Sintratec的激光光斑尺寸是实现卓越打印分辨率的关键

•    发布时间：2024/04/28
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【概要描述】 Sintratec的高精度激光具有更小的光斑尺寸，可在SLS 3D打印中实现卓越的打印分辨率和更精细的细节。

 

选择性激光烧结（SLS）3D打印被认为是增材制造中最可靠和最具生产力的形式之一。[1]最近，硬件方面的进步进一步改善了SLS印刷，实现了更好的表面加工质量和可达到的精细细节水平。

 

在辛特拉泰克作为专业SLS系统的瑞士制造商，这些进步是以高精度激光的形式出现的，其光斑尺寸明显小于其他入门级SLS系统。这使得Sintratec在其SLS平台上实现了无与伦比的打印分辨率和特征尺寸。在本文中，我们将了解什么是激光光斑尺寸，它如何影响打印分辨率，以及Sintratec的技术如何为SLS用户带来新的机遇。

 

激光光斑尺寸的科学

选择性激光烧结是一种增材制造技术，通过使用激光烧结粉末材料来制造零件。该过程从在构建平台上沉积一薄层聚合物粉末开始。然后，高能激光选择性地扫描表面，根据正在制造的零件的横截面几何形状熔化和熔合粉末。完成一个打印层后，构建平台逐渐下降，新的粉末层在表面上铺开，重复烧结过程。这种一层一层的方法一直持续到零件完成。[2]

 

虽然在SLS过程中可以使用不同类型的激光器，但最常用的一种是光纤激光器。这些激光器通过二极管产生光，将能量注入掺有稀土元素（如镱）的光缆。产生的光通常具有约1，060 nm的波长，这在金属和某些聚合物中提供了高吸收率。这一特性使得光纤激光器对于聚合物和金属粉末的精确熔化非常有效。SLS中光纤激光器的优势包括其出色的光束质量、能效和最低维护要求。[3]

 

在SLS印刷中评估激光性能时，激光光斑尺寸是最重要的规格之一。简而言之，激光光斑尺寸（也称为激光束直径）被定义为激光可以通过透镜聚焦到的最小直径。激光光斑尺寸如此重要的一个主要原因是它直接影响激光能量密度，而激光能量密度通过影响熔池尺寸、穿透粉末层的深度和最终产品的整体分辨率来决定烧结零件的精度和质量。激光能量密度定义为[4]

 

 

 

其中:

 

Eₛ是激光能量密度（J/cm^2）

 

P是入射激光功率（瓦特）

 

v是激光扫描速度（厘米/秒）

 

δ 激光束光斑尺寸（厘米）

 

激光光斑尺寸本身可以用几种不同的方法定义和计算，但是在SLS打印机中，光斑尺寸通常由半峰全宽（FWHM）定义。从本质上讲，FWHM通过测量强度曲线（光强与位置的关系图）上强度下降到峰值一半的两点之间的距离来量化光束的扩散或发散。[5]

 

影响激光束光斑大小的变量有很多。假设一个理想的高斯光束，它的束宽随着它沿轴的传播而变化。因此，焦距处的光斑尺寸由焦距本身、高斯光束的最小半径（即束腰）和光束的波长决定。基于此，光斑尺寸在数学上定义为[6]

 

 

 

其中:

 

f就是焦距。

 

滤水器(Water Filter)是光束半径焦距（即光斑尺寸）

 

λ是激光波长

 

w₀是梁腰

 

 

图1:激光沿其轴线的传播。

 

最终，激光光斑尺寸是影响打印组件分辨率以及密度、强度和最小特征尺寸等属性的重要因素。从本质上讲，SLS 3D打印机可以实现的细节程度由激光光斑尺寸决定，最小特征尺寸通常对应于激光光斑尺寸。

 

激光光斑尺寸对打印质量的影响

当我们专门讨论3D打印的分辨率时，需要考虑两种分辨率:Z分辨率和XY分辨率。z分辨率是垂直分辨率，取决于打印的层厚（即重新涂覆器可以将每个新的粉末材料层涂得多细）。XY分辨率是指打印的水平分辨率，受激光光斑大小和激光移动精度的影响。[7]

 

因此，较小的激光光斑尺寸直接对应于较高的XY打印分辨率，并使用户能够将非常精细的细节和复杂的特征集成到他们的3D打印中。具有较小激光光斑的SLS 3D打印机也更适合打印具有优异表面光洁度的零件。较小的激光光斑尺寸已被证明可降低层线高度，从而使印刷物体的层线更不明显、表面更光滑、细节更精细。[8]

 

研究发现，较小的激光光斑尺寸显著提高了印刷轨迹的几何精度。[9]其中一个原因是，小光斑尺寸可以精确控制熔体轨迹的尺寸，包括其宽度、高度和深度。作为这一过程的一部分，较小的光斑尺寸使熔体轨迹周围的热影响区最小化，从而减少了可能损害最终产品机械完整性的热变形和残余应力。

 

调整激光功率和扫描速度可以显著影响这些参数，从而创建更平滑的表面和更清晰的轨迹边缘。精确的参数控制有助于保持稳定的熔池动态，这对于最大限度地减少降低印刷质量的缺陷（如孔隙和孔眼形成）至关重要。

 

 

 

Sintratec的独特销售主张（USP）

Sintratec非常重视SLS打印机的激光光斑尺寸。该公司的机器拥有当今SLS 3D打印市场上最精细的激光光斑直径和分辨率。该公司为其全材料平台Sintratec S3开发的最新聚变模块配备了30瓦光纤激光器，聚焦光斑尺寸仅为145 μm .配备10瓦光纤激光器的S2具有相同的激光光斑尺寸。

 

Sintratec的激光光斑直径远小于市场上许多其他SLS平台。这为其技术在航空航天和电子等行业的应用开辟了道路，这些行业不仅需要高产量和工艺一致性，还需要高分辨率和零件精度。您可以在下面找到一些领先的SLS系统的比较:

 

SLS 3D打印机

激光光斑尺寸（微米）

S3和S2

微米145号[10]

Prodways Promaker P1000

微米450号[11]

辛特里特·丽莎十世

微米650号[12]

Formlabs保险丝1

200微米[13]

现实世界的应用和优势

各行业的采用者已经从Sintratec的高分辨率SLS解决方案中获益。在全球范围内，产品开发人员、工程师和研究人员利用其瑞士制造的系统来创建精确的功能原型，这些原型不仅与最终零件的精确尺寸和形状非常匹配，而且还与它们的机械性能非常匹配。该应用程序大大加快了设计验证和原型测试的速度，使用户能够快速自信地进入批量生产。

 

孔塔克-西蒙公司作为一家主要的电气安装设备制造商，自2022年以来一直在使用Sintratec S2为电气行业制造复杂的高精度原型。在这种应用中，Sintratec光纤激光系统的精度至关重要，因为打印零件用于在进入全面生产之前验证几何形状和组件。Sintratec印刷的高质量表面光洁度以及生产具有精细细节的复杂形状的能力对Kontakt-Simon来说非常重要，因为电气外壳和组件不仅必须适合其内不同几何形状的电气组件，而且还必须完美地适合更大的组件。当被问及S2的主要优势时，Kontakt-Simon技术部门负责人托马斯·维尔克列出了“复杂的几何形状、薄的壁、高美观性和准确性、强大的强度以及零件各轴的同质性。”

 

 

 

瑞士窗户制造商埃什巴尔还集成了Sintratec S2，用于多种最终用途，包括原型制作、模具和小批量生产零件。与Kontakt-Simon一样，该公司重视该技术打印与注塑零件特性紧密匹配的零件的能力。“对于SLS工艺，高达0.1毫米的公差和表面质量给我们留下了特别深刻的印象，”Eschbal技术部成员Michael Ebnö ther评论道。对于工具和最终使用的零件，机械性能至关重要。例如，Eschbal通过SLS 3D打印优化了一个连接器组件，使最终零件的重量减轻了33%。

 

案例研究仅代表了Sintratec高分辨率3D打印机使用方式的一小部分。你可以找到更多客户故事给你。

 

结论

总的来说，激光光斑尺寸是SLS难题的重要组成部分，会影响分辨率等打印属性。通过专注于激光光斑尺寸的精度，Sintratec在更广泛的SLS市场中为自己开辟了一个位置，以满足要求高打印精度和精细细节的应用。结合SLS出色的吞吐量和一致性，实现更小功能并最终获得更高质量打印的能力将该技术提升到了另一个水平。

 

参考

1.Awad A、Fina F、Goyanes A、Gaisford S、Basit AW。3D打印:选择性激光烧结的原理和药物应用。国际制药。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，聚合物激光烧结的性能限制，物理学进展，第56卷，2014年，第147-156页，国际刊号1875-3892，https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.157.

 

3.辽、海、乐、山、龙、DV。“用试验设计方法优化双金属粉末的选择性光纤激光烧结。“ASME/ISCIE 2012柔性自动化国际研讨会会议录。ASME/ISCIE 2012柔性自动化国际研讨会。美国密苏里州圣路易斯。2012年6月18日至20日。第475-482页。ASME。https://doi.org/10.1115/ISFA2012-7232

 

4.吕丽莲、傅俊辉、黄友生（2001）。选择性激光烧结。激光诱导快速成型材料和工艺。马萨诸塞州波士顿斯普林格。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射线激光束的光斑尺寸表征”，Opt .快递18，27836-27845 (2010)。

 

6.Oz Livneh，Gadi Afek和Nir Davidson，“用二元轴棱锥产生有效的、准直的薄环形光束”，应用光学。57, 3205-3208 (2018)

 

7.安凯塔·詹德尔、伊克希塔·查图维迪、伊希卡·瓦齐尔、安库什·刘冰、米尔·伊尔凡·乌尔·哈克,《3D打印——工业4.0中的工艺、材料和应用回顾》,《可持续运营和计算机》,第3卷，2022年，第33-42页，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，用各种测量技术检测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 .用小激光光斑直径选择性激光熔化Ti6Al4V获得的单径迹数据。数据简介。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 _ Printers/Sinte