Sintratec的激光光斑尺寸是實(shí)現卓越打印分辨率的關(guān)鍵
發(fā)布時(shí)間：2024/04/28
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【概要描述】 Sintratec的高精度激光具有更小的光斑尺寸，可在SLS 3D打印中實(shí)現卓越的打印分辨率和更精細的細節。
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選擇性激光燒結（SLS）3D打印被認為是增材制造中最可靠和最具生產(chǎn)力的形式之一。[1]最近，硬件方面的進(jìn)步進(jìn)一步改善了SLS印刷，實(shí)現了更好的表面加工質(zhì)量和可達到的精細細節水平。
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在辛特拉泰克作為專(zhuān)業(yè)SLS系統的瑞士制造商，這些進(jìn)步是以高精度激光的形式出現的，其光斑尺寸明顯小于其他入門(mén)級SLS系統。這使得Sintratec在其SLS平臺上實(shí)現了無(wú)與倫比的打印分辨率和特征尺寸。在本文中，我們將了解什么是激光光斑尺寸，它如何影響打印分辨率，以及Sintratec的技術(shù)如何為SLS用戶(hù)帶來(lái)新的機遇。
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激光光斑尺寸的科學(xué)
選擇性激光燒結是一種增材制造技術(shù)，通過(guò)使用激光燒結粉末材料來(lái)制造零件。該過(guò)程從在構建平臺上沉積一薄層聚合物粉末開(kāi)始。然后，高能激光選擇性地掃描表面，根據正在制造的零件的橫截面幾何形狀熔化和熔合粉末。完成一個(gè)打印層后，構建平臺逐漸下降，新的粉末層在表面上鋪開(kāi)，重復燒結過(guò)程。這種一層一層的方法一直持續到零件完成。[2]
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雖然在SLS過(guò)程中可以使用不同類(lèi)型的激光器，但最常用的一種是光纖激光器。這些激光器通過(guò)二極管產(chǎn)生光，將能量注入摻有稀土元素（如鐿）的光纜。產(chǎn)生的光通常具有約1，060 nm的波長(cháng)，這在金屬和某些聚合物中提供了高吸收率。這一特性使得光纖激光器對于聚合物和金屬粉末的精確熔化非常有效。SLS中光纖激光器的優(yōu)勢包括其出色的光束質(zhì)量、能效和最低維護要求。[3]
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在SLS印刷中評估激光性能時(shí)，激光光斑尺寸是最重要的規格之一。簡(jiǎn)而言之，激光光斑尺寸（也稱(chēng)為激光束直徑）被定義為激光可以通過(guò)透鏡聚焦到的最小直徑。激光光斑尺寸如此重要的一個(gè)主要原因是它直接影響激光能量密度，而激光能量密度通過(guò)影響熔池尺寸、穿透粉末層的深度和最終產(chǎn)品的整體分辨率來(lái)決定燒結零件的精度和質(zhì)量。激光能量密度定義為[4]
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其中:
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E?是激光能量密度（J/cm^2）
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P是入射激光功率（瓦特）
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v是激光掃描速度（厘米/秒）
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δ 激光束光斑尺寸（厘米）
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激光光斑尺寸本身可以用幾種不同的方法定義和計算，但是在SLS打印機中，光斑尺寸通常由半峰全寬（FWHM）定義。從本質(zhì)上講，FWHM通過(guò)測量強度曲線(xiàn)（光強與位置的關(guān)系圖）上強度下降到峰值一半的兩點(diǎn)之間的距離來(lái)量化光束的擴散或發(fā)散。[5]
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影響激光束光斑大小的變量有很多。假設一個(gè)理想的高斯光束，它的束寬隨著(zhù)它沿軸的傳播而變化。因此，焦距處的光斑尺寸由焦距本身、高斯光束的最小半徑（即束腰）和光束的波長(cháng)決定?；诖?，光斑尺寸在數學(xué)上定義為[6]
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其中:
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f就是焦距。
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濾水器(Water Filter)是光束半徑焦距（即光斑尺寸）
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λ是激光波長(cháng)
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w?是梁腰
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圖1:激光沿其軸線(xiàn)的傳播。
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最終，激光光斑尺寸是影響打印組件分辨率以及密度、強度和最小特征尺寸等屬性的重要因素。從本質(zhì)上講，SLS 3D打印機可以實(shí)現的細節程度由激光光斑尺寸決定，最小特征尺寸通常對應于激光光斑尺寸。
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激光光斑尺寸對打印質(zhì)量的影響
當我們專(zhuān)門(mén)討論3D打印的分辨率時(shí)，需要考慮兩種分辨率:Z分辨率和XY分辨率。z分辨率是垂直分辨率，取決于打印的層厚（即重新涂覆器可以將每個(gè)新的粉末材料層涂得多細）。XY分辨率是指打印的水平分辨率，受激光光斑大小和激光移動(dòng)精度的影響。[7]
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因此，較小的激光光斑尺寸直接對應于較高的XY打印分辨率，并使用戶(hù)能夠將非常精細的細節和復雜的特征集成到他們的3D打印中。具有較小激光光斑的SLS 3D打印機也更適合打印具有優(yōu)異表面光潔度的零件。較小的激光光斑尺寸已被證明可降低層線(xiàn)高度，從而使印刷物體的層線(xiàn)更不明顯、表面更光滑、細節更精細。[8]
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研究發(fā)現，較小的激光光斑尺寸顯著(zhù)提高了印刷軌跡的幾何精度。[9]其中一個(gè)原因是，小光斑尺寸可以精確控制熔體軌跡的尺寸，包括其寬度、高度和深度。作為這一過(guò)程的一部分，較小的光斑尺寸使熔體軌跡周?chē)臒嵊绊憛^最小化，從而減少了可能損害最終產(chǎn)品機械完整性的熱變形和殘余應力。
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調整激光功率和掃描速度可以顯著(zhù)影響這些參數，從而創(chuàng )建更平滑的表面和更清晰的軌跡邊緣。精確的參數控制有助于保持穩定的熔池動(dòng)態(tài)，這對于最大限度地減少降低印刷質(zhì)量的缺陷（如孔隙和孔眼形成）至關(guān)重要。
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Sintratec的獨特銷(xiāo)售主張（USP）
Sintratec非常重視SLS打印機的激光光斑尺寸。該公司的機器擁有當今SLS 3D打印市場(chǎng)上最精細的激光光斑直徑和分辨率。該公司為其全材料平臺Sintratec S3開(kāi)發(fā)的最新聚變模塊配備了30瓦光纖激光器，聚焦光斑尺寸僅為145 μm .配備10瓦光纖激光器的S2具有相同的激光光斑尺寸。
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Sintratec的激光光斑直徑遠小于市場(chǎng)上許多其他SLS平臺。這為其技術(shù)在航空航天和電子等行業(yè)的應用開(kāi)辟了道路，這些行業(yè)不僅需要高產(chǎn)量和工藝一致性，還需要高分辨率和零件精度。您可以在下面找到一些領(lǐng)先的SLS系統的比較:
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SLS 3D打印機
激光光斑尺寸（微米）
S3和S2
微米145號[10]
Prodways Promaker P1000
微米450號[11]
辛特里特·麗莎十世
微米650號[12]
Formlabs保險絲1
200微米[13]
現實(shí)世界的應用和優(yōu)勢
各行業(yè)的采用者已經(jīng)從Sintratec的高分辨率SLS解決方案中獲益。在全球范圍內，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員、工程師和研究人員利用其瑞士制造的系統來(lái)創(chuàng )建精確的功能原型，這些原型不僅與最終零件的精確尺寸和形狀非常匹配，而且還與它們的機械性能非常匹配。該應用程序大大加快了設計驗證和原型測試的速度，使用戶(hù)能夠快速自信地進(jìn)入批量生產(chǎn)。
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孔塔克-西蒙公司作為一家主要的電氣安裝設備制造商，自2022年以來(lái)一直在使用Sintratec S2為電氣行業(yè)制造復雜的高精度原型。在這種應用中，Sintratec光纖激光系統的精度至關(guān)重要，因為打印零件用于在進(jìn)入全面生產(chǎn)之前驗證幾何形狀和組件。Sintratec印刷的高質(zhì)量表面光潔度以及生產(chǎn)具有精細細節的復雜形狀的能力對Kontakt-Simon來(lái)說(shuō)非常重要，因為電氣外殼和組件不僅必須適合其內不同幾何形狀的電氣組件，而且還必須完美地適合更大的組件。當被問(wèn)及S2的主要優(yōu)勢時(shí)，Kontakt-Simon技術(shù)部門(mén)負責人托馬斯·維爾克列出了“復雜的幾何形狀、薄的壁、高美觀(guān)性和準確性、強大的強度以及零件各軸的同質(zhì)性?！?br/>
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瑞士窗戶(hù)制造商埃什巴爾還集成了Sintratec S2，用于多種最終用途，包括原型制作、模具和小批量生產(chǎn)零件。與Kontakt-Simon一樣，該公司重視該技術(shù)打印與注塑零件特性緊密匹配的零件的能力?！皩τ赟LS工藝，高達0.1毫米的公差和表面質(zhì)量給我們留下了特別深刻的印象，”Eschbal技術(shù)部成員Michael Ebn? ther評論道。對于工具和最終使用的零件，機械性能至關(guān)重要。例如，Eschbal通過(guò)SLS 3D打印優(yōu)化了一個(gè)連接器組件，使最終零件的重量減輕了33%。
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案例研究?jì)H代表了Sintratec高分辨率3D打印機使用方式的一小部分。你可以找到更多客戶(hù)故事給你。
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結論
總的來(lái)說(shuō)，激光光斑尺寸是SLS難題的重要組成部分，會(huì )影響分辨率等打印屬性。通過(guò)專(zhuān)注于激光光斑尺寸的精度，Sintratec在更廣泛的SLS市場(chǎng)中為自己開(kāi)辟了一個(gè)位置，以滿(mǎn)足要求高打印精度和精細細節的應用。結合SLS出色的吞吐量和一致性，實(shí)現更小功能并最終獲得更高質(zhì)量打印的能力將該技術(shù)提升到了另一個(gè)水平。
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參考
1.Awad A、Fina F、Goyanes A、Gaisford S、Basit AW。3D打印:選擇性激光燒結的原理和藥物應用。國際制藥。2020年8月30日；586:119594.doi:10.1016/j . ijp harm . 2020.119594 . Epub 2020年7月2日。PMID: 32622811。
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2.David L. Bourell、Trevor J. Watt、David K. Leigh、Ben Fulcher，聚合物激光燒結的性能限制，物理學(xué)進(jìn)展，第56卷，2014年，第147-156頁(yè)，國際刊號1875-3892，https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.157.
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3.遼、海、樂(lè )、山、龍、DV?！坝迷囼炘O計方法優(yōu)化雙金屬粉末的選擇性光纖激光燒結?！癆SME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )會(huì )議錄。ASME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )。美國密蘇里州圣路易斯。2012年6月18日至20日。第475-482頁(yè)。ASME。https://doi.org/10.1115/ISFA2012-7232
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4.呂麗蓮、傅俊輝、黃友生（2001）。選擇性激光燒結。激光誘導快速成型材料和工藝。馬薩諸塞州波士頓斯普林格。https://doi.org/10.1007/978-1-4615-1469-5_5
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5.J. Chalupsk、J. Krzywinski、L. Juha、V. Hájková、J. Cihelka、T. Burian、l . Vyín、J. Gaudin、A. Gleeson、M. Jurek、A. Khorsand、D. Klinger、H. Wabnitz、R. Sobierajski、m . strmer、K. Tiedtke和S. Toleikis，“聚焦非高斯X射線(xiàn)激光束的光斑尺寸表征”，Opt .快遞18，27836-27845 (2010)。
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6.Oz Livneh，Gadi Afek和Nir Davidson，“用二元軸棱錐產(chǎn)生有效的、準直的薄環(huán)形光束”，應用光學(xué)。57, 3205-3208 (2018)
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7.安凱塔·詹德?tīng)?、伊克希塔·查圖維迪、伊?？āね啐R爾、安庫什·劉冰、米爾·伊爾凡·烏爾·哈克,《3D打印——工業(yè)4.0中的工藝、材料和應用回顧》,《可持續運營(yíng)和計算機》,第3卷，2022年，第33-42頁(yè)，ISSN 2666 4127。https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004.
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8.M. Launhardt，a . wrz，A. Loderer，T. Laumer，D. Drummer，T. Hausotte，M. Schmidt，用各種測量技術(shù)檢測SLS零件的表面粗糙度，https://www . science direct . com/science/article/ABS/pii/s 0142941816302057
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9.Vaglio E，De Monte T，Lanzutti A，Totis G，Sortino M，Fedrizzi L .用小激光光斑直徑選擇性激光熔化Ti6Al4V獲得的單徑跡數據。數據簡(jiǎn)介。2020年10月22日；33:106443.doi:10.1016/j . DIB . 2020.106443 . PMID:33195769；PMCID: PMC7642809。
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10. https://sintratec.com/sls-3d-printer/amp/sintratec-s2/
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11. https://www . prodways . com/WP-content/uploads/2021/09/ProMaker-p 1000-Series-EN-v 19 . 08 . 2021 . pdf
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12.https://www . 3D-printer . com/3D _ Printers/Sinte
Sintratec的激光光斑尺寸是實(shí)現卓越打印分辨率的關(guān)鍵
【概要描述】 Sintratec的高精度激光具有更小的光斑尺寸，可在SLS 3D打印中實(shí)現卓越的打印分辨率和更精細的細節。
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選擇性激光燒結（SLS）3D打印被認為是增材制造中最可靠和最具生產(chǎn)力的形式之一。[1]最近，硬件方面的進(jìn)步進(jìn)一步改善了SLS印刷，實(shí)現了更好的表面加工質(zhì)量和可達到的精細細節水平。
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在辛特拉泰克作為專(zhuān)業(yè)SLS系統的瑞士制造商，這些進(jìn)步是以高精度激光的形式出現的，其光斑尺寸明顯小于其他入門(mén)級SLS系統。這使得Sintratec在其SLS平臺上實(shí)現了無(wú)與倫比的打印分辨率和特征尺寸。在本文中，我們將了解什么是激光光斑尺寸，它如何影響打印分辨率，以及Sintratec的技術(shù)如何為SLS用戶(hù)帶來(lái)新的機遇。
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激光光斑尺寸的科學(xué)
選擇性激光燒結是一種增材制造技術(shù)，通過(guò)使用激光燒結粉末材料來(lái)制造零件。該過(guò)程從在構建平臺上沉積一薄層聚合物粉末開(kāi)始。然后，高能激光選擇性地掃描表面，根據正在制造的零件的橫截面幾何形狀熔化和熔合粉末。完成一個(gè)打印層后，構建平臺逐漸下降，新的粉末層在表面上鋪開(kāi)，重復燒結過(guò)程。這種一層一層的方法一直持續到零件完成。[2]
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雖然在SLS過(guò)程中可以使用不同類(lèi)型的激光器，但最常用的一種是光纖激光器。這些激光器通過(guò)二極管產(chǎn)生光，將能量注入摻有稀土元素（如鐿）的光纜。產(chǎn)生的光通常具有約1，060 nm的波長(cháng)，這在金屬和某些聚合物中提供了高吸收率。這一特性使得光纖激光器對于聚合物和金屬粉末的精確熔化非常有效。SLS中光纖激光器的優(yōu)勢包括其出色的光束質(zhì)量、能效和最低維護要求。[3]
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在SLS印刷中評估激光性能時(shí)，激光光斑尺寸是最重要的規格之一。簡(jiǎn)而言之，激光光斑尺寸（也稱(chēng)為激光束直徑）被定義為激光可以通過(guò)透鏡聚焦到的最小直徑。激光光斑尺寸如此重要的一個(gè)主要原因是它直接影響激光能量密度，而激光能量密度通過(guò)影響熔池尺寸、穿透粉末層的深度和最終產(chǎn)品的整體分辨率來(lái)決定燒結零件的精度和質(zhì)量。激光能量密度定義為[4]
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其中:
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E?是激光能量密度（J/cm^2）
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P是入射激光功率（瓦特）
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v是激光掃描速度（厘米/秒）
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δ 激光束光斑尺寸（厘米）
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激光光斑尺寸本身可以用幾種不同的方法定義和計算，但是在SLS打印機中，光斑尺寸通常由半峰全寬（FWHM）定義。從本質(zhì)上講，FWHM通過(guò)測量強度曲線(xiàn)（光強與位置的關(guān)系圖）上強度下降到峰值一半的兩點(diǎn)之間的距離來(lái)量化光束的擴散或發(fā)散。[5]
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影響激光束光斑大小的變量有很多。假設一個(gè)理想的高斯光束，它的束寬隨著(zhù)它沿軸的傳播而變化。因此，焦距處的光斑尺寸由焦距本身、高斯光束的最小半徑（即束腰）和光束的波長(cháng)決定?；诖?，光斑尺寸在數學(xué)上定義為[6]
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f就是焦距。
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濾水器(Water Filter)是光束半徑焦距（即光斑尺寸）
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λ是激光波長(cháng)
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w?是梁腰
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圖1:激光沿其軸線(xiàn)的傳播。
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最終，激光光斑尺寸是影響打印組件分辨率以及密度、強度和最小特征尺寸等屬性的重要因素。從本質(zhì)上講，SLS 3D打印機可以實(shí)現的細節程度由激光光斑尺寸決定，最小特征尺寸通常對應于激光光斑尺寸。
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激光光斑尺寸對打印質(zhì)量的影響
當我們專(zhuān)門(mén)討論3D打印的分辨率時(shí)，需要考慮兩種分辨率:Z分辨率和XY分辨率。z分辨率是垂直分辨率，取決于打印的層厚（即重新涂覆器可以將每個(gè)新的粉末材料層涂得多細）。XY分辨率是指打印的水平分辨率，受激光光斑大小和激光移動(dòng)精度的影響。[7]
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因此，較小的激光光斑尺寸直接對應于較高的XY打印分辨率，并使用戶(hù)能夠將非常精細的細節和復雜的特征集成到他們的3D打印中。具有較小激光光斑的SLS 3D打印機也更適合打印具有優(yōu)異表面光潔度的零件。較小的激光光斑尺寸已被證明可降低層線(xiàn)高度，從而使印刷物體的層線(xiàn)更不明顯、表面更光滑、細節更精細。[8]
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研究發(fā)現，較小的激光光斑尺寸顯著(zhù)提高了印刷軌跡的幾何精度。[9]其中一個(gè)原因是，小光斑尺寸可以精確控制熔體軌跡的尺寸，包括其寬度、高度和深度。作為這一過(guò)程的一部分，較小的光斑尺寸使熔體軌跡周?chē)臒嵊绊憛^最小化，從而減少了可能損害最終產(chǎn)品機械完整性的熱變形和殘余應力。
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調整激光功率和掃描速度可以顯著(zhù)影響這些參數，從而創(chuàng )建更平滑的表面和更清晰的軌跡邊緣。精確的參數控制有助于保持穩定的熔池動(dòng)態(tài)，這對于最大限度地減少降低印刷質(zhì)量的缺陷（如孔隙和孔眼形成）至關(guān)重要。
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Sintratec的獨特銷(xiāo)售主張（USP）
Sintratec非常重視SLS打印機的激光光斑尺寸。該公司的機器擁有當今SLS 3D打印市場(chǎng)上最精細的激光光斑直徑和分辨率。該公司為其全材料平臺Sintratec S3開(kāi)發(fā)的最新聚變模塊配備了30瓦光纖激光器，聚焦光斑尺寸僅為145 μm .配備10瓦光纖激光器的S2具有相同的激光光斑尺寸。
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Sintratec的激光光斑直徑遠小于市場(chǎng)上許多其他SLS平臺。這為其技術(shù)在航空航天和電子等行業(yè)的應用開(kāi)辟了道路，這些行業(yè)不僅需要高產(chǎn)量和工藝一致性，還需要高分辨率和零件精度。您可以在下面找到一些領(lǐng)先的SLS系統的比較:
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SLS 3D打印機
激光光斑尺寸（微米）
S3和S2
微米145號[10]
Prodways Promaker P1000
微米450號[11]
辛特里特·麗莎十世
微米650號[12]
Formlabs保險絲1
200微米[13]
現實(shí)世界的應用和優(yōu)勢
各行業(yè)的采用者已經(jīng)從Sintratec的高分辨率SLS解決方案中獲益。在全球范圍內，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員、工程師和研究人員利用其瑞士制造的系統來(lái)創(chuàng )建精確的功能原型，這些原型不僅與最終零件的精確尺寸和形狀非常匹配，而且還與它們的機械性能非常匹配。該應用程序大大加快了設計驗證和原型測試的速度，使用戶(hù)能夠快速自信地進(jìn)入批量生產(chǎn)。
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孔塔克-西蒙公司作為一家主要的電氣安裝設備制造商，自2022年以來(lái)一直在使用Sintratec S2為電氣行業(yè)制造復雜的高精度原型。在這種應用中，Sintratec光纖激光系統的精度至關(guān)重要，因為打印零件用于在進(jìn)入全面生產(chǎn)之前驗證幾何形狀和組件。Sintratec印刷的高質(zhì)量表面光潔度以及生產(chǎn)具有精細細節的復雜形狀的能力對Kontakt-Simon來(lái)說(shuō)非常重要，因為電氣外殼和組件不僅必須適合其內不同幾何形狀的電氣組件，而且還必須完美地適合更大的組件。當被問(wèn)及S2的主要優(yōu)勢時(shí)，Kontakt-Simon技術(shù)部門(mén)負責人托馬斯·維爾克列出了“復雜的幾何形狀、薄的壁、高美觀(guān)性和準確性、強大的強度以及零件各軸的同質(zhì)性?！?br/>
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瑞士窗戶(hù)制造商埃什巴爾還集成了Sintratec S2，用于多種最終用途，包括原型制作、模具和小批量生產(chǎn)零件。與Kontakt-Simon一樣，該公司重視該技術(shù)打印與注塑零件特性緊密匹配的零件的能力?！皩τ赟LS工藝，高達0.1毫米的公差和表面質(zhì)量給我們留下了特別深刻的印象，”Eschbal技術(shù)部成員Michael Ebn? ther評論道。對于工具和最終使用的零件，機械性能至關(guān)重要。例如，Eschbal通過(guò)SLS 3D打印優(yōu)化了一個(gè)連接器組件，使最終零件的重量減輕了33%。
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案例研究?jì)H代表了Sintratec高分辨率3D打印機使用方式的一小部分。你可以找到更多客戶(hù)故事給你。
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結論
總的來(lái)說(shuō)，激光光斑尺寸是SLS難題的重要組成部分，會(huì )影響分辨率等打印屬性。通過(guò)專(zhuān)注于激光光斑尺寸的精度，Sintratec在更廣泛的SLS市場(chǎng)中為自己開(kāi)辟了一個(gè)位置，以滿(mǎn)足要求高打印精度和精細細節的應用。結合SLS出色的吞吐量和一致性，實(shí)現更小功能并最終獲得更高質(zhì)量打印的能力將該技術(shù)提升到了另一個(gè)水平。
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參考
1.Awad A、Fina F、Goyanes A、Gaisford S、Basit AW。3D打印:選擇性激光燒結的原理和藥物應用。國際制藥。2020年8月30日；586:119594.doi:10.1016/j . ijp harm . 2020.119594 . Epub 2020年7月2日。PMID: 32622811。
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2.David L. Bourell、Trevor J. Watt、David K. Leigh、Ben Fulcher，聚合物激光燒結的性能限制，物理學(xué)進(jìn)展，第56卷，2014年，第147-156頁(yè)，國際刊號1875-3892，https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.157.
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3.遼、海、樂(lè )、山、龍、DV?！坝迷囼炘O計方法優(yōu)化雙金屬粉末的選擇性光纖激光燒結?！癆SME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )會(huì )議錄。ASME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )。美國密蘇里州圣路易斯。2012年6月18日至20日。第475-482頁(yè)。ASME。https://doi.org/10.1115/ISFA2012-7232
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4.呂麗蓮、傅俊輝、黃友生（2001）。選擇性激光燒結。激光誘導快速成型材料和工藝。馬薩諸塞州波士頓斯普林格。https://doi.org/10.1007/978-1-4615-1469-5_5
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5.J. Chalupsk、J. Krzywinski、L. Juha、V. Hájková、J. Cihelka、T. Burian、l . Vyín、J. Gaudin、A. Gleeson、M. Jurek、A. Khorsand、D. Klinger、H. Wabnitz、R. Sobierajski、m . strmer、K. Tiedtke和S. Toleikis，“聚焦非高斯X射線(xiàn)激光束的光斑尺寸表征”，Opt .快遞18，27836-27845 (2010)。
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6.Oz Livneh，Gadi Afek和Nir Davidson，“用二元軸棱錐產(chǎn)生有效的、準直的薄環(huán)形光束”，應用光學(xué)。57, 3205-3208 (2018)
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7.安凱塔·詹德?tīng)?、伊克希塔·查圖維迪、伊?？āね啐R爾、安庫什·劉冰、米爾·伊爾凡·烏爾·哈克,《3D打印——工業(yè)4.0中的工藝、材料和應用回顧》,《可持續運營(yíng)和計算機》,第3卷，2022年，第33-42頁(yè)，ISSN 2666 4127。https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004.
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8.M. Launhardt，a . wrz，A. Loderer，T. Laumer，D. Drummer，T. Hausotte，M. Schmidt，用各種測量技術(shù)檢測SLS零件的表面粗糙度，https://www . science direct . com/science/article/ABS/pii/s 0142941816302057
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9.Vaglio E，De Monte T，Lanzutti A，Totis G，Sortino M，Fedrizzi L .用小激光光斑直徑選擇性激光熔化Ti6Al4V獲得的單徑跡數據。數據簡(jiǎn)介。2020年10月22日；33:106443.doi:10.1016/j . DIB . 2020.106443 . PMID:33195769；PMCID: PMC7642809。
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- 分類(lèi)： 教育訓練
- 發(fā)布時(shí)間：2024-04-28 13:25
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Sintratec的高精度激光具有更小的光斑尺寸，可在SLS 3D打印中實(shí)現卓越的打印分辨率和更精細的細節。
選擇性激光燒結（SLS）3D打印被認為是增材制造中最可靠和最具生產(chǎn)力的形式之一。[1]最近，硬件方面的進(jìn)步進(jìn)一步改善了SLS印刷，實(shí)現了更好的表面加工質(zhì)量和可達到的精細細節水平。
在辛特拉泰克作為專(zhuān)業(yè)SLS系統的瑞士制造商，這些進(jìn)步是以高精度激光的形式出現的，其光斑尺寸明顯小于其他入門(mén)級SLS系統。這使得Sintratec在其SLS平臺上實(shí)現了無(wú)與倫比的打印分辨率和特征尺寸。在本文中，我們將了解什么是激光光斑尺寸，它如何影響打印分辨率，以及Sintratec的技術(shù)如何為SLS用戶(hù)帶來(lái)新的機遇。
激光光斑尺寸的科學(xué)
選擇性激光燒結是一種增材制造技術(shù)，通過(guò)使用激光燒結粉末材料來(lái)制造零件。該過(guò)程從在構建平臺上沉積一薄層聚合物粉末開(kāi)始。然后，高能激光選擇性地掃描表面，根據正在制造的零件的橫截面幾何形狀熔化和熔合粉末。完成一個(gè)打印層后，構建平臺逐漸下降，新的粉末層在表面上鋪開(kāi)，重復燒結過(guò)程。這種一層一層的方法一直持續到零件完成。[2]
雖然在SLS過(guò)程中可以使用不同類(lèi)型的激光器，但最常用的一種是光纖激光器。這些激光器通過(guò)二極管產(chǎn)生光，將能量注入摻有稀土元素（如鐿）的光纜。產(chǎn)生的光通常具有約1，060 nm的波長(cháng)，這在金屬和某些聚合物中提供了高吸收率。這一特性使得光纖激光器對于聚合物和金屬粉末的精確熔化非常有效。SLS中光纖激光器的優(yōu)勢包括其出色的光束質(zhì)量、能效和最低維護要求。[3]
在SLS印刷中評估激光性能時(shí)，激光光斑尺寸是最重要的規格之一。簡(jiǎn)而言之，激光光斑尺寸（也稱(chēng)為激光束直徑）被定義為激光可以通過(guò)透鏡聚焦到的最小直徑。激光光斑尺寸如此重要的一個(gè)主要原因是它直接影響激光能量密度，而激光能量密度通過(guò)影響熔池尺寸、穿透粉末層的深度和最終產(chǎn)品的整體分辨率來(lái)決定燒結零件的精度和質(zhì)量。激光能量密度定義為[4]
其中:
E?是激光能量密度（J/cm^2）
P是入射激光功率（瓦特）
v是激光掃描速度（厘米/秒）
δ 激光束光斑尺寸（厘米）
激光光斑尺寸本身可以用幾種不同的方法定義和計算，但是在SLS打印機中，光斑尺寸通常由半峰全寬（FWHM）定義。從本質(zhì)上講，FWHM通過(guò)測量強度曲線(xiàn)（光強與位置的關(guān)系圖）上強度下降到峰值一半的兩點(diǎn)之間的距離來(lái)量化光束的擴散或發(fā)散。[5]
影響激光束光斑大小的變量有很多。假設一個(gè)理想的高斯光束，它的束寬隨著(zhù)它沿軸的傳播而變化。因此，焦距處的光斑尺寸由焦距本身、高斯光束的最小半徑（即束腰）和光束的波長(cháng)決定?；诖?，光斑尺寸在數學(xué)上定義為[6]
其中:
f就是焦距。
濾水器(Water Filter)是光束半徑焦距（即光斑尺寸）
λ是激光波長(cháng)
w?是梁腰
圖1:激光沿其軸線(xiàn)的傳播。
最終，激光光斑尺寸是影響打印組件分辨率以及密度、強度和最小特征尺寸等屬性的重要因素。從本質(zhì)上講，SLS 3D打印機可以實(shí)現的細節程度由激光光斑尺寸決定，最小特征尺寸通常對應于激光光斑尺寸。
激光光斑尺寸對打印質(zhì)量的影響
當我們專(zhuān)門(mén)討論3D打印的分辨率時(shí)，需要考慮兩種分辨率:Z分辨率和XY分辨率。z分辨率是垂直分辨率，取決于打印的層厚（即重新涂覆器可以將每個(gè)新的粉末材料層涂得多細）。XY分辨率是指打印的水平分辨率，受激光光斑大小和激光移動(dòng)精度的影響。[7]
因此，較小的激光光斑尺寸直接對應于較高的XY打印分辨率，并使用戶(hù)能夠將非常精細的細節和復雜的特征集成到他們的3D打印中。具有較小激光光斑的SLS 3D打印機也更適合打印具有優(yōu)異表面光潔度的零件。較小的激光光斑尺寸已被證明可降低層線(xiàn)高度，從而使印刷物體的層線(xiàn)更不明顯、表面更光滑、細節更精細。[8]
研究發(fā)現，較小的激光光斑尺寸顯著(zhù)提高了印刷軌跡的幾何精度。[9]其中一個(gè)原因是，小光斑尺寸可以精確控制熔體軌跡的尺寸，包括其寬度、高度和深度。作為這一過(guò)程的一部分，較小的光斑尺寸使熔體軌跡周?chē)臒嵊绊憛^最小化，從而減少了可能損害最終產(chǎn)品機械完整性的熱變形和殘余應力。
調整激光功率和掃描速度可以顯著(zhù)影響這些參數，從而創(chuàng )建更平滑的表面和更清晰的軌跡邊緣。精確的參數控制有助于保持穩定的熔池動(dòng)態(tài)，這對于最大限度地減少降低印刷質(zhì)量的缺陷（如孔隙和孔眼形成）至關(guān)重要。
Sintratec的獨特銷(xiāo)售主張（USP）
Sintratec非常重視SLS打印機的激光光斑尺寸。該公司的機器擁有當今SLS 3D打印市場(chǎng)上最精細的激光光斑直徑和分辨率。該公司為其全材料平臺Sintratec S3開(kāi)發(fā)的最新聚變模塊配備了30瓦光纖激光器，聚焦光斑尺寸僅為145 μm .配備10瓦光纖激光器的S2具有相同的激光光斑尺寸。
Sintratec的激光光斑直徑遠小于市場(chǎng)上許多其他SLS平臺。這為其技術(shù)在航空航天和電子等行業(yè)的應用開(kāi)辟了道路，這些行業(yè)不僅需要高產(chǎn)量和工藝一致性，還需要高分辨率和零件精度。您可以在下面找到一些領(lǐng)先的SLS系統的比較:
現實(shí)世界的應用和優(yōu)勢
各行業(yè)的采用者已經(jīng)從Sintratec的高分辨率SLS解決方案中獲益。在全球范圍內，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員、工程師和研究人員利用其瑞士制造的系統來(lái)創(chuàng )建精確的功能原型，這些原型不僅與最終零件的精確尺寸和形狀非常匹配，而且還與它們的機械性能非常匹配。該應用程序大大加快了設計驗證和原型測試的速度，使用戶(hù)能夠快速自信地進(jìn)入批量生產(chǎn)。
孔塔克-西蒙公司作為一家主要的電氣安裝設備制造商，自2022年以來(lái)一直在使用Sintratec S2為電氣行業(yè)制造復雜的高精度原型。在這種應用中，Sintratec光纖激光系統的精度至關(guān)重要，因為打印零件用于在進(jìn)入全面生產(chǎn)之前驗證幾何形狀和組件。Sintratec印刷的高質(zhì)量表面光潔度以及生產(chǎn)具有精細細節的復雜形狀的能力對Kontakt-Simon來(lái)說(shuō)非常重要，因為電氣外殼和組件不僅必須適合其內不同幾何形狀的電氣組件，而且還必須完美地適合更大的組件。當被問(wèn)及S2的主要優(yōu)勢時(shí)，Kontakt-Simon技術(shù)部門(mén)負責人托馬斯·維爾克列出了“復雜的幾何形狀、薄的壁、高美觀(guān)性和準確性、強大的強度以及零件各軸的同質(zhì)性。”
瑞士窗戶(hù)制造商埃什巴爾還集成了Sintratec S2，用于多種最終用途，包括原型制作、模具和小批量生產(chǎn)零件。與Kontakt-Simon一樣，該公司重視該技術(shù)打印與注塑零件特性緊密匹配的零件的能力。“對于SLS工藝，高達0.1毫米的公差和表面質(zhì)量給我們留下了特別深刻的印象，”Eschbal技術(shù)部成員Michael Ebnö ther評論道。對于工具和最終使用的零件，機械性能至關(guān)重要。例如，Eschbal通過(guò)SLS 3D打印優(yōu)化了一個(gè)連接器組件，使最終零件的重量減輕了33%。
案例研究?jì)H代表了Sintratec高分辨率3D打印機使用方式的一小部分。你可以找到更多客戶(hù)故事給你。
結論
總的來(lái)說(shuō)，激光光斑尺寸是SLS難題的重要組成部分，會(huì )影響分辨率等打印屬性。通過(guò)專(zhuān)注于激光光斑尺寸的精度，Sintratec在更廣泛的SLS市場(chǎng)中為自己開(kāi)辟了一個(gè)位置，以滿(mǎn)足要求高打印精度和精細細節的應用。結合SLS出色的吞吐量和一致性，實(shí)現更小功能并最終獲得更高質(zhì)量打印的能力將該技術(shù)提升到了另一個(gè)水平。
參考
1.Awad A、Fina F、Goyanes A、Gaisford S、Basit AW。3D打印:選擇性激光燒結的原理和藥物應用。國際制藥。2020年8月30日；586:119594.doi:10.1016/j . ijp harm . 2020.119594 . Epub 2020年7月2日。PMID: 32622811。
2.David L. Bourell、Trevor J. Watt、David K. Leigh、Ben Fulcher，聚合物激光燒結的性能限制，物理學(xué)進(jìn)展，第56卷，2014年，第147-156頁(yè)，國際刊號1875-3892，https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.157.
3.遼、海、樂(lè )、山、龍、DV。“用試驗設計方法優(yōu)化雙金屬粉末的選擇性光纖激光燒結。“ASME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )會(huì )議錄。ASME/ISCIE 2012柔性自動(dòng)化國際研討會(huì )。美國密蘇里州圣路易斯。2012年6月18日至20日。第475-482頁(yè)。ASME。https://doi.org/10.1115/ISFA2012-7232
4.呂麗蓮、傅俊輝、黃友生（2001）。選擇性激光燒結。激光誘導快速成型材料和工藝。馬薩諸塞州波士頓斯普林格。https://doi.org/10.1007/978-1-4615-1469-5_5
5.J. Chalupsk、J. Krzywinski、L. Juha、V. Hájková、J. Cihelka、T. Burian、l . Vyín、J. Gaudin、A. Gleeson、M. Jurek、A. Khorsand、D. Klinger、H. Wabnitz、R. Sobierajski、m . strmer、K. Tiedtke和S. Toleikis，“聚焦非高斯X射線(xiàn)激光束的光斑尺寸表征”，Opt .快遞18，27836-27845 (2010)。
6.Oz Livneh，Gadi Afek和Nir Davidson，“用二元軸棱錐產(chǎn)生有效的、準直的薄環(huán)形光束”，應用光學(xué)。57, 3205-3208 (2018)
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9.Vaglio E，De Monte T，Lanzutti A，Totis G，Sortino M，Fedrizzi L .用小激光光斑直徑選擇性激光熔化Ti6Al4V獲得的單徑跡數據。數據簡(jiǎn)介。2020年10月22日；33:106443.doi:10.1016/j . DIB . 2020.106443 . PMID:33195769；PMCID: PMC7642809。
10. https://sintratec.com/sls-3d-printer/amp/sintratec-s2/
11. https://www . prodways . com/WP-content/uploads/2021/09/ProMaker-p 1000-Series-EN-v 19 . 08 . 2021 . pdf
12.https://www . 3D-printer . com/3D _ Printers/Sinterit _ Printers/Lisa-x
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普立得科技成立于2004年，專(zhuān)注于工業(yè)級3D打印機與三維掃描，同時(shí)我們也是ZEISS GOM代理商，并提供3D打印及掃描的代工整合服務(wù)，特此加值整合相關(guān)軟體，包含拓撲優(yōu)化設計 、醫療影像分析、逆向工程 、3D檢測等，期望推進(jìn)積層制造的使用習慣為生產(chǎn)帶來(lái)更多價(jià)值。
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