紫外激光3D打印工艺研究及应用

本文将指导你理解和掌握紫外激光器在3D打印上的工艺研究及应用。

一、激光及激光加工技术
（1）激光
激光是上个世纪60年代的重要发明之一，它具有良好的单色性、方向性、强相干性和高功率密度性等优点。随着行业的发展，激光器的种类越来越多。按其波长可分为，红外激光器，绿光激光器，紫外激光器三大类，这里主要介绍紫外激光器的应用及工艺。

（2）紫外激光器
紫外激光波长为355nm，属于冷光源，可以被材料较好的吸收，且对材料的破坏也是最小的。紫外激光器波长较短，以国内贝林3W紫外激光器为例，其脉宽为10ns－15ns，在材料上的作用时间较短，可以最大程度的减少热效应的时间从而保护材料，光斑为0．5mm（以上数据不同厂家的激光器会有所不同），光斑较小能量更为集中。相对于光纤激光器的高热效应，和CO2激光器的大光斑来说，紫外激光器在加工一些特殊材料上有得天独厚的优势。

紫外激光器

二、紫外激光器在3D打印（SLA）中的应用及其工艺

（1）紫外激光3D打印的原理机制
紫外激光器通过脉冲的紫外波（UV）来照射液态光敏树脂，而后由扫描振镜在X－Y平面内一层一层由下而上堆栈扫描最终固化成型，成型精度较高（±0．1mm），具有高度的模拟还原性。

（2）紫外激光器在3D打印中主要影响参数
由于液态光敏树脂对紫外光的吸收系数最大，因此较低的光能量密度就可使树脂固化，但是由于光敏树脂对紫外光的吸收遵循Beer－Lambert 定律，即：紫外光的能量密度随着透射深度的增加呈指数衰减。理论及试验表明，只有当液态光敏树脂接受的紫外线能量密度超过一定的阈值后，才会产生凝胶（凝胶态是液态和固态之间的临界状态） 因此在固化过程中需要持续输出200mw以上的连续紫外光才能使其固化，但是我们要怎么样才能达到较好的固化品质呢？

树脂的固化品质主要由紫外激光在液面的扫描速度，激光成型的光斑大小和激光持续输出功率大小三个因素共同决定。振镜的扫描速度直接影响着激光器的脉冲个数以及紫外激光在液态光敏树脂表面的接触时间，若扫描速度过快可能直接导致激光器脉冲个数不足，或接触时间过短而导致的最终固化硬度低或固化失败等一系列问题。

而液态光敏树脂表面最终成型的紫外光斑大小影响着支撑的厚度以及成品的厚度，且若是激光器的光斑不圆可能会导致分布在树脂上的能量不均匀而导致最终成型的品质下降或者固化线宽异常等。最后是激光功率，一般在350mw－500mw间的持续稳定输出功率最佳，功率过高可能导致树脂发黑或发黄，功率过低可能导致树脂发白或硬度减少，若是持续输出功率不稳定还能导致固化线和固化深度异常等问题。综上所述，我们要得到较好的固化品质则需要对激光器满足以下几点条件：
1．持续稳定的输出功率且在350mw以上；
2．持续稳定的激光输出脉冲；
3．较好的激光器光斑质量。

由此贝林激光为3D打印及增材制造应用特别推出0．5－3W风冷紫外激光器（LP105），此款激光器单脉冲能量＞5μJ＠100kHz，重复频率30－100kHz，脉宽＜70ns＠100kHz，光束质量高（M2＜1．3），光斑圆度＞90％，这些严格的参数要求能够完美解决在固化过程中硬度不够，色泽差异等一系列问题，且风冷的制冷方式使激光器体积更小更容易集成3D打印的整体光路。

加工效果示例图

来源：三的部落