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混合光合成技术助力增材制造创新
材料来源:ACT激光世界           录入时间:2023/9/18 21:22:20

一种混合光合成技术,大大提升了3D打印速度,并且打印件无需后期处理,对光聚合技术的发展具有开创性意义。

图 1:狭缝式激光光束质量分析仪,确保增材制造工艺的可重复性。

Axtra3D公司成立于 2021 年,其目标是重塑增材制造行业。成立仅一年后,该公司就推出了混合光合成(Hybrid PhotoSynthesis,HPS)技术,该技术正在改变增材制造市场的格局。

HPS是首个同轴系统,其允许用户快速打印精细的特征结构,并能实现优异的表面精加工。这项创新技术基于光聚合工艺,其采用两种光源:数字投影仪光源和固体激光器。HPS技术的关键在于激光束与数字投影光源的完美同步。借助 MKS公司提供的技术,两种光源达到了理想配合,并在整个产品周期中依靠 Ophir测量设备完成测试。

突破光聚合的局限性 

增材制造为快速生产3D零件提供了巨大的机会。自20世纪80年代第一个商用立体光固化成型(SLA)设备面市以来,增材制造技术一直在不断发展。与此同时,逐层树脂打印技术也可用于日常家用。但是,即使是工业级高端SLA解决方案,在制造速度和表面质量方面仍然存在局限性。为了克服速度上的限制,数字光处理技术(DLP)应运而生;DLP技术可以实现整层打印。投影仪将每一层的图像投射到树脂上,树脂在紫外光照射下固化。

尽管DLP技术为增材制造带来了显著改进,但是制造的成品仍需大量返工。打印件必须清洗,可见的表面结构需要额外处理。

Axtra3D公司致力于解决上述问题。Axtra3D公司总部位于美国,其创新实验室和生产设施位于意大利,公司围绕一组专利而成立,目标是开发突破性的增材制造解决方案(见图1、图2)。Axtra3D公司创始人兼首席营运官Paul Spoliansky表示:“我们的技术结束了与其他增材技术之间的权衡。我们能让客户按照CAD 文件进行打印,并且不需要返工。”

图2:测量装置安装在支架上,用来测量激光光束。

将关键技术引入HPS光引擎

最近在Lumia X1 3D打印机中引入的HPS技术包括:一个数字光处理器,其可以一次性打印整层;以及一个二极管固体激光器,其可以并行优化每层的结构。与大多数高科技解决方案一样,虽然结果似乎很容易理解,但实现过程却非常复杂。

将数字光源投影仪及其精密的光学系统与激光器结合起来,需要完美的配合。两个设备需要发出相同波长的光:为了确保高生产标准,两个光源之间允许的最大偏差为30μm。Axtra3D公司首席产品和创新官Federico Iacovella解释说:“我们知道,了解激光参数和光束形状对打印结果至关重要,因此我们需要可靠的测量结果。”

光束的圆度是关键

从长远来看,确保增材制造过程的可重复性,是开发新技术的首要任务。特别是当涉及到3D打印机的工业用途时,客户希望每次打印都能获得完全相同的产品。为了确保HPS光引擎的高质量,在研发阶段以及在生产过程中,甚至在维护打印机时,检查包括光束形状在内的相关光束参数非常重要。

考虑到这一点,Iacovella一直在寻找一种易于使用的测量装置,同时还能在产品生命周期的每个阶段提供高端测量,“我们首先尝试了基于相机的测量设备,但发现它们并不适合我们的现场应用。因此,我们决定测试基于狭缝的测量设备,并取得了成功。”

Ophir NanoScan光束质量分析仪的孔径为9mm,可以更灵活地使用不同的光束尺寸,而且更易于管理。Iacovella继续说道:“即使我们最终要测量的是45μm 的小光斑,也要从7mm的光束开始。有了Ophir NanoScan设备,我们就能利用其宽泛的测量范围获得充分的灵活性。”

基于PC的仪器根据ISO 11146标准分析激光光束的空间辐照度曲线(见图3)。由于光束质量分析仪测量的准确性和稳定性,光束尺寸和光束指向的测量可以满足3-sigma精度,达到几百纳米。HPS光引擎需要圆度达到90%的激光光束;借助NanoScan测量解决方案,无论是在洁净室还是在实际生产环境中,Axtra3D公司都能精确测量激光光束的直径和形状(见图4)。

图3:基于PC的光束质量分析仪,其包括2D和3D等图形化功能。

图4:Axtra3D依靠扫描狭缝式光束质量分析仪(左)和圆形光电二极管传感器(右)的组合,来实现精确、可重复的测量。

功率和能量管理

HPS技术的另一个核心问题是,始终使用特定的激光能量来聚合树脂。由于Axtra3D需要独立制造Lumia X1系统中的每个二极管激光器(包括二极管驱动器),因此非常有必要对每个二极管激光器的功率进行单独分析。Iacovella 解释说:“我们使用Ophir PD300-3W来测量单个二极管的功率,从而将响应电流与每个二极管的功率线性化。通过这种方式,我们可以确保每个二极管激光器为每个单独的3D打印过程提供所需的能量。”

就可重复性而言,这些测量对于Lumia X1系统的制造和维护至关重要。PD300-3W的测量结果通过紧凑型手持式 Ophir StarBright功率计显示,该功率计为用户提供了复杂的功率和能量记录选项、数学功能以及多种图形显示选择等。

光聚合达到新水平

Axtra3D公司的HPS技术,对光聚合技术的进一步发展具有开创性意义。其3D打印工艺的速度不仅超过了SLA打印机,而且可与高速DLP工艺相媲美,通过使用双光源,该技术无需进行后期处理。这在很大程度上与所采用的测量技术直接相关。“Ophir测量设备是产品创新的重要组成部分,因为测量激光参数为我们实现高质量3D打印技术奠定了基础。”Iacovella总结道。

作者:Dagmar Ecker


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