EOS：一氧化碳激光器實(shí)現(xiàn)高分辨率燒結(jié)3D打印技術(shù)

德國增材制造專家EOS早在2019年就首次透露，它已開發(fā)出一種新的選擇性激光燒結(jié) (SLS) 方法，是一種名為精細(xì)細(xì)節(jié)分辨率 (Fine Detail Resolution，F(xiàn)DR) 的新技術(shù)，具備重大的進(jìn)步——能夠獲得立體光刻SLA級別的高分辨率以及選擇性激光燒結(jié)SLS的耐用性和質(zhì)量。 幾年過去了，EOS 的 FDR 技術(shù)現(xiàn)已在 FORMIGA P 110 FDR 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，并且它在很大程度上兌現(xiàn)了這些功能。

△視頻：EOS一氧化碳激光器實(shí)現(xiàn)高分辨率燒結(jié)3D打印技術(shù)



FDR 是什么
EOS 的 FDR 技術(shù)與 SLS 技術(shù)很接近：這兩種技術(shù)都利用激光來熔化聚合物粉末的粉末顆粒，逐層構(gòu)建零件。FDR 的獨(dú)特之處在于使用 CO 激光器（而不是 CO2 激光器）。CO 激光器能夠產(chǎn)生約 200 μm 的超細(xì)光斑，這大約是SLS 3D 打印機(jī)中所見尺寸的一半。這種較小的激光光斑會對用戶在打印中實(shí)現(xiàn)的效果產(chǎn)生直接影響，特別是在涉及精細(xì)細(xì)節(jié)、薄壁以及刻字和微電連接器等小功能時(shí)。

CO 激光器只是 FDR 的一部分，還依賴于高精度的鋪粉機(jī)，它可以快速（以 600 毫米/秒的速度）分布細(xì)小的粉末層且密度均勻。CO 激光器和重涂系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了正負(fù)40μm 的尺寸精度，可與注塑成型和 SLA 3D 打印相媲美。
使用一氧化碳和二氧化碳激光器有何不同

CO激光器的輸出波長為5（5-6）μm，不同于10.6（9-11）μm的CO2激光器。由于某些材料在5μm和9-10μm處具有不同的吸收系數(shù)，因此存在與波長有關(guān)的光-材料交互作用問題。對于PE、陶瓷、玻璃來說，它們對CO激光具有更高的吸收率，使其在這些材料的加工領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢。

同時(shí)，CO激光也適用于加工一些電介質(zhì)材料和PCB板的氧化銅。然而，硫化物光纖對5μm波長的吸收率卻很低，這為CO激光的光纖傳輸提供了可能性。

聚合物對不同波段激光的吸收率

5μm的光束可以聚焦到更小的光斑尺寸。對于10.6μm CO2激光器，理論上受衍射限制的光斑尺寸約為55μm，而在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)際實(shí)現(xiàn)的最小光斑尺寸為80-90 μm。在相似的聚焦條件下，5μm CO激光器可以達(dá)到大約25μm的理論光斑尺寸，實(shí)際光斑尺寸在30-40μm的范圍內(nèi)，更小的光斑尺寸可以制造更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

此外，CO激光的功率密度可以達(dá)到CO2激光的四倍。更高的功率密度再加上某些材料在5μm處更強(qiáng)的吸收能力，使得這些材料可以用CO激光低得多的功率進(jìn)行處理。  

EOS的FDR 打印



最重要的是，F(xiàn)DR具有與激光粉末床融合工藝相關(guān)的所有優(yōu)點(diǎn)，例如無支撐構(gòu)建（因?yàn)榉勰┐渤洚?dāng)支撐）。這顯著簡化了 FDR 打印的后處理，并簡化了設(shè)計(jì)流程、減少了材料浪費(fèi)。簡而言之，零件在冷卻和除粉后即可使用，但也可以進(jìn)行涂層和蒸汽平滑等額外的后處理。

與 SLS 一樣，F(xiàn)DR 也具備批量生產(chǎn)能力，這得益于其快速燒結(jié)、最少的后處理以及在單個(gè)構(gòu)建中嵌套多個(gè)零件的能力。這就是該技術(shù)比分辨率匹配樹脂技術(shù)具有明顯優(yōu)勢的地方。正如 EOS 所說：“在細(xì)節(jié)分辨率方面可以與 FDR 相媲美的 3D 打印方法（如 SLA 和 DLP）無法近似其產(chǎn)量：這在很大程度上是由于這些基于樹脂的方法的構(gòu)建過程緩慢， FDR 相對較快的激光燒結(jié)可以輕松超越�！�

市場上的FDR機(jī)器
最終用戶可以通過采用 FORMIGA P 110 FDR 3D 打印機(jī)來利用精細(xì)細(xì)節(jié)分辨率技術(shù)，這是一種專門用于生產(chǎn)小型精細(xì)零件的緊湊型工業(yè)系統(tǒng)。該機(jī)器的構(gòu)建體積為200 x 250 x 330 mm，集成了兩個(gè) 50 W 激光器，每個(gè)激光器波長為 5 um。這些超細(xì)激光器產(chǎn)生 200 μm 的焦點(diǎn)直徑，可以創(chuàng)建高精度細(xì)節(jié)，這大約是其他 SLS 3D 打印功能尺寸的一半。


△Formiga P 110 FDR 3D 打印機(jī)

EOS 已將聚酰胺 11 (PA 11) 粉末用于 FORMIGA P 110 FDR 3D 打印機(jī)，其特點(diǎn)是比標(biāo)準(zhǔn) SLS 粉末的顆粒尺寸更小。尼龍材料用途廣泛，具有高抗沖擊性、高斷裂伸長率、耐用性和耐化學(xué)性。除了這些機(jī)械性能之外，該材料既可回收，又由可再生資源制成。打印機(jī)的重涂機(jī)可以將該 PA 11 粉末以 40 μm 的層厚度分布在打印床上。據(jù)EOS稱，其FDR解決方案的其他材料仍在開發(fā)中。

由于其相對較小的占地面積（1320 x 1067 x 2204 毫米）和工作流程軟件，3D 打印機(jī)還設(shè)計(jì)用于無縫集成到制造設(shè)施和車間。EOS表示，該系統(tǒng)在可靠性方面表現(xiàn)非常出色，克服了在基于粉末的平臺上實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的打印分辨率通常相關(guān)的問題。

FDR的應(yīng)用
EOS 的 FDR 技術(shù)顧名思義就是“精細(xì)細(xì)節(jié)”，非常適合生產(chǎn)具有微小特征和復(fù)雜細(xì)節(jié)的小型組件。一般來說，LPBF 技術(shù)幾乎可以應(yīng)用于任何行業(yè)，例如電子元件和外殼、濾波器等精細(xì)細(xì)工結(jié)構(gòu)以及多部件組件。FDR 打印具有的設(shè)計(jì)自由度和特征尺寸使得生產(chǎn)可在 100 GHz 頻率范圍內(nèi)工作的薄壁零件成為可能。對于這些類型的應(yīng)用，可以在 PA 11 打印品上涂覆電鍍涂層，以賦予其必要的導(dǎo)電性能，此功能非常適合高頻應(yīng)用，包括雷達(dá)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛組件、通信系統(tǒng)等。


△EOS FDR 自行車燈外殼

該技術(shù)還成功應(yīng)用于多部件組件的生產(chǎn)，這些組件具有高精度和尺寸精度。例如，F(xiàn)ORMIGA P 110 FDR 成功打印了一個(gè)定制的自行車燈外殼，由兩個(gè)部件制成，通過懸臂卡扣配合完美地結(jié)合在一起。其他需要高精度的連接功能，如非組裝鉸鏈、薄膜鉸鏈、螺釘和螺紋以及互鎖組件，也可以使用 EOS 的 FDR 技術(shù)進(jìn)行打�。�即使是微型尺寸）。

PA 11 的具體特性也為 FDR 開辟了某些應(yīng)用領(lǐng)域。例如，該材料具有生物相容性，因此可用于醫(yī)療應(yīng)用，如流體導(dǎo)管，以及與食品接觸的部件。PA 11 還具有低摩擦特性，與 FDR 打印件的高質(zhì)量表面光潔度相結(jié)合，可以打印用于電驅(qū)動(dòng)器的軸承滾珠和行星齒輪等組件。此外，浮雕或凹凸刻字等微小特征也可以無縫集成到原始 CAD 設(shè)計(jì)中。FDR 在設(shè)計(jì)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用，例如生產(chǎn)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)的珠寶，甚至用于可穿戴設(shè)備的聚合物紡織品。