解析:EOS為何採用一氧化碳雷射器進行雷射燒結

2020-12-01 騰訊網

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在本次法國Formnext 3D列印展會之前，包括EOS、3D Systems、華曙高科、盈普、易加三維等企業在內的所有從事雷射燒結技術（SLS）的公司，均採用二氧化碳雷射器作為能量來源。2018年9月，EOS推出了稱之為LaserProFusion的二極體雷射陣列燒結技術，今年11月，SLS技術再次被革新—EOS第一次將CO雷射器用於工業級粉末床3D列印。

本期，3D列印技術參考將對CO雷射的特點進行介紹，並對EOS採用其進行燒結取得列印效果進行分析。

▌CO雷射—波長更短，光斑更小，處理效率更高，加工範圍更大

CO雷射器的輸出波長為5（5-6）μm，不同於10.6（9-11）μm的CO2雷射器。由於某些材料在5μm和9-10μm處具有不同的吸收係數，因此存在與波長有關的光-材料交互作用問題。對於PE、陶瓷、玻璃來說，它們對CO雷射具有更高的吸收率，使其在這些材料的加工領域有獨特的優勢。同時，CO雷射也適用於加工一些電介質材料和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雷射的光纖傳輸提供了可能性。

聚合物對不同波段雷射的吸收率

5μm的光束可以聚焦到更小的光斑尺寸。對於10.6 m CO2雷射器，理論上受衍射限制的光斑尺寸約為55 m，而在工業應用中實際實現的最小光斑尺寸為80-90 m。在相似的聚焦條件下，5 m CO雷射器可以達到大約25 m的理論光斑尺寸，實際光斑尺寸在30-40 m的範圍內，更小的光斑尺寸可以製造更加精細的結構。此外，CO雷射的功率密度可以達到CO2雷射的四倍。更高的功率密度再加上某些材料在5 m處更強的吸收能力，使得這些材料可以用CO雷射低得多的功率進行處理。

相同功率下兩種雷射器切割聚乙烯的速度。20瓦CO雷射器的切割速度大約與150瓦CO2雷射器相同

更大的加工範圍。根據衍射理論，對於相同的光斑尺寸，CO雷射的聚焦深度比CO2雷射更長，更長的聚焦深度可以帶來更大的處理窗口。

▌CO雷射為何未曾適用於SLS技術？EOS多年前開始探索可行性

雖然CO雷射器數十年前就已推出，但其製造技術長久以來無法和CO2雷射器相匹敵，商業化的CO雷射器更是非常鮮見。從2011年開始，相干公司（Coherent）CO2雷射器部門的工程師開始探索工業CO雷射器在室溫下高效工作的可行性。2015年，相干在技術上取得突破，使新一級別高功率CO雷射器具有跟之前推出的板條激勵CO2雷射器類似的壽命、可靠性和維護特性，開啟了一些潛在的應用可能性。

相干公司現在可提供幾乎所有與CO2雷射器一致的CO版本

在過去的幾年裡，EOS和相干公司一直在合作研究利用CO雷射進行聚合物燒結的可能性。使用CO雷射代替CO2雷射的動機有兩方面。首先，在孔徑和焦距相同的情況下，CO雷射的聚焦光斑尺寸約為CO2雷射的1/2，因此可以提高器件的解析度。第二，CO雷射具有更高的功率密度，這使得可以用更快的掃描速度提高生產效率。到目前為止，EOS一直在利用C-55-5 CO雷射器探索這些潛在的製造優勢，初步測試的結果非常優異。

▌採用CO雷射進行燒結具有更高的細節表現

在今年2月舉辦的高功率雷射材料加工會議上，相干公司展示了EOS採用CO雷射器3D列印的零件效果。從複雜零件的列印效果來看，CO雷射的聚焦光斑可以實現非常高的細節展現，表面光滑度也得到改善。而對兩種雷射列印的服裝結構進行放大觀察，也可以發現CO雷射可製造更加細小的結構，從而有可能製造出更舒適、更高級的服裝。

a. EOS採用CO雷射列印的複雜零件；b. 兩種雷射列印的零件表面光滑度比較

採用兩種雷射分別列印服裝結構（網格尺寸不同）

EOS將採用CO雷射的燒結技術稱之為FINE DETAIL RESOLUTION，即FDR 3D列印技術。EOS聚合物事業部高級副總裁Tim Rüttermann博士解釋說：「這項新技術將結合兩個方面的優勢——立體光刻（SLA）的精細解析度與選擇性雷射燒結（SLS）的耐用性和質量。」已公開的數據顯示，該技術可以列印最小壁厚為0.22 mm的精緻而堅固的聚合物零件，它將為批量生產開啟更多新的應用，對於高分子加工行業也將迎來更廣泛的應用空間。

FDR技術3D列印的零件

目前，FDR工藝配備了一臺 50 瓦的CO雷射器，由于波長、光斑和吸收率的差異，所有的工藝參數需要重新調試。該工藝已通過PA 1101的測試和認證，列印過程中的層厚度為40或60μm，零件具有很高的抗衝擊性和斷裂延伸率。EOS也正在為FDR技術開拓新應用，例如過濾器單元、流體通道、插頭以及電子產品組件等。

使用FDR技術3D列印的插頭（左）和閥門（右）

3D列印創新形式的改變

從去年的LaserProFusion 技術到今年的FDR技術，我們不得不說EOS在持續引領行業創新。LaserProFusion技術旨在最大限度提高生產率，同時注重產品的質量，可以在許多應用中替代注塑工藝；FDR技術則提高了產品的細節展現力和應用等級，打開了SLS技術的高檔次應用場景。

從近兩年的創新形式來看，設備商除了把印表機做大，還正在變換傳統意義上的成型方式。這不僅僅包括正在風靡的噴墨成型和材料噴射技術，也包括我們今天提到的更換主能量來源，SLS可以從CO2雷射器更換至CO雷射器，SLM也在嘗試將傳統的光纖雷射更換為綠雷射以適應純銅材料的列印。創新形式豐富多變，國內也許跟緊步伐。

本期上傳資料：

1.CO雷射器和CO2雷射器的性能對比，進行3D列印等加工對比分析等詳細PDF文本。

2.高聚物、陶瓷、玻璃與雷射加工PDF文本

3.formnext展會EOS 47分鐘新產品介紹視頻（含字幕）

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