什么是激光3D打印？激光3D打印原理、材料、應(yīng)用及局限性

    激光3D打印，亦稱立體光刻或激光增材制造，是一項(xiàng)徹底改變制造業(yè)的突破性激光加工技術(shù)。本文將深入探討激光3D打印的原理、材料、應(yīng)用及局限性，為您提供這一創(chuàng)新工藝的全面概覽。

    一、工作原理

    激光3D打印通過激光燒結(jié)、熔化或聚合來制造三維結(jié)構(gòu)。具體流程如下：首先，從液態(tài)或粉末狀材料的浴槽開始，激光束在表面移動(dòng)，照射到特定區(qū)域，使其固化，而未被照射的區(qū)域保持原狀。這可以通過矢量法實(shí)現(xiàn)，即激光沿任意方向的線條移動(dòng)；也可以通過光柵法完成，即激光系統(tǒng)地掃描整個(gè)區(qū)域，僅在需要處理的部分開啟。每創(chuàng)建一層平面結(jié)構(gòu)后，將其稍微降低，再次覆蓋一層薄薄的液態(tài)或粉末材料。隨后，激光繼續(xù)用于創(chuàng)建另一層固態(tài)材料。這一過程重復(fù)進(jìn)行，直至形成所需高度的完整三維工件。之后，將制成的部件從浴槽中取出，去除多余的液態(tài)或粉末材料，并可能進(jìn)行一些額外的處理（如拋光）以提升表面質(zhì)量。

    二、可用材料及工藝

    激光3D打印可適用于多種材料，包括金屬、陶瓷和聚合物。對于金屬結(jié)構(gòu)，可使用各種鋼材或鎳、鈦、鋁等合金。這一工藝被稱為選擇性激光熔化。處理金屬時(shí)，通常采用脈沖光纖激光器或其他固態(tài)激光器，并需要氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w來防止金屬氧化。

    除了激光熔化，還可以采用激光燒結(jié)技術(shù)。在這種方法中，激光不完全熔化材料，而是將粉末顆粒燒結(jié)在一起。對于金屬粉末，這種方法稱為直接金屬激光燒結(jié)。盡管如此，燒結(jié)后的材料通常仍具有一定的孔隙率，即密度較低，機(jī)械強(qiáng)度較弱。間接燒結(jié)或兩步燒結(jié)是一種改進(jìn)方法，激光處理先形成初步的多孔結(jié)構(gòu)，隨后通過熱處理再次燒結(jié)。在此過程中，可以引入另一種熔點(diǎn)較低的金屬（如銅），填充其他金屬（如鋼）的微觀空隙，從而避免結(jié)構(gòu)的顯著收縮。

    對于聚合物材料，通常使用波長為10.6微米的CO2激光器，因?yàn)榫酆衔飳@種波長的光吸收效果較好。通常會(huì)用單獨(dú)的紅外光源加熱整個(gè)浴槽，從而減少所需的激光功率，并使溫度梯度保持在較低水平，有助于獲得更高質(zhì)量的打印結(jié)果。另一種方法是激光誘導(dǎo)聚合，原始材料為含有單體的液體，使用短波長光觸發(fā)某些激活劑以啟動(dòng)聚合反應(yīng)。

    陶瓷的增材制造工藝雖然不如金屬和聚合物那樣成熟，但也有多種可能的方法。例如，可以使用含有陶瓷顆粒（如氧化鋁或氧化鋯）的懸浮液或糊狀物作為原材料。這種懸浮液可以包含光固化有機(jī)粘合劑，通過藍(lán)光激光引發(fā)自由基聚合，將陶瓷顆粒粘合在一起。

    三、激光3D打印的應(yīng)用

    激光增材制造的兩大主要優(yōu)勢在于：一方面，只需調(diào)整軟件策略，即可制造出各種不同的零件，無需專門的工具和方法；另一方面，能夠制造出其他方法難以或無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這使得激光3D打印在快速原型制作方面具有顯著優(yōu)勢，能夠快速生產(chǎn)出可用于測試的功能性原型，即使這些原型并非由最終生產(chǎn)材料制成。

    在工裝制造方面，激光3D打印可用于制造鑄造模具或工件固定工具等專用制造工具。由于某些工藝需要專用工具，但通常需求量不大，因此激光增材制造的高靈活性得以充分發(fā)揮，而其局限性則相對不那么重要。

    激光3D打印還可用于快速制造，直接生產(chǎn)最終使用零件。雖然制造過程本身可能并不特別快，但從原始概念到第一個(gè)成品的時(shí)間可能遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)方法。這種技術(shù)主要用于需求量小且難以用其他方法制造的零件，例如用鈦合金3D打印定制的醫(yī)療植入體。

    在極端應(yīng)用中，激光3D打印還可用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。能夠創(chuàng)建計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣體流動(dòng)和穩(wěn)定性，同時(shí)保持最小重量，這一點(diǎn)至關(guān)重要，而材料成本和處理時(shí)間的限制則相對不那么重要。

    四、3D打印的局限性

    然而，激光增材制造也存在一些固有的局限性。其結(jié)果是，激光增材制造主要用于原型制作，而在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用非常有限。此外，它更適合制造小型零件，因?yàn)榈湫途窒扌詫π⌒土慵挠绊戄^小。

    1.材料

    增材制造方法僅適用于某些原材料，這意味著可獲得的最終材料種類有限。進(jìn)一步的發(fā)展旨在擴(kuò)大材料范圍。目前，已經(jīng)能夠處理相當(dāng)數(shù)量的金屬、陶瓷和塑料材料。然而，即使可以使用某種金屬，通常也無法完全控制所有相關(guān)的冶金性能。

    2.處理時(shí)間

    對于大型零件，處理時(shí)間可能相當(dāng)長。盡管這在人工工時(shí)方面可能并不重要，因?yàn)檫^程大多是自動(dòng)化的，但這意味著昂貴的機(jī)器被占用較長時(shí)間。因此，當(dāng)每年只能制造有限數(shù)量的零件時(shí)，機(jī)器的成本很難得到補(bǔ)償。此外，要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的生產(chǎn)量，還需要大量相應(yīng)的制造空間和機(jī)器。

    3.材料和能源消耗

    原材料的成本可能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造工藝。例如，如果首先需要將金屬轉(zhuǎn)化為具有良好定義性能的粉末形式，成本可能遠(yuǎn)高于直接使用固態(tài)金屬。此外，這種制造的總能源消耗（包括原材料的制造）可能要高得多，因?yàn)槊總€(gè)立方毫米的材料都需要經(jīng)過多個(gè)步驟的密集處理，而傳統(tǒng)技術(shù)通常只需處理表面。

    另一方面，增材制造方法（與減材制造方法相比）的一個(gè)普遍優(yōu)勢是，除了需要后期去除的支撐結(jié)構(gòu)外，不產(chǎn)生廢料。