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“千人计划”激光器专家王颖解读激光技术对3D打印的影响

2015-10-31 10:27
华静一
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  近年来3D 打印技术兴起并获得大发展,3D打印技术的繁荣离不开激光技术。3D打印特别是金属零部件的打印必须用到激光进行加工成型,激光器无可避免地必须派上用场,而3D打印的大发展势必会反推激光行业的发展。

  王颖,国家“千人计划”专家、中国科学院上海光机所研究员,纽敦光电科技(上海)有限公司董事长

  国家“千人计划”专家王颖博士长期从事新一代大功率激光器的产业化以及新型激光器的研发,对激光3D技术有深入的见解和体会。近期,媒体就激光技术对3D打印的影响,对王颖博士进行了专访。

  激光器助力高端3D打印

  问:作为21世纪发展极具发展前途的新技术之一,各国政府和工业部门都非常重视激光技术的发展,激光技术在3D打印产业中的应用现状如何?在3D打印产业中又处于怎样的地位?

  王颖:激光技术主要用于金属或陶瓷材料的3D打印。尽管其他的3D打印也可以利用激光技术,但成本太高,因此只有在特定的情况下才会使用激光源。在金属和陶瓷类的高端3D打印中,激光器现在是最合适的能源。由于其非接触式的特点以及功率可控和稳定性,激光已经被认为是3D打印中不可或缺的手段。

  激光技术在3D打印产业中现在处于发展的上升阶段。在这个阶段中,对用户影响最大的是目前激光器的价格。新一代的激光技术包括光纤激光和半导体激光,新一代激光器件的最大优势是电光转换效率高,可达40-50%,可通过光纤传输,不需要后期维护等。尽管最近几年新一代激光器的成本大大地下降了,相比其他3D打印设备中的器件来说,成本仍然是最高的,甚至达到60%以上,这从某种角度上限制了高端3D打印的广泛发展。

  问:3D打印技术包括3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平板印刷技术、UV紫外线成型技术等多种技术,与这些技术相比,激光技术的优势在哪?

  王颖:3DP技术使用粉末材料,如陶瓷,金属,塑料粉末等,通过铺粉,然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域,让材料粉末粘接,形成零件截面,然后通过层层铺粉、喷涂、粘接的过程,叠加打印出零件。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)将丝状热熔性材料加热融化,通过一个微细喷嘴的喷头挤喷出,沉积,冷却固化,通过材料的层层堆积形成最终成品。SLA即光固化技术是最早发展起来的快速成型技术,也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术,主要使用光敏树脂为材料,通过紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐层固化,最终得到完整的产品。这些技术都不需要激光的参与。

  激光应用的3D打印技术主要有两种,一个是所谓选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering, SLS),本技术利用粉末材料在激光照射下熔融烧结的原理,由计算机控制层层堆结成型,原理与3DP类似,只是把胶换成了激光。由于激光扫描的局限性,目前这个方法比较适合做较小的零件。另一种激光3D打印的技术是直接粉末堆积方法,通过机械臂或多轴联动的数控系统,将激光在预定轨迹上扫过,同时将粉末直接输送到焦点进行熔化堆积成型。这种方法可以用来打印很大的工件。理论上没有尺寸限制。相比SLS方法,激光光斑稍大,因此产品光洁度一般低一些。

  未来核心:提高光学质量 创新工艺技术

  问:近年来,激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如航空航天领域、医疗领域、军事领域,材料加工领域等,与在3D打印产业运用中相比存在哪些差距?造成差距的原因是什么?

  王颖:激光在航空航天领域、医疗领域、军事领域,材料加工领域早已得到了广泛的应用。这些应用也在不断发展和更新中。新的激光技术往往会引起各领域的一些改变。3D打印相比之下还刚刚起步,这是造成差距的原因之一。另一方面,3D打印本身还有待成熟,如金属材料的打印方面,材料,工艺,打印对象等多为定制型,设备通用性不够,这也是目前发展的限制因素之一。

  问:3D打印行业中的激光技术刚刚起步,目前面临哪些技术局限?您觉得我国的激光技术能应该如何突破这些局限?

  王颖:激光3D打印主要还是集中在金属材料的应用上,如何取得高精度和避免二次加工是是激光3D打印亟待突破的技术限制。

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