷.

而最新研發(fā)的一種新技術(shù), 借助了一種特殊的光閥, OALV, 理論上突破了現(xiàn)有的瓶頸. 在介紹這項(xiàng)新技術(shù)之前, 我想先介紹一下光干涉的概念.眾所周知, 光是一種波, 而波與波混合的時(shí)候存在干涉. 而著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)很清晰的說明的光干涉產(chǎn)生的反應(yīng).

上圖中, 當(dāng)自然光通過單縫產(chǎn)生衍射, 衍射光波再通過雙縫產(chǎn)生了新的兩個(gè)衍射光源. 最后衍射出來的兩種光波互相發(fā)生干涉, 投射在熒幕上產(chǎn)生了光暗相間的條紋. 而這些條紋, 就是衍射出來的兩道光波的波峰與波谷疊加出來的結(jié)果.

當(dāng)相同激光的光波疊加在一起, 波峰跟波峰一起產(chǎn)生疊加, 波峰與波谷疊加會(huì)相互抵消.

一般情況下, 是很難將復(fù)合的激光束的波峰之間完美疊加的. 因此, 激光的復(fù)合會(huì)毫無意外的導(dǎo)致激光功率的減損. 為了有效的解釋后面講述的解決方法, 在此還需要提到偏振光的概念.

振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振, 而光是電磁波, 光波的傳播方向是電磁波的傳播方向, 而光波中電振動(dòng)與磁振動(dòng)的方向都垂直于傳播方向, 因此光具有偏振性.

而偏振光片可以將自然光變成偏振光, 可以過濾掉振動(dòng)方向與偏振片上柵格方向相同的偏振光. 偏振光片最廣泛的運(yùn)用就是在車燈上, 汽車夜間在公路上行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí),，為了避免雙方車燈的眩目，司機(jī)都關(guān)閉大燈,，只開小燈,，放慢車速，以免發(fā)生車禍,。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片,，而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角，那么,，司機(jī)從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光,，而看不到對(duì)面車燈的光，這樣,，汽車在夜間行駛時(shí),，既不要熄燈，也不要減速,，可以保證安全行車,。

而OALV光閥系統(tǒng)就是利用了偏光技術(shù), 有效的削減了光束之間干涉產(chǎn)生的削減效果. 下圖就是OALV光閥系統(tǒng)的原理圖. 首先, 由4個(gè)激光二極管產(chǎn)生的激光束通過鏡片L1復(fù)合成為一條激光束, 再通過L2與L3重新成像然后進(jìn)入勻束器. 均勻的激光束再通過L4與L5重新成像后再通過偏振光片變成偏振光. 然后再通過IR分光鏡與短時(shí)脈沖激光復(fù)合. 這時(shí), 一個(gè)新的放映機(jī)中產(chǎn)生的光束會(huì)選擇性的對(duì)復(fù)合激光的光束進(jìn)行標(biāo)記. 被標(biāo)記為”on”的, 會(huì)很順利的通過OALV的兩極, 而被標(biāo)記為”off”的, 振動(dòng)方向會(huì)被進(jìn)行偏轉(zhuǎn), 從而被下一個(gè)反射偏振片排除出光學(xué)系統(tǒng). 而被挑選出的激光束, 可以轉(zhuǎn)而用于SLM熔融, 或者被攝像機(jī)拍下灰度圖像, 用于檢測(cè)激光狀態(tài).整個(gè)系統(tǒng)輸出的激光為脈沖激光, 一次脈沖可以燒結(jié)一層金屬粉末.

而最后的實(shí)驗(yàn)過程中, 對(duì)這種新型的全層3D打印系統(tǒng)用兩個(gè)3D模型進(jìn)行了測(cè)試. 首先是從Thingverse.com下載的葉輪, 模型縮小到了適合構(gòu)建的大小. 第二個(gè)是CAD設(shè)計(jì)的LLNL標(biāo)志. 用過去的技術(shù), 用SLM技術(shù)生產(chǎn)一個(gè)這樣的葉輪需要3.2小時(shí), 而采用了OALV光閥系統(tǒng)構(gòu)建的總時(shí)間約1小時(shí), 在此, 整體效率提高了3倍. 而在使用了合適的光學(xué)放大器件的情況下, 該技術(shù)有潛力可以提高200倍的生產(chǎn)效率.

原文參考: Diode-based additive manufacturing of metals using an optically addressable light valve, Manyalibo J. Matthews,GabeGuss,DerrekR.Drachenberg,JamesA. Demuth,JohnE. Heebner,EricB. Duoss,JoshuaD.Kuntz,andChristopherM. Spadaccini

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編輯：南極熊
翻譯人：嚴(yán)啟臻（法蘭克福大學(xué)物理碩士）