Лазерная 3D-печать
Последнее десятилетие стало свидетелем огромного развития аддитивного производства (AM) или 3D-печати по сравнению с субтрактивным производством. AM обеспечивает быстрое создание прототипов, простоту настройки, тиражирование сложных деталей, минимизацию отходов, высокую энергоэффективность, сокращение складских запасов, гибкость деталей и продуктов и надежность. Основной проблемой, которая ограничивает AM только созданием прототипов, является высокая стоимость производства и снижение точности с увеличением скорости печати.

Тем не менее, AM с прямым выделением энергии больше подходят для прецизионного изготовления, поскольку легче регулировать поток энергии, чем поток материала. С момента появления концепции 3D-печати AM с прямым лазерным напылением энергии завоевал свое место на глобальном конкурентном рынке благодаря точности, которую лазеры предлагают по сравнению с другими процессами AM, такими как экструзия горячего материала / моделирование наплавления, распыление связующего, распыление жидкого материала и ламинирование листов.

Лазер чаще всего используется в процессах фотополимеризации в ванне, прямой лазерной записи (DLR), селективного лазерного плавления (SLM) и процессов селективного лазерного спекания (SLS)/плавления в порошковом слое.

Что такое фемтосекундный лазер?
Фемтосекундный (фс) лазер относится к классу лазеров со сверхбыстрыми/ультракороткими импульсами, в которых длительность лазерных импульсов варьируется от нескольких фс ( 10-15 с) до сотен фс. Такие импульсы малой длительности получаются за счет синхронизации мод, т. е. фиксации фазового соотношения между продольными модами резонатора.

Что такое лазер с синхронизацией мод?
Все лазеры имеют диапазон частот или полосу пропускания вместо одной длины волны или частоты. Рабочая полоса пропускания лазера определяется природой усиливающей среды и продольными модами оптического резонансного резонатора (ОРК).

Что касается базовой структуры импульсного лазера, то усиливающая среда зажата между двумя параллельными зеркалами, что называется ORC. Единственный пучок света отражается между этими двумя зеркалами и многократно проходит через усиливающую среду. Луч света интерферирует сам с собой в определенных точках внутри усиливающей среды либо конструктивно (т.е. усиливается), либо деструктивно (т.е. компенсируется) в зависимости от разности фаз.

Похожие истории
Направленное движение микросфер из нержавеющей стали с помощью наносекундных лазерных импульсов
Эффективная работа в квази-непрерывном режиме TEM00 компактного лазера Er:YAG с диодной накачкой
Квазинепрерывная работа лазеров Er:YAG MIR-Pac с длиной волны 2,94 мкм
Конструктивная интерференция приводит к образованию стоячих волн или мод. Эти стоячие волны можно разделить на дискретные частотные диапазоны, известные как продольные моды ORC. Эти возбужденные/резонансные продольные моды составляют основную полосу пропускания высокоинтенсивных лазерных лучей.

Кроме того, ORC может иметь несколько продольных мод, в которых может возбуждаться одна или несколько мод. Лазер на сапфире (Ti:sapphire), легированном титаном (Ti), имеет полосу пропускания 128 ТГц, которая может поддерживать до ~ 250 000 продольных мод. Если разность фаз между большим количеством возбужденных продольных мод может быть зафиксирована, чтобы вызвать конструктивную интерференцию или резонанс, это будет генерировать кратковременный лазерный импульс. Чем шире полоса синхронизации мод, тем короче длительность импульса лазера. Кроме того, длительность импульса также зависит от формы импульса. Существует два типа синхронизации мод, т. е. активная и пассивная. При активной синхронизации мод внутри ORC размещается внешний модулятор, который генерирует сигнал, облегчающий фазовую синхронизацию мод. Между тем, в случае пассивной синхронизации мод внешний сигнал не используется, а внутри ORC размещается насыщающийся поглотитель, который выборочно поглощает свет низкой интенсивности и пропускает свет высокой интенсивности.

Сверхбыстрый/ультракороткий импульсный лазер против лазера с непрерывной волной
Когда электроны материала возбуждаются выше ширины запрещенной зоны, они быстро релаксируют после излучения избыточной энергии, что является потенциальной потерей.

Эта продолжительность возбуждения перед релаксацией варьируется от нескольких наносекунд (нс) до нескольких микросекунд (мкс). В случае fs-лазера длительность импульса и интервал между ними настолько малы, что возбужденные электроны не успевают релаксировать, что приводит к накоплению тепла. Таким образом, fs-лазеры могут достигать температуры до 6000 ℃, что достаточно для плавления материалов с высокой температурой плавления, таких как вольфрам (температура плавления = 3422 ℃) и керамика.

Более того, пиковая интенсивность фс-лазера почти равна его средней интенсивности; это приводит к большей глубине проникновения, меньшей термической диффузии и более высокой скорости изготовления. Между тем, лазеры непрерывного действия (CW) имеют более широкое распределение интенсивности и большую тепловую диффузию. Это приводит к нежелательно большему термическому проникновению и образованию зон термического влияния (ЗТВ). Из-за большого разброса зерен и наличия микротрещин ЗТВ чувствительны к механическим повреждениям. Следовательно, они часто требуют последующей термической обработки.

Последние исследования
Импульсный лазер Fs можно использовать для текстурирования поверхности. С его помощью были созданы периодические структуры на черном кремнии с нано- и микроразмерными характеристиками. Поверхности солнечных панелей могут быть изменены фемтосекундными лазерами для повышения эффективности солнечных элементов.

Кроме того, Ti:Sapphire fs-лазер использовался для изучения образования наноструктур на поверхности олова (Sn), а также прочности связи и структурных модификаций кремния, TiO 2 и графена. Он также использовался для настройки гидрофобности поверхностей полидиметилсилоксана (PDMS), а также для нанорешетки и микрообработки очень маленьких оптических волокон. Он полезен при изготовлении трехмерных фотонных схем, поскольку он способен постоянно изменять показатель преломления схем, скрытых под поверхностью прозрачных стекол и полимеров.

Выводы
Лазеры Fs проложили путь для высокоточной 3D-печати металла, стекла, полимеров, керамики и многих других материалов. Более того, их способность обрабатывать материалы с высокой температурой плавления также является большим достижением. Высокая энергоэффективность, сокращение операций постобработки, большая глубина проникновения и более высокая скорость обработки делают fs-лазеры идеальным источником энергии для 3D-печати.