更便宜更快？谢菲尔德大学采用激光阵列加工金属粉末

| 3DScienceValley · 2017/03/28

根据谢菲尔德大学的研究人员，他们研究出新的3D打印/增材制造工艺，通过使用节能二极管激光器阵列，不用振镜，达到更快、更经济的零件加工结果，谢菲尔德大学认为他们将改变零件的生产方式。

我们所熟知的激光熔化粉末材料的加工方式正越来越多地被应用于航空航天和汽车等高附加值领域，将粉末材料通过激光熔化的方式制造金属和塑料零件。为了融化粉末，必须有充足的激光能量被转移到材料中，以熔化中心区的粉末，从而创建完全致密的部分，但同时热量的传导超出了激光光斑周长，影响到周围的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光点的烧结量取决于粉末的热导率和激光的能量。

所扩散的激光能量和熔池的激光扫描速度都是经过精心调整和控制的，这样才能达到一致的金属合金的特性和层厚度。据3D科学谷的了解，激光束的聚焦是熔化过程中影响合金性能的关键，要达到一致的过程就依赖于控制激光点大小，就需要使得激光能量密度和转移到邻近粉末的能量是一致的。

目前粉末床激光融化加工工艺中，通过振镜来获得清晰聚焦的光束，因为任何聚焦的不集中都会导致能量传达到熔化区以外的材料带来不充分的粉末熔化，并可能导致的成品尺寸误差和表面光洁度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加，那么可能导致成品组件含大量不完全熔化粉末和难以控制的材料性能。

所以说长久以来占据业界大脑的一个共识是振镜是实现精密加工的一个关键零件。而与市场上通用的加工技术不同的是，谢菲尔德大学尝试弃用振镜。他们将这一过程称为二极管面积熔化（Diode Area Melting），通过并行使用单个激光二极管阵列，这些激光束可以被打开或关闭，根据谢菲尔德大学这种方法更快、更节能。

来自电子与电气工程系的Kristian Groom博士说：“我们的研究挑战了业界长期以来的信念：低功率二极管由于功率低和光束质量差，无法实现充分的粉末材料熔化。Diode Area Melting技术的关键过程是移动短波长激光阵列（808nm），增加吸收的准直效应，并在几毫秒内聚焦光束达到1400℃的熔点，产生致密的零件，这种方法可用于17-4不锈钢零件的加工。”

Groom博士和机械工程系的Kamran Mumtaz博士计划将这种技术延伸到塑料产品的加工领域。研究小组认为设备将来有可能扩展成为多材料加工系统。这项研究获得了工程和物理科学研究委员会（EPSRC）的支持。

谢菲尔德大学的这项研究的商业价值如何？3D科学谷还需要后续跟踪观察，就弃用振镜的这项尝试来说，据3D科学谷的了解，此前德国Fraunhofer研究所发布的仅售3万欧元针对中小企业的入门级SLM 3D打印机也是没有振镜。

Fraunhofer的设备配备了140 W的激光二极管，焦点直径为250微米，并使用一个直角坐标系。该设备能够生产的金属部件高90毫米，最大直径80毫米。设备外观十分紧凑，仅占空间1.3×0.8×1.4米。通过调整打印速度和质量，研究所还尝试打印了一个中等大小的不锈钢组件，密度超过99.5%，并且可以在12小时内打印完成。

不过，Fraunhofer的这台设备似乎并没有涉及到激光二极管阵列，此外通常来说短波长激光包含发光波长由390nm到950nm，长波长激光则涵盖发光波长由980nm至1550nm的激光，而谢菲尔德大学选用短波长激光阵列（808nm）来加工金属粉末，可以说是一次脑洞大开的尝试。