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      混合光合成技術助力增材制造創新
      材料來源:ACT激光世界           錄入時間:2023/9/18 21:22:20

      一種混合光合成技術,大大提升了3D打印速度,并且打印件無需后期處理,對光聚合技術的發展具有開創性意義。

      圖 1:狹縫式激光光束質量分析儀,確保增材制造工藝的可重復性。

      Axtra3D公司成立于 2021 年,其目標是重塑增材制造行業。成立僅一年后,該公司就推出了混合光合成(Hybrid PhotoSynthesis,HPS)技術,該技術正在改變增材制造市場的格局。

      HPS是首個同軸系統,其允許用戶快速打印精細的特征結構,并能實現優異的表面精加工。這項創新技術基于光聚合工藝,其采用兩種光源:數字投影儀光源和固體激光器。HPS技術的關鍵在于激光束與數字投影光源的完美同步。借助 MKS公司提供的技術,兩種光源達到了理想配合,并在整個產品周期中依靠 Ophir測量設備完成測試。

      突破光聚合的局限性 

      增材制造為快速生產3D零件提供了巨大的機會。自20世紀80年代第一個商用立體光固化成型(SLA)設備面市以來,增材制造技術一直在不斷發展。與此同時,逐層樹脂打印技術也可用于日常家用。但是,即使是工業級高端SLA解決方案,在制造速度和表面質量方面仍然存在局限性。為了克服速度上的限制,數字光處理技術(DLP)應運而生;DLP技術可以實現整層打印。投影儀將每一層的圖像投射到樹脂上,樹脂在紫外光照射下固化。

      盡管DLP技術為增材制造帶來了顯著改進,但是制造的成品仍需大量返工。打印件必須清洗,可見的表面結構需要額外處理。

      Axtra3D公司致力于解決上述問題。Axtra3D公司總部位于美國,其創新實驗室和生產設施位于意大利,公司圍繞一組專利而成立,目標是開發突破性的增材制造解決方案(見圖1、圖2)。Axtra3D公司創始人兼首席營運官Paul Spoliansky表示:“我們的技術結束了與其他增材技術之間的權衡。我們能讓客戶按照CAD 文件進行打印,并且不需要返工。”

      圖2:測量裝置安裝在支架上,用來測量激光光束。

      將關鍵技術引入HPS光引擎

      最近在Lumia X1 3D打印機中引入的HPS技術包括:一個數字光處理器,其可以一次性打印整層;以及一個二極管固體激光器,其可以并行優化每層的結構。與大多數高科技解決方案一樣,雖然結果似乎很容易理解,但實現過程卻非常復雜。

      將數字光源投影儀及其精密的光學系統與激光器結合起來,需要完美的配合。兩個設備需要發出相同波長的光:為了確保高生產標準,兩個光源之間允許的最大偏差為30μm。Axtra3D公司首席產品和創新官Federico Iacovella解釋說:“我們知道,了解激光參數和光束形狀對打印結果至關重要,因此我們需要可靠的測量結果。”

      光束的圓度是關鍵

      從長遠來看,確保增材制造過程的可重復性,是開發新技術的首要任務。特別是當涉及到3D打印機的工業用途時,客戶希望每次打印都能獲得完全相同的產品。為了確保HPS光引擎的高質量,在研發階段以及在生產過程中,甚至在維護打印機時,檢查包括光束形狀在內的相關光束參數非常重要。

      考慮到這一點,Iacovella一直在尋找一種易于使用的測量裝置,同時還能在產品生命周期的每個階段提供高端測量,“我們首先嘗試了基于相機的測量設備,但發現它們并不適合我們的現場應用。因此,我們決定測試基于狹縫的測量設備,并取得了成功。”

      Ophir NanoScan光束質量分析儀的孔徑為9mm,可以更靈活地使用不同的光束尺寸,而且更易于管理。Iacovella繼續說道:“即使我們最終要測量的是45μm 的小光斑,也要從7mm的光束開始。有了Ophir NanoScan設備,我們就能利用其寬泛的測量范圍獲得充分的靈活性。”

      基于PC的儀器根據ISO 11146標準分析激光光束的空間輻照度曲線(見圖3)。由于光束質量分析儀測量的準確性和穩定性,光束尺寸和光束指向的測量可以滿足3-sigma精度,達到幾百納米。HPS光引擎需要圓度達到90%的激光光束;借助NanoScan測量解決方案,無論是在潔凈室還是在實際生產環境中,Axtra3D公司都能精確測量激光光束的直徑和形狀(見圖4)。

      圖3:基于PC的光束質量分析儀,其包括2D和3D等圖形化功能。

      圖4:Axtra3D依靠掃描狹縫式光束質量分析儀(左)和圓形光電二極管傳感器(右)的組合,來實現精確、可重復的測量。

      功率和能量管理

      HPS技術的另一個核心問題是,始終使用特定的激光能量來聚合樹脂。由于Axtra3D需要獨立制造Lumia X1系統中的每個二極管激光器(包括二極管驅動器),因此非常有必要對每個二極管激光器的功率進行單獨分析。Iacovella 解釋說:“我們使用Ophir PD300-3W來測量單個二極管的功率,從而將響應電流與每個二極管的功率線性化。通過這種方式,我們可以確保每個二極管激光器為每個單獨的3D打印過程提供所需的能量。”

      就可重復性而言,這些測量對于Lumia X1系統的制造和維護至關重要。PD300-3W的測量結果通過緊湊型手持式 Ophir StarBright功率計顯示,該功率計為用戶提供了復雜的功率和能量記錄選項、數學功能以及多種圖形顯示選擇等。

      光聚合達到新水平

      Axtra3D公司的HPS技術,對光聚合技術的進一步發展具有開創性意義。其3D打印工藝的速度不僅超過了SLA打印機,而且可與高速DLP工藝相媲美,通過使用雙光源,該技術無需進行后期處理。這在很大程度上與所采用的測量技術直接相關。“Ophir測量設備是產品創新的重要組成部分,因為測量激光參數為我們實現高質量3D打印技術奠定了基礎。”Iacovella總結道。

      作者:Dagmar Ecker


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