激光与 3D 打印
1 激光
原子受激辐射的光称为激光。激光具有高相干性以及单色性好等特点，根据其波长的不同可划分为紫外激光、可见光激光和红外激光。根据激光的不同类型以及所需要的波长，激光介质可以是固体、液体和气体。与普通光相比，激光具有较高的功率和能量，这取决于其发射的是连续波还是脉冲波[1]。这些激光可以通过任何中间介质聚焦到给定基板上一定尺寸的精确点[2]，这使得激光在材料加工中有广泛的应用。
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1960 年，梅曼发明了红宝石激光器，并因此获得诺贝尔奖。从那时起，激光技术突飞猛进并发明了许多新型激光器，包括半导体激光器、Nd : YAG 激光器、CO2气体激光器，以及最新的准分子激光器和飞秒激光器。Nd : YAG 激光器和 CO2气体激光器是通过物理机制去除材料，而准分子激光器和飞秒激光器等短脉冲激光器则是通过烧蚀方式去除材料。
2 激光与 3D 打印技术
3D 打印技术是基于“离散/堆积成型”的成型思想，用分层加工的方法将成型材料“堆积”后，进而形成实体零件的一种技术。3D 打印需要通过计算机软件建立一个三维数字化模型，根据打印工艺和不同的零件结构，选择合理间隔的切割平面将数字化模型分割成若干薄层，然后根据这些薄层的轮廓，按照先后顺序逐层进行原料的熔化和堆积，最后形成一个立体实物。3D 打印技术具有能制造复杂结构、节省材料、无需复杂的工装、成型速度快的优点，被广泛应用在航空航天、武器、车辆制造、电子器件和生物组织工程等领域。因此，3D 打印技术是最具有吸引力的制造业研究方向之一，并且被大多数学者认为是一次制造业的重大革命[3-4]。
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激光 3D 打印技术，是一种利用激光来加热材料并使其熔化，然后再逐层堆积成实物的增材制造技术。由于激光可以产生很高的能量，其能量足以使难融的金属受热熔化，所以，激光 3D 打印技术可以用于难熔金属的 3D 打印，例如常见高温合金就可以用 3D 打印技术进行加工。激光 3D 打印技术还有一个优点就是可以打印结构复杂的零件，这是因为打印过程是一个逐层堆积材料的过程，零件的内部结构在加工过程中是暴露在外的，所以它可加工结构复杂的零件[4-5]。
3 激光3D打印的分类
目前较为常见的激光 3D 打印技术有选择性激光烧结（SLS）、选择性激光融化（SLM）、光固化（SLA）3D 打印技术等。
3.1 选择性激光烧结（SLS）
选择性激光烧结（SLS）使用激光束（通常是二氧化碳激光）选择性地烧结粉末状聚合物或聚合物基复合材料的薄层，形成具有宏观和微观特征的固体 3D 物体。SLS 在成形设计对象方面有几个优点，包括零件精度高，材料通用性强，并且在制造过程中不需要零件支撑，因为材料没有被激光束产生的热量融合在一起，为被烧结对象提供了很好的支撑。此外，SLS 还能够生成不规则形状的物体，包括含有沟道和悬垂特征的结构。在 SLS 过程中，粉末材料被激光束加热，从而克服粉末中单个颗粒的表面张力，选择性烧结的粉末融合在一起，固化薄层，然后逐层构建固体 3D 物体[6]。
图 1. 选择性激光烧结(SLS)制备工艺[6]。
在粉末材料选择性烧结之前，将机器的整个零件床(包含被烧结粉末和烧结部分的区域)加热到刚好低于材料的熔化温度(或接近非晶聚合物的玻璃化转变温度)，以尽量减少热变形并促进烧结层的融合。然后激光束根据切片数据的横截面轮廓扫描粉末表面的横截面，加热粉末并使颗粒融合在一起形成固体层。一层完成后，降低零件床，并将其中一个装满粉末原料的粉末罐抬起。然后用辊子铺上一层新的粉末，重复选择性烧结过程。未被激光束扫描的粉末留在原位，作为下一层粉末的支撑，然后在物体制造完成后被移除并回收[6]。
图 2. SLS 3D 打印机的图形说明和其主要组件[7]。
3.2 选择性激光融化（SLM）
选择性激光融化（SLM）也叫金属粉末的快速成型技术，是利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化、快速凝固的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过 106 W/cm2。目前用 SLM 技术的激光器主要有 Nd-YAG 激光器、CO2激光器、光纤激光器，这些激光器产生的激光波长分别为 1064 nm、10640 nm、1090 nm。金属粉末对1064 nm 等较短波长激光的吸收率比较高，而对 10640 nm 等较长波长激光的吸收率较低。因此在金属零件成型过程中，具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的 CO2激光器，其激光能量利用率较低。SLM 技术是在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。
图 3.SLM 技术原理图[4]。
3.3 光固化（SLA）3D 打印
光固化（SLA）3D 打印是用紫外激光（355 nm或405 nm）为光源，用振镜系统来控制激光光斑扫描，光敏树脂在一定波长的紫外激光照射下，发生光聚合反应，液态树脂变为固态。
图 4.SLA 原理图[8]。其成形过程：将待打印的三维模型以 STL 等格式导入到切片软件中，经过切片处理后，得到待打印件的一系列轮廓数据→计算机根据轮廓数据，控制振镜的偏转来控制紫外线按照轮廓形状进行移动，被照射到的光敏树脂迅速发生光聚合反应，形成固化层→固化完成后，Z 轴移动一个层厚的距离，刮刀刮平页面或料槽端下降一个角度，待树脂完全浸没已固化层后，继续照射下一个截面轮廓，新固化的轮廓面会固化在已固化层上；如此往复，直至打印完成[8]。
4 总结
随着激光 3D 打印技术的不断进步，其在制造业领域的应用也越来越广泛，尤其在致密度、精度、粗糙度、强度和结合度等关键指标方面，制备的零件已经达到甚至超过了传统加工手段制备的零件。未来，激光 3D 打印一定会有更大的技术突破和应用领域。
参考文献：
[1] H. Rong, R. Jones, A. Liu, O. Cohen, D. Hak, A. Fang etal., “A continuous-wave Raman silicon laser,” Nature 433(7027), 725–728 (2005).[2] R.R. Gattass and E. Mazur, “Femtosecond laser micromachining in transparentmaterials,” Nature photonics 2(4), 219–225 (2008).[3] GNANASEKAＲAN K， HEIJMANS T，BENNEKOM S V. et al．3D printing of CNT and graphene-based conductive polymer nano composites by fused deposition modeling [J]. Applied Materials Today，2017，9:21-28．[4] 李瑞锋,李客,周伟召.激光金属 3D 打印技术的研究进展[J].粘接,2022,49(07):98-105.[5]ＲANEY J Ｒ， COMPTON B G， MUELLEＲ J． Ｒotational 3D printing of damage-tolerant composites with programmable mechanics [J].Proc Natl Acad Sci USA， 2018，115(6):1 198-1 203．[6] Duan B, Wang M. Selective laser sintering and its application in biomedical engineering.MRS Bulletin. 2011;36(12):998-1005. doi:10.1557/mrs.2011.270.[7] Atheer Awada, Fabrizio Finaa, et al. 3D printing: Principles and pharmaceutical applications of selective laser sintering. International Journal of Pharmaceutics 586(2020) 119594.[8] 王永宽,刘芳,王军歌等.光固化 3D 打印技术在铸造领域的研究现状 [J]. 丝网印刷,2023(19):99-102.DOI:10.20084/j.cnki.1002-4867.2023.19.029.
原文标题 : 科普征文 | 激光与 3D 打印