•    發佈時間：2024/04/28
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【概要描述】 Sintratec的高精度鐳射具有更小的光斑尺寸，可在SLS 3D列印中實現卓越的列印解析度和更精細的細節。

選擇性鐳射燒結（SLS）3D列印被認為是增材製造中最可靠和最具生產力的形式之一。[1]最近，硬體方面的進步進一步改善了SLS印刷，實現了更好的表面加工品質和可達到的精細細節水準。

 

在辛特拉泰克作為專業SLS系統的瑞士制造商，這些進步是以高精度鐳射的形式出現的，其光斑尺寸明顯小於其他入門級SLS系統。這使得Sintratec在其SLS平臺上實現了無與倫比的列印解析度和特徵尺寸。在本文中，我們將瞭解什麼是鐳射光斑尺寸，它如何影響列印解析度，以及Sintratec的技術如何為SLS用戶帶來新的機遇。

 

鐳射光斑尺寸的科學

選擇性鐳射燒結是一種增材製造技術，通過使用鐳射燒結粉末材料來製造零件。該過程從在構建平臺上沉積一薄層聚合物粉末開始。然後，高能鐳射選擇性地掃描表面，根據正在製造的零件的橫截面幾何形狀熔化和熔合粉末。完成一個列印層後，構建平臺逐漸下降，新的粉末層在表面上鋪開，重複燒結過程。這種一層一層的方法一直持續到零件完成。[2]

 

雖然在SLS過程中可以使用不同類型的雷射器，但最常用的一種是光纖雷射器。這些雷射器通過二極體產生光，將能量注入摻有稀土元素（如鐿）的光纜。產生的光通常具有約1，060 nm的波長，這在金屬和某些聚合物中提供了高吸收率。這一特性使得光纖雷射器對於聚合物和金屬粉末的精確熔化非常有效。SLS中光纖雷射器的優勢包括其出色的光束品質、能效和最低維護要求。[3]

 

在SLS印刷中評估鐳射性能時，鐳射光斑尺寸是最重要的規格之一。簡而言之，鐳射光斑尺寸（也稱為雷射光束直徑）被定義為鐳射可以通過透鏡聚焦到的最小直徑。鐳射光斑尺寸如此重要的一個主要原因是它直接影響鐳射能量密度，而鐳射能量密度通過影響熔池尺寸、穿透粉末層的深度和最終產品的整體解析度來決定燒結零件的精度和品質。鐳射能量密度定義為[4]

 

 

 

其中:

 

Eₛ是鐳射能量密度（J/cm^2）

 

P是入射鐳射功率（瓦特）

 

v是鐳射掃描速度（釐米/秒）

 

δ 雷射光束光斑尺寸（釐米）

 

鐳射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印表機中，光斑尺寸通常由半峰全寬（FWHM）定義。從本質上講，FWHM通過測量強度曲線（光強與位置的關係圖）上強度下降到峰值一半的兩點之間的距離來量化光束的擴散或發散。[5]

 

影響雷射光束光斑大小的變數有很多。假設一個理想的高斯光束，它的束寬隨著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）和光束的波長決定。基於此，光斑尺寸在數學上定義為[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是鐳射波長

 

w₀是梁腰

 

 

圖1:鐳射沿其軸線的傳播。

 

最終，鐳射光斑尺寸是影響列印組件解析度以及密度、強度和最小特徵尺寸等屬性的重要因素。從本質上講，SLS 3D印表機可以實現的細節程度由鐳射光斑尺寸決定，最小特徵尺寸通常對應於鐳射光斑尺寸。

 

鐳射光斑尺寸對打印品質的影響

當我們專門討論3D列印的解析度時，需要考慮兩種解析度:Z解析度和XY解析度。z解析度是垂直解析度，取決於列印的層厚（即重新塗覆器可以將每個新的粉末材料層塗得多細）。XY解析度是指列印的水準解析度，受鐳射光斑大小和鐳射移動精度的影響。[7]

 

因此，較小的鐳射光斑尺寸直接對應於較高的XY列印解析度，並使用戶能夠將非常精細的細節和複雜的特徵集成到他們的3D列印中。具有較小鐳射光斑的SLS 3D印表機也更適合列印具有優異表面光潔度的零件。較小的鐳射光斑尺寸已被證明可降低層線高度，從而使印刷物體的層線更不明顯、表面更光滑、細節更精細。[8]

 

研究發現，較小的鐳射光斑尺寸顯著提高了印刷軌跡的幾何精度。[9]其中一個原因是，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。作為這一過程的一部分，較小的光斑尺寸使熔體軌跡周圍的熱影響區最小化，從而減少了可能損害最終產品機械完整性的熱變形和殘餘應力。

 

調整鐳射功率和掃描速度可以顯著影響這些參數，從而創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於保持穩定的熔池動態，這對於最大限度地減少降低印刷品質的缺陷（如孔隙和孔眼形成）至關重要。

 

 

 

Sintratec的獨特銷售主張（USP）

Sintratec非常重視SLS印表機的鐳射光斑尺寸。該公司的機器擁有當今SLS 3D列印市場上最精細的鐳射光斑直徑和解析度。該公司為其全材料平臺Sintratec S3開發的最新聚變模組配備了30瓦光纖雷射器，聚焦光斑尺寸僅為145 μm .配備10瓦光纖雷射器的S2具有相同的鐳射光斑尺寸。

 

Sintratec的鐳射光斑直徑遠小於市場上許多其他SLS平臺。這為其技術在航空航太和電子等行業的應用開闢了道路，這些行業不僅需要高產量和工藝一致性，還需要高解析度和零件精度。您可以在下面找到一些領先的SLS系統的比較:

 

SLS 3D印表機

鐳射光斑尺寸（微米）

S3和S2

微米145號[10]

Prodways Promaker P1000

微米450號[11]

辛特裏特·麗莎十世

微米650號[12]

Formlabs保險絲1

200微米[13]

現實世界的應用和優勢

各行業的採用者已經從Sintratec的高解析度SLS解決方案中獲益。在全球範圍內，產品開發人員、工程師和研究人員利用其瑞士制造的系統來創建精確的功能原型，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。該應用程式大大加快了設計驗證和原型測試的速度，使用戶能夠快速自信地進入批量生產。

 

孔塔克-西蒙公司作為一家主要的電氣安裝設備製造商，自2022年以來一直在使用Sintratec S2為電氣行業製造複雜的高精度原型。在這種應用中，Sintratec光纖鐳射系統的精度至關重要，因為列印零件用於在進入全面生產之前驗證幾何形狀和組件。Sintratec印刷的高質量表面光潔度以及生產具有精細細節的複雜形狀的能力對Kontakt-Simon來說非常重要，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。當被問及S2的主要優勢時，Kontakt-Simon技術部門負責人托馬斯·維爾克列出了“複雜的幾何形狀、薄的壁、高美觀性和準確性、強大的強度以及零件各軸的同質性。”

 

 

 

瑞士窗戶製造商埃什巴爾還集成了Sintratec S2，用於多種最終用途，包括原型製作、模具和小批量生產零件。與Kontakt-Simon一樣，該公司重視該技術列印與注塑零件特性緊密匹配的零件的能力。“對於SLS工藝，高達0.1毫米的公差和表面品質給我們留下了特別深刻的印象，”Eschbal技術部成員Michael Ebnö ther評論道。對於工具和最終使用的零件，機械性能至關重要。例如，Eschbal通過SLS 3D列印優化了一個連接器組件，使最終零件的重量減輕了33%。

 

案例研究僅代表了Sintratec高解析度3D印表機使用方式的一小部分。你可以找到更多客戶故事給你。

 

結論

總的來說，鐳射光斑尺寸是SLS難題的重要組成部分，會影響解析度等列印屬性。通過專注於鐳射光斑尺寸的精度，Sintratec在更廣泛的SLS市場中為自己開闢了一個位置，以滿足要求高列印精度和精細細節的應用。結合SLS出色的吞吐量和一致性，實現更小功能並最終獲得更高質量列印的能力將該技術提升到了另一個水準。

 

參考

1.Awad A、Fina F、Goyanes A、Gaisford S、Basit AW。3D列印:選擇性鐳射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，聚合物鐳射燒結的性能限制，物理學進展，第56卷，2014年，第147-156頁，國際刊號1875-3892，https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.157.

 

3.遼、海、樂、山、龍、DV。“用試驗設計方法優化雙金屬粉末的選擇性光纖鐳射燒結。“ASME/ISCIE 2012柔性自動化國際研討會會議錄。ASME/ISCIE 2012柔性自動化國際研討會。美國密蘇裏州聖路易斯。2012年6月18日至20日。第475-482頁。ASME。https://doi.org/10.1115/ISFA2012-7232

 

4.呂麗蓮、傅俊輝、黃友生（2001）。選擇性鐳射燒結。鐳射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射線雷射光束的光斑尺寸表徵”，Opt .快遞18，27836-27845 (2010)。

 

6.Oz Livneh，Gadi Afek和Nir Davidson，“用二元軸棱錐產生有效的、准直的薄環形光束”，應用光學。57, 3205-3208 (2018)

 

7.安凱塔·詹德爾、伊克希塔·查圖維迪、伊希卡·瓦齊爾、安庫什·劉冰、米爾·伊爾凡·烏爾·哈克,《3D列印——工業4.0中的工藝、材料和應用回顧》,《可持續運營和電腦》,第3卷，2022年，第33-42頁，ISSN 2666 4127。https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004.

 

8.M. Launhardt，a . wrz，A. Loderer，T. Laumer，D. Drummer，T. Hausotte，M. Schmidt，用各種測量技術檢測SLS零件的表面粗糙度，https://www . science direct . com/science/article/ABS/pii/s 0142941816302057

 

9.Vaglio E，De Monte T，Lanzutti A，Totis G，Sortino M，Fedrizzi L .用小鐳射光斑直徑選擇性鐳射熔化Ti6Al4V獲得的單徑跡數據。數據簡介。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 _ Pr