EOS：一氧化碳激光器實現(xiàn)高分辨率燒結3D打印技術

德國增材制造專家EOS早在2019年就首次透露,，它已開發(fā)出一種新的選擇性激光燒結 (SLS) 方法，是一種名為精細細節(jié)分辨率 (Fine Detail Resolution,，F(xiàn)DR) 的新技術,，具備重大的進步——能夠獲得立體光刻SLA級別的高分辨率以及選擇性激光燒結SLS的耐用性和質量。 幾年過去了,，EOS 的 FDR 技術現(xiàn)已在 FORMIGA P 110 FDR 系統(tǒng)上實現(xiàn),，并且它在很大程度上兌現(xiàn)了這些功能。

△視頻：EOS一氧化碳激光器實現(xiàn)高分辨率燒結3D打印技術



FDR 是什么
EOS 的 FDR 技術與 SLS 技術很接近：這兩種技術都利用激光來熔化聚合物粉末的粉末顆粒,，逐層構建零件,。FDR 的獨特之處在于使用 CO 激光器（而不是 CO2 激光器）。CO 激光器能夠產(chǎn)生約 200 μm 的超細光斑,，這大約是SLS 3D 打印機中所見尺寸的一半,。這種較小的激光光斑會對用戶在打印中實現(xiàn)的效果產(chǎn)生直接影響,，特別是在涉及精細細節(jié),、薄壁以及刻字和微電連接器等小功能時。

CO 激光器只是 FDR 的一部分,，還依賴于高精度的鋪粉機,，它可以快速（以 600 毫米/秒的速度）分布細小的粉末層且密度均勻。CO 激光器和重涂系統(tǒng)的結合實現(xiàn)了正負40μm 的尺寸精度,，可與注塑成型和 SLA 3D 打印相媲美,。
使用一氧化碳和二氧化碳激光器有何不同

CO激光器的輸出波長為5（5-6）μm，不同于10.6（9-11）μm的CO2激光器,。由于某些材料在5μm和9-10μm處具有不同的吸收系數(shù),，因此存在與波長有關的光-材料交互作用問題。對于PE,、陶瓷,、玻璃來說，它們對CO激光具有更高的吸收率,，使其在這些材料的加工領域有獨特的優(yōu)勢,。

同時，CO激光也適用于加工一些電介質材料和PCB板的氧化銅,。然而,，硫化物光纖對5μm波長的吸收率卻很低,，這為CO激光的光纖傳輸提供了可能性。

聚合物對不同波段激光的吸收率

5μm的光束可以聚焦到更小的光斑尺寸,。對于10.6μm CO2激光器,，理論上受衍射限制的光斑尺寸約為55μm，而在工業(yè)應用中實際實現(xiàn)的最小光斑尺寸為80-90 μm,。在相似的聚焦條件下,，5μm CO激光器可以達到大約25μm的理論光斑尺寸，實際光斑尺寸在30-40μm的范圍內(nèi),，更小的光斑尺寸可以制造更加精細的結構,。

此外，CO激光的功率密度可以達到CO2激光的四倍,。更高的功率密度再加上某些材料在5μm處更強的吸收能力,，使得這些材料可以用CO激光低得多的功率進行處理。  

EOS的FDR 打印



最重要的是,，F(xiàn)DR具有與激光粉末床融合工藝相關的所有優(yōu)點,，例如無支撐構建（因為粉末床充當支撐）。這顯著簡化了 FDR 打印的后處理,，并簡化了設計流程,、減少了材料浪費。簡而言之,，零件在冷卻和除粉后即可使用,，但也可以進行涂層和蒸汽平滑等額外的后處理。

與 SLS 一樣,，F(xiàn)DR 也具備批量生產(chǎn)能力,，這得益于其快速燒結、最少的后處理以及在單個構建中嵌套多個零件的能力,。這就是該技術比分辨率匹配樹脂技術具有明顯優(yōu)勢的地方,。正如 EOS 所說：“在細節(jié)分辨率方面可以與 FDR 相媲美的 3D 打印方法（如 SLA 和 DLP）無法近似其產(chǎn)量：這在很大程度上是由于這些基于樹脂的方法的構建過程緩慢， FDR 相對較快的激光燒結可以輕松超越,�,！�

市場上的FDR機器
最終用戶可以通過采用 FORMIGA P 110 FDR 3D 打印機來利用精細細節(jié)分辨率技術，這是一種專門用于生產(chǎn)小型精細零件的緊湊型工業(yè)系統(tǒng),。該機器的構建體積為200 x 250 x 330 mm,，集成了兩個 50 W 激光器，每個激光器波長為 5 um,。這些超細激光器產(chǎn)生 200 μm 的焦點直徑,，可以創(chuàng)建高精度細節(jié)，這大約是其他 SLS 3D 打印功能尺寸的一半。


△Formiga P 110 FDR 3D 打印機

EOS 已將聚酰胺 11 (PA 11) 粉末用于 FORMIGA P 110 FDR 3D 打印機,，其特點是比標準 SLS 粉末的顆粒尺寸更小,。尼龍材料用途廣泛，具有高抗沖擊性,、高斷裂伸長率,、耐用性和耐化學性。除了這些機械性能之外,，該材料既可回收,，又由可再生資源制成。打印機的重涂機可以將該 PA 11 粉末以 40 μm 的層厚度分布在打印床上,。據(jù)EOS稱,，其FDR解決方案的其他材料仍在開發(fā)中。

由于其相對較小的占地面積（1320 x 1067 x 2204 毫米）和工作流程軟件,，3D 打印機還設計用于無縫集成到制造設施和車間,。EOS表示，該系統(tǒng)在可靠性方面表現(xiàn)非常出色,，克服了在基于粉末的平臺上實現(xiàn)如此精細的打印分辨率通常相關的問題,。

FDR的應用
EOS 的 FDR 技術顧名思義就是“精細細節(jié)”，非常適合生產(chǎn)具有微小特征和復雜細節(jié)的小型組件,。一般來說,，LPBF 技術幾乎可以應用于任何行業(yè)，例如電子元件和外殼,、濾波器等精細細工結構以及多部件組件,。FDR 打印具有的設計自由度和特征尺寸使得生產(chǎn)可在 100 GHz 頻率范圍內(nèi)工作的薄壁零件成為可能。對于這些類型的應用,，可以在 PA 11 打印品上涂覆電鍍涂層,，以賦予其必要的導電性能，此功能非常適合高頻應用,，包括雷達系統(tǒng)、自動駕駛組件,、通信系統(tǒng)等,。


△EOS FDR 自行車燈外殼

該技術還成功應用于多部件組件的生產(chǎn)，這些組件具有高精度和尺寸精度,。例如,，F(xiàn)ORMIGA P 110 FDR 成功打印了一個定制的自行車燈外殼，由兩個部件制成,，通過懸臂卡扣配合完美地結合在一起,。其他需要高精度的連接功能，如非組裝鉸鏈、薄膜鉸鏈,、螺釘和螺紋以及互鎖組件,，也可以使用 EOS 的 FDR 技術進行打印（即使是微型尺寸）,。

PA 11 的具體特性也為 FDR 開辟了某些應用領域,。例如，該材料具有生物相容性,，因此可用于醫(yī)療應用,，如流體導管，以及與食品接觸的部件,。PA 11 還具有低摩擦特性,，與 FDR 打印件的高質量表面光潔度相結合，可以打印用于電驅動器的軸承滾珠和行星齒輪等組件,。此外,，浮雕或凹凸刻字等微小特征也可以無縫集成到原始 CAD 設計中。FDR 在設計領域也有重要的應用,，例如生產(chǎn)具有復雜細節(jié)的珠寶,，甚至用于可穿戴設備的聚合物紡織品。