高功率13KW 動態(tài)光束激光器，實現(xiàn)速度提升千倍的CBC金屬3D打印技術(shù)

導讀：近日，德國研究機構(gòu)Fraunhofer IWS透露，它正在測試一個3D打印系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可能比目前基于振鏡的激光制造技術(shù)快"一千倍"。南極熊認為，這種新型金屬3D打印技術(shù)的可行性一旦得到認證，將會在3D打印行業(yè)掀起一場革命，它會為大批量增材制造金屬零部件鋪平道路。

△激光增材制造

據(jù)悉，這家研究所的裝置重點在于一個高功率的13KW "動態(tài)光束激光器"，它能夠迅速產(chǎn)生不同的能量分布模式，并精確地打印出極為復雜的材料。據(jù)FraunhoferIWS的Andreas Wetzig稱，這項技術(shù)推動了金屬3D打印的極限，將會解鎖新的合金材料在醫(yī)療、電動車和航空航天領(lǐng)域的廣泛應用。

CBC 3D打印技術(shù)裝機應用

這項突破性技術(shù)最初由以色列公司Civan Lasers開發(fā)，F(xiàn)raunhofer IWS用相干光束來做金屬3D打印。這種方法被認為是高功率激光工藝的 “巔峰"，它涉及到將激光分割放大成多條相干光線，然后再將它們合并成強大的單束。

在Civan Lasers公司的案例中，它們已經(jīng)開發(fā)出一種利用部分光束的小相位偏移來調(diào)制能量分布模式的方法。與現(xiàn)有的激光器相比，動態(tài)光束激光器在光束中心釋放出大部分能量，因此能夠?qū)⒘慵�制成復雜的 "環(huán) "或"馬蹄 "形狀。

從理論上講，使用光束偏轉(zhuǎn)光學器件或快速振鏡已經(jīng)可以做到這一點，盡管每次重新調(diào)整都需要幾毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能夠在微秒內(nèi)調(diào)整激光的能量模式，因此它有可能使動態(tài)光束成形首次用于工業(yè)規(guī)模的金屬3D打印。這套動態(tài)光束激光器現(xiàn)在已經(jīng)從耶路撒冷運到德累斯頓的Fraunhofer IWS進行安裝。

△一位工程師在德累斯頓的Fraunhofer IWS安裝耶路撒冷的 "動態(tài)光束激光"。照片來自Fraunhofer IWS

Fraunhofer IWS和"ShapeAM"。

作為歐盟支持的 "M-era.Net "計劃中 "ShapeAM "項目的一部分，Civan Lasers公司已經(jīng)在Fraunhofer IWS的德累斯頓工廠安裝了一套名為"CIVAN"的新型系統(tǒng)。ShapeAM團隊與焊接專家Laser Welding Solutions的同事合作，表示最終目標是開發(fā)具有 "改進材料特性 "的鈦和鋁3D打印部件。南極熊的全球3D打印產(chǎn)品庫product.nanjixiong.com將收錄這款產(chǎn)品。

具體而言，研究人員打算利用動態(tài)光束成型來消除部件缺陷，并克服裂紋敏感材料帶來的許多現(xiàn)有挑戰(zhàn)。在這樣做的過程中，研究小組認為也有可能創(chuàng)造出具有特定應用價值的金屬部件，例如為在外太空執(zhí)行任務而定制的部件，或具有增強生物相容性的植入物。

為了衡量動態(tài)光束激光器的能力，F(xiàn)raunhofer IWS和Civan Lasers的專家們首先計劃對光束輪廓和材料進行基本測試，通過評估它對通常難以加工的合金的切割、連接或3D打印各種物體的能力來確定最終用途。

雖然該項目在2021年7月才開始，但Fraunhofer IWS已經(jīng)預測，CIVAN將在3D打印過程中對熔池動態(tài)提供 "更快和更精確的控制"。在其他領(lǐng)域，該研究所還預計，當涉及到激光切割時，動態(tài)光束激光器將被證明是目前光纖激光器的兩倍，同時產(chǎn)生無毛刺的切割，并具有良好的邊緣質(zhì)量。

2021年9月14日，F(xiàn)raunhofer IWS將舉行網(wǎng)絡研討會，屆時它將與潛在的工業(yè)和研究伙伴深入探討其實驗，那些對測試該技術(shù)感興趣的人將被邀請將CBC激光器用于他們自己的應用，但條件是任何后續(xù)發(fā)現(xiàn)將在2021年12月7日至9日的激光研討會和ISAM 2021上提出。

△預計新的 "CIVAN "將在金屬3D打印中開啟動態(tài)光束成型。照片來自Fraunhofer IWS

高功率激光3D打印

與FraunhoferIWS正在試驗的基于CBC的系統(tǒng)不同，目前許多金屬3D打印機都僅限于使用1KW的單激光器。為了解決這個問題，制造商越來越多地在他們的打印機上安裝多個高功率激光器和大構(gòu)建量，做出具有工業(yè)規(guī)模應用潛力的巨型機器。

考慮到這一點，SLM Solutions在去年的Formnext Connect展會上發(fā)布了強大的新NXG XII 600 3D打印機。它包含12個1KW的激光器，專門為汽車或航空航天領(lǐng)域的企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)大尺寸零件而設計，它已經(jīng)吸引了 "歐洲主要OEMs "的興趣。

同樣，F(xiàn)arsoon技術(shù)公司在2021年TCT亞洲展覽會上推出了一款新的粉末床融合（PBF）3D打印機，它具有不少于8臺1000W的激光器。Farsoon的系統(tǒng)有兩種設置，包括FS721M-8和縮小版的FS721M，讓客戶降低生產(chǎn)成本，在汽車、工具和工業(yè)領(lǐng)域應用。

200萬激光點的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)，Seurat速度提升1千倍

2021年7月1日，南極熊獲悉，金屬3D打印創(chuàng)業(yè)公司Seurat Technologies最近獲得了4100萬美元（約2.65億元人民幣）的B輪融資，由投資公司Capricorn基金領(lǐng)投。

據(jù)悉，Seurat公司將使用這筆資金繼續(xù)加速“區(qū)域打印工藝”的研發(fā)和商業(yè)化。這是一種創(chuàng)新的3D打印技術(shù)，使用200萬個激光點來實現(xiàn)部件的大規(guī)模3D打印。這與EOS此前發(fā)布的近百萬個二極管激光器來融化材料看起來很相似。

△Seurat200萬個激光的“區(qū)域打印工藝”，可以打印金屬件

△EOS的LaserProFusion技術(shù)，采用近百萬個二極管激光器來熔化材料并逐層制造零件，適用于尼龍粉末材料

但是，在技術(shù)原理上并不相同，Seurat的這種新技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個激光點射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個光點的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個區(qū)域。

南極熊剖析一下，可能你會更容易理解這個技術(shù)的厲害之處：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當于15平方毫米，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米，兩者相差近1000倍，也就是說最多可以實現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率；
• 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達到傳統(tǒng)單激光的10倍。
  

現(xiàn)有的金屬增材制造中效率比較高的兩種工藝是：電弧熔絲和粘結(jié)劑噴射。電弧熔絲使用基于金屬絲的焊接工藝來沉積材料。然而，電弧熔絲的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之間。粘合劑噴射法是基于噴墨打印技術(shù)，以高生產(chǎn)速率打印毛坯部件，然而打印之后還需要進行燒結(jié)，兩步法也使這項技術(shù)難以掌握。目前，使用這兩種技術(shù)方法可以實現(xiàn)400-1,500立方厘米/小時的打印速度。

Seurat的區(qū)域打印技術(shù)的生產(chǎn)力遠遠超過任何現(xiàn)有金屬3D打印技術(shù)。它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。