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新型技術(shù)或可實(shí)現(xiàn)3D打印的技術(shù)革命

發(fā)布:cyqdesign 2017-05-31 15:41 閱讀:1514

如圖所示是,為美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置所開發(fā)的采用高性能的激光二極管陣列和一個(gè)專門的激光調(diào)制器,研究人員可以實(shí)現(xiàn)3D打印大型金屬物體,根據(jù)美國(guó)研究人員的一項(xiàng)新研究,如今3D打印市場(chǎng)上正需要這樣的設(shè)備。

根據(jù)一項(xiàng)由勞倫斯摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的最新技術(shù),一項(xiàng)最初美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)順利開發(fā)的高功率激光束模式可用于金屬物體的3D打印,且其金屬物體的打印速度比以往任何時(shí)候都要快。

一組實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家在最新一期的《光學(xué)快報(bào)》雜志上發(fā)表了這一最新研究發(fā)現(xiàn)。這是一種基于二極管添加劑制造工藝(DiAM)的新方法,即采用大功率激光二極管陣列、調(diào)Q激光器和美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置開發(fā)的一次可打印一層金屬粉末的專門研制出的激光調(diào)制器,與傳統(tǒng)的基于激光粉末融合添加劑制造(PBFAM)系統(tǒng)不同的是,這種裝置不再是在各層進(jìn)行激光掃描。

研究者們說,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)在只需今天市場(chǎng)上的金屬3-D打印機(jī)所需金屬的一小部分便可以打印出體積較大的金屬物體,擴(kuò)大了工業(yè)上需要更大的金屬部件(如航空航天和汽車)的應(yīng)用可能性。小組得出結(jié)論,這種裝置的打印速度的靈活性和質(zhì)量相結(jié)合,通過與二極管添加劑制造工藝相結(jié)合,其效率“遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出”目前的粉床融合為基礎(chǔ)的打印系統(tǒng)。

“通過減少打印時(shí)間并提高打印尺寸,這個(gè)過程可以改變金屬添加劑制造,” Ibo Matthews說,他是美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一名科學(xué)家,并且是文章的第一作者。“節(jié)省了所用激光時(shí)間,我們估算一立方米的金屬打印,將需要10年的光柵掃描過程,而利用二極管添加劑制造工藝只需要幾個(gè)小時(shí),因?yàn)槟憧梢园凑請(qǐng)D樣實(shí)現(xiàn)每一層一次的打印。用灰度圖像打印也可以讓你減少殘余應(yīng)力,因?yàn)槟憧梢哉{(diào)整空間和時(shí)間上的熱應(yīng)力。”

Matthews說這是一個(gè)“神奇”的過程,這就一個(gè)定制的激光調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了稱為光學(xué)尋址光閥(OALV),其中包含一系列液晶和光電晶體。就像一個(gè)基于液晶投影儀,研究人員解釋說,這個(gè)光學(xué)尋址光閥可用于基于大功率激光根據(jù)預(yù)編程的圖樣實(shí)現(xiàn)一層一層金屬打印。但不同于傳統(tǒng)的液晶投影機(jī),這一光學(xué)尋址光閥不是基于像素的且能夠處理高功率的激光。

該技術(shù)最初被設(shè)計(jì)是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置試驗(yàn)計(jì)劃LEOPARD的一個(gè)部分,即由精密調(diào)整輻射分布的激光能量優(yōu)化系統(tǒng),它曾在2010年開始部署并在贏得了2012年度 R&D 100大獎(jiǎng)。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的光學(xué)尋址光閥可用于激光束的配置和局部陰影和高強(qiáng)度能量密度光學(xué)保護(hù)(能量密度,即對(duì)于一個(gè)給定的單位面積的激光能量)優(yōu)化。

在LEOPARD計(jì)劃中,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置電子保護(hù)了其光束,特別是那光學(xué)區(qū)中具有潛在缺陷的危險(xiǎn)區(qū)域,并最終由光學(xué)損傷檢驗(yàn)鑒定(FODI)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。這使美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置系統(tǒng)能夠持續(xù)工作直到計(jì)劃允許那些光學(xué)設(shè)備停止或修復(fù)和重新開啟光束。

研究團(tuán)隊(duì)首次證明了光閥可用于印刷部分,最初是由前美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員James DeMuth、John Heebner提出的,國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)光學(xué)尋址光閥的研究,并發(fā)展到了金屬3D打印技術(shù)作為一種“自然而然的協(xié)同使用。”

“二極管添加劑制造工藝項(xiàng)目結(jié)合了兩種技術(shù),我們率先在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)高功率激光二極管陣列和光學(xué)尋址光閥,”Heebner說!拌b于我們花費(fèi)了很多時(shí)間實(shí)現(xiàn)了光閥的發(fā)展,使它成為一個(gè)自然的延伸,并適用于這個(gè)項(xiàng)目。我們進(jìn)行了一些計(jì)算,從一開始就很清楚它會(huì)實(shí)現(xiàn)什么樣的工作—3D打印。改變一個(gè)串行進(jìn)程到并行過程的能力是至關(guān)重要的,以確保隨著零件的復(fù)雜性或大小的增加,圖案過程的速度可以增加趕上!

除了具有可能制造較大的零件的能力,使用這種閥門所具有的成像質(zhì)量,可能會(huì)超過今天的金屬3D打印機(jī),并在投影圖像微調(diào)梯度的能力上意味著更好地控制殘余應(yīng)力和材料的微觀結(jié)構(gòu),研究人員說。

利用二極管添加劑制造工藝實(shí)現(xiàn)打印,激光光源是由一組四個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列和納秒脈沖激光組成。它通過光學(xué)尋址光閥,實(shí)現(xiàn)所需制造零件三維圖像的二維“切片”。圖像從數(shù)字計(jì)算機(jī)文件到激光是兩個(gè)液晶調(diào)制過程。在第一階段,圖像來源于一個(gè)數(shù)字化的CAD模型并印制在一個(gè)低功耗的藍(lán)色LED光源中,這個(gè)光源使用一個(gè)普通的像素化的液晶投影機(jī)。

在第二階段,藍(lán)色圖像激活光學(xué)尋址光閥的光導(dǎo)層創(chuàng)建局部導(dǎo)電片(藍(lán)色的光出現(xiàn)在傳輸電壓)的液晶層。這使得低功率藍(lán)色圖像可調(diào)制高功率激光束。然后,該光束被引導(dǎo)到一個(gè)構(gòu)建平面上,一次打印出整個(gè)金屬層。在這項(xiàng)研究中,研究人員使用錫粉末,成功地展示了兩個(gè)小三維模型的印刷,一個(gè)葉輪(小渦輪葉片結(jié)構(gòu)),一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)志。

目前,加快金屬添加劑的過程是在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)研究的主要驅(qū)動(dòng)力,更大的制造規(guī)模是實(shí)驗(yàn)室的核心使命,研究人員說。與脈沖激光系統(tǒng)相比,激光二極管提供的能量也很便宜,所以這樣的系統(tǒng)比當(dāng)今市場(chǎng)上的光纖激光器更具成本效益。

原文來源:https://phys.org/news/2017-05-technology-revolutionize-d.html,實(shí)驗(yàn)幫譯。

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