新型技术或可实现3D打印的技术革命

如图所示是，为美国国家点火装置所开发的采用高性能的激光二极管阵列和一个专门的激光调制器，研究人员可以实现3D打印大型金属物体，根据美国研究人员的一项新研究，如今3D打印市场上正需要这样的设备。

根据一项由劳伦斯摩尔国家实验室开发的最新技术，一项最初美国国家点火装置（NIF）顺利开发的高功率激光束模式可用于金属物体的3D打印，且其金属物体的打印速度比以往任何时候都要快。

一组实验室科学家在最新一期的《光学快报》杂志上发表了这一最新研究发现。这是一种基于二极管添加剂制造工艺(DiAM)的新方法，即采用大功率激光二极管阵列、调Q激光器和美国国家点火装置开发的一次可打印一层金属粉末的专门研制出的激光调制器，与传统的基于激光粉末融合添加剂制造(PBFAM)系统不同的是，这种装置不再是在各层进行激光扫描。

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研究者们说，实验结果表明，现在只需今天市场上的金属3-D打印机所需金属的一小部分便可以打印出体积较大的金属物体，扩大了工业上需要更大的金属部件（如航空航天和汽车）的应用可能性。小组得出结论，这种装置的打印速度的灵活性和质量相结合，通过与二极管添加剂制造工艺相结合，其效率“远远超出”目前的粉床融合为基础的打印系统。

“通过减少打印时间并提高打印尺寸，这个过程可以改变金属添加剂制造，” Ibo Matthews说，他是美国国家实验室的一名科学家，并且是文章的第一作者。“节省了所用激光时间，我们估算一立方米的金属打印，将需要10年的光栅扫描过程，而利用二极管添加剂制造工艺只需要几个小时，因为你可以按照图样实现每一层一次的打印。用灰度图像打印也可以让你减少残余应力，因为你可以调整空间和时间上的热应力。”

Matthews说这是一个“神奇”的过程，这就一个定制的激光调制器，实现了称为光学寻址光阀(OALV)，其中包含一系列液晶和光电晶体。就像一个基于液晶投影仪，研究人员解释说，这个光学寻址光阀可用于基于大功率激光根据预编程的图样实现一层一层金属打印。但不同于传统的液晶投影机，这一光学寻址光阀不是基于像素的且能够处理高功率的激光。

该技术最初被设计是美国国家点火装置试验计划LEOPARD的一个部分，即由精密调整辐射分布的激光能量优化系统，它曾在2010年开始部署并在赢得了2012年度 R&D 100大奖。美国国家点火装置的光学寻址光阀可用于激光束的配置和局部阴影和高强度能量密度光学保护（能量密度，即对于一个给定的单位面积的激光能量）优化。

在LEOPARD计划中，美国国家点火装置电子保护了其光束，特别是那光学区中具有潜在缺陷的危险区域，并最终由光学损伤检验鉴定（FODI）系统进行检测。这使美国国家点火装置系统能够持续工作直到计划允许那些光学设备停止或修复和重新开启光束。

研究团队首次证明了光阀可用于印刷部分，最初是由前美国国家实验室研究员James DeMuth、John Heebner提出的，国家实验室的科学家领导这项光学寻址光阀的研究，并发展到了金属3D打印技术作为一种“自然而然的协同使用。”

“二极管添加剂制造工艺项目结合了两种技术，我们率先在实验室中实现高功率激光二极管阵列和光学寻址光阀，”Heebner说。“鉴于我们花费了很多时间实现了光阀的发展，使它成为一个自然的延伸，并适用于这个项目。我们进行了一些计算，从一开始就很清楚它会实现什么样的工作—3D打印。改变一个串行进程到并行过程的能力是至关重要的，以确保随着零件的复杂性或大小的增加，图案过程的速度可以增加赶上。”

除了具有可能制造较大的零件的能力，使用这种阀门所具有的成像质量，可能会超过今天的金属3D打印机，并在投影图像微调梯度的能力上意味着更好地控制残余应力和材料的微观结构，研究人员说。

利用二极管添加剂制造工艺实现打印，激光光源是由一组四个半导体激光器阵列和纳秒脉冲激光组成。它通过光学寻址光阀，实现所需制造零件三维图像的二维“切片”。图像从数字计算机文件到激光是两个液晶调制过程。在第一阶段，图像来源于一个数字化的CAD模型并印制在一个低功耗的蓝色LED光源中，这个光源使用一个普通的像素化的液晶投影机。

在第二阶段，蓝色图像激活光学寻址光阀的光导层创建局部导电片（蓝色的光出现在传输电压）的液晶层。这使得低功率蓝色图像可调制高功率激光束。然后，该光束被引导到一个构建平面上，一次打印出整个金属层。在这项研究中，研究人员使用锡粉末，成功地展示了两个小三维模型的印刷，一个叶轮（小涡轮叶片结构），一个国家实验室的标志。

目前，加快金属添加剂的过程是在国家实验室进行技术研究的主要驱动力，更大的制造规模是实验室的核心使命，研究人员说。与脉冲激光系统相比，激光二极管提供的能量也很便宜，所以这样的系统比当今市场上的光纤激光器更具成本效益。

原文来源：https://phys.org/news/2017-05-technology-revolutionize-d.html，实验帮译。