超快激光加工技术在增材制造中的应用

来源： 高能束加工技术及应用

超快激光器是久经考验且不断发展的制造工具。同时，增材制造(AM) 已成为具有任意几何形状的物体 3D 制造的关键领域。增材制造(AM)广泛用于制造国防、医疗、航空航天、汽车和电子等一系列行业的广泛产品，这证明了人们对增材制造(AM)日益增长的兴趣。如今，大多数基于激光的增材制造都是通过使用连续波(CW)和长脉冲激光器进行的。连续激光器和长脉冲激光器的缺点是激光赋予的热能在照射点周围扩散，并经常导致热影响区 (HAZ)的产生。热影响区可能会产生微裂纹、多孔结构和残余应力，从而降低材料强度。为了解决这些问题，目前正在尝试在增材制造过程中使用超快激光源，例如飞秒(fs)激光器，脉冲持续时间约为(1fs=10-15s)限制了破坏性的激光与材料的相互作用，从而将热影响区的可能性降至最低。在增材制造中使用超快激光器为下一代制造技术提供了可能性，这些技术适用于难加工材料、透明材料以及微纳米制造。

选择性激光熔化/烧结
基于连续模式或纳秒脉冲激光的增材制造能够将能量直接传递到小焦点区域的材料上，并以更好的分辨率实现固化、烧结或熔化。这些方法的突出例子是选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(图1)。常用的金属有不锈钢和工具钢、铝合金、钛及其合金、镍合金和一些钴合金。最佳零件取向、激光参数优化和一致性、高残余应力和表面质量只是粉末床熔融工艺中的一些挑战。对于具有不同熔点、激光吸收光谱和导热行为的各种金属，应对这些挑战使该技术进一步复杂化。超快激光器为难以加工的材料的选择性激光熔化/烧结提供了可能的解决方案。超短脉冲在如此短的时间尺度上提供强烈的峰值能量，以至于目标材料被迅速加热到超过其熔点，但热影响区很小。具有高熔点和/或优异导热性能的材料可能更容易通过这种受限的极端加热进行加工。由于相互作用时间短，余热会迅速扩散到体中，但通过将脉冲重复频率提高到MHz范围，产生的热积聚可以为熔化过程提供额外的控制。由于热影响区不比焦点直径大多少，因此粉末粒度被限制在不大于光斑尺寸。应该注意的是，一般来说，金属在超快激光照射下的熔化动力学还没有得到充分的了解。超快激光粉末床熔融的热力学及其对材料性能的影响更小。因此，目前的技术水平是研究主要局限于可行性研究。

图1.SLM/SLS 设置示例。在建筑平台上沉积一层均匀的粉末，通过激光扫描选择性熔化，随后通过沉积粉末层

图2.超快激光选择性激光熔化不同材料获得成品及微观形貌

3D激光光刻(3DLL)
立体光刻是一种制造过程，通过该过程，光诱导光化学结构变化以打印图案和物体，允许从计算机绘制的设计中逐层生产任意 3D 对象。传统上，光敏聚合物通过紫外激光固化从液态转变为固态聚合物。将光引发剂激发到产生离子或自由基物质的状态，在中引发交联链式反应。激发和光聚合可以通过多光子吸收较低能量的光子来实现，这相当于通常由单一紫外光子吸收的能量。由于对激光强度的非线性依赖性和材料对单光子吸收的透明度，多光子吸收发生在超快激光的紧密焦点区域，这意味着可以完成更高的分辨率和内部修饰。多光子光刻技术（也称为3D激光光刻（3DLL）或多光子直接激光写入(MP-DLW））。在化学传感、微流控器件和微针方面有应用，但近年来微纳光学以及生物和组织工程受到广泛关注。

图3.立体光刻，光诱导光化学结构变化打印图案和物体:(1)飞秒直接激光光刻技术制造的不同几何形状的支架和生物材料;(2)光刻系统构建的紧凑型三联透镜物镜;(3)利用双光子光刻技术产生91.8 wt%的Ni结构

(1) 组织工程：再生医学是一个可以从定制的生物相容性3D微结构中受益匪浅的领域，因为它依赖于细胞基质和支架上的细胞增殖。生物组织是复杂的复合材料，细胞外基质(ECM)为细胞提供支撑结构。人们正在研究通过飞秒直接激光光刻技术制造的不同几何形状的支架和生物材料，以获得最佳的相容性和体内结果。通过直接写入多个光刻，可以给设计人员的支架带来进一步的复杂性。联合方法可以改善对细胞结合域的空间控制，从而改善细胞分布。通过使用多种光刻，不仅可以控制初级支架的几何形状和机械性能，还可以创建特定部位的功能，并可能创建不同程度的细胞兼容性的定制分布。

(2) 微纳光学：多光子光刻是实现微米和纳米级光学系统的有效工具。这种增材制造工艺的几何自由度和高精度使得从具有良好光学性能的光刻胶中微加工出折射和衍射元件。这些器件对集成光学器件、光子电路以及基于光纤的内窥镜和断层扫描具有令人兴奋的意义。

(3) 金属沉积：随着人们对微电子器件、超材料和等离子体器件的兴趣日益浓厚，对微观尺度金属制造方法的渴望是不可避免的，可以不受限制地控制几何形状。现有增材制造技术在分辨率上的局限性导致了目前由金属颗粒油墨挤出、电流体动力打印或液滴喷射、激光辅助电泳沉积、LIFT等技术填补的空白。基于或涉及使用多光子直接激光写入的替代技术正在研究中，因为它提供了在聚合领域看到的诱人优势。另外，可以通过多光子光还原溶解金属来完成金属的直接沉积，用于3d打印结构的成核和生长。

混合制造应用
激光器是独特的制造工具。激光参数很容易控制局部能量输入，并使目标材料发生所需的物理变化，例如熔化或烧蚀。熔化和再凝固可实现增材制造，而蒸发和烧蚀主要可实现减材制造。因此，具有广泛可调性(波长、脉冲持续时间、重复频率)的现代超快激光器可以在增材制造和减材制造模式之间切换。具有较低资本成本的混合、多合一制造设备的前景很有吸引力，并且已经证明了多种激光技术的使用。微流控器件制造可以从这种杂交中受益。图中是将这种减材的超短脉冲激光微加工方法与多光子聚合相结合，创建了具有集成聚合物微结构的可定制微流控器件(图4)。

图4.通过飞秒激光诱导化学蚀刻的微流控的超快减材制造

图5.通过飞秒激光烧蚀来实现微流控器件的混合减法-加法制造(1)多光子光刻将各种几何形状的微过滤器直接集成到烧蚀的微通道中，并在雕刻通道的顶部用飞秒激光焊接盖板玻璃侧以形成密封(2)多光子光刻制造结构(3)单一的超快激光微加工装置对传统金属增材制造处理

结论与展望
讨论了几种增材制造技术和应用，其中超快激光器提供或具有未来潜力，与其他工具和方法相比具有明显的优势。高熔点、低光吸收材料在选择性激光熔化/烧结工艺中的加工性能已得到证实。在其他情况下，超快激光器在微纳米制造领域占有相当大的份额。非线性吸收现象提供的精度和通量的提高为超快激光器未来从纳米级到中级的实用性奠定了基础。亚微米分辨率多光子光刻提供了按需制造复杂3D纳米结构的自由度，但仅限于可集成到光刻胶解决方案中的材料。特别是，金属和陶瓷很难制造，尽管进展仍在进行中。另一方面，激光诱导正向转移几乎没有材料限制，但需要进一步努力提供与多光子光刻相同程度的分辨率和几何自由度。不仅材料的多样性，而且材料相（固体、液体、高粘度或低粘度浆料）的多样性为理解潜在的激光诱导正向转移工艺及其优化带来了巨大的挑战。虽然脉冲激光沉积可以通过采用超快激光器进行改进，但主要局限于均匀的薄膜生长。

  利用单个超快激光源进行 (1)精确减材制造，(2)定制高分辨率3D打印，以及(3)任意材料的精确焊接，是一个令人兴奋的前景。最近的研究表明，我们已经更接近这种下一代一体化制造系统的现实。