选择性激光熔融技术(SLM)是一种通过激光融化金属粉末直接形成金属部件的技术. 通过这种技术, 3D金属部件可以通过数字文件自由设计, 并且已经广泛运用于医药, 自动化, 航天以及纺织工业中. 由于SLM是激光逐层扫描金属粉末以达到增材打印的目的, 所以相对于传统工业, 速度相对较慢, 从而限制了推广的速度. 为了提高SLM的扫描效率, 一般通过两种方式, 要么增加激光束的数量, 要么提高单体激光束的功率或者扫描效率. 但是不幸的, 当激光束的数量提高到4个以上时, 整个光学系统会变得极其复杂, 而很难提高混合激光束的总输出功率. 而如果激光扫描得过快, 会导致产品有微观结构上的缺陷.
而最新研发的一种新技术, 借助了一种特殊的光阀, OALV, 理论上突破了现有的瓶颈. 在介绍这项新技术之前, 我想先介绍一下光干涉的概念.众所周知, 光是一种波, 而波与波混合的时候存在干涉. 而著名的杨氏双缝干涉实验很清晰的说明的光干涉产生的反应.
上图中, 当自然光通过单缝产生衍射, 衍射光波再通过双缝产生了新的两个衍射光源. 最后衍射出来的两种光波互相发生干涉, 投射在荧幕上产生了光暗相间的条纹. 而这些条纹, 就是衍射出来的两道光波的波峰与波谷叠加出来的结果.
当相同激光的光波叠加在一起, 波峰跟波峰一起产生叠加, 波峰与波谷叠加会相互抵消.
一般情况下, 是很难将复合的激光束的波峰之间完美叠加的. 因此, 激光的复合会毫无意外的导致激光功率的减损. 为了有效的解释后面讲述的解决方法, 在此还需要提到偏振光的概念.
振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振, 而光是电磁波, 光波的传播方向是电磁波的传播方向, 而光波中电振动与磁振动的方向都垂直于传播方向, 因此光具有偏振性.
而偏振光片可以将自然光变成偏振光, 可以过滤掉振动方向与偏振片上栅格方向相同的偏振光. 偏振光片最广泛的运用就是在车灯上, 汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，既不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。
而OALV光阀系统就是利用了偏光技术, 有效的削减了光束之间干涉产生的削减效果. 下图就是OALV光阀系统的原理图. 首先, 由4个激光二极管产生的激光束通过镜片L1复合成为一条激光束, 再通过L2与L3重新成像然后进入匀束器. 均匀的激光束再通过L4与L5重新成像后再通过偏振光片变成偏振光. 然后再通过IR分光镜与短时脉冲激光复合. 这时, 一个新的放映机中产生的光束会选择性的对复合激光的光束进行标记. 被标记为”on”的, 会很顺利的通过OALV的两极, 而被标记为”off”的, 振动方向会被进行偏转, 从而被下一个反射偏振片排除出光学系统. 而被挑选出的激光束, 可以转而用于SLM熔融, 或者被摄像机拍下灰度图像, 用于检测激光状态.整个系统输出的激光为脉冲激光, 一次脉冲可以烧结一层金属粉末.
而最后的实验过程中, 对这种新型的全层3D打印系统用两个3D模型进行了测试. 首先是从Thingverse.com下载的叶轮, 模型缩小到了适合构建的大小. 第二个是CAD设计的LLNL标志. 用过去的技术, 用SLM技术生产一个这样的叶轮需要3.2小时, 而采用了OALV光阀系统构建的总时间约1小时, 在此, 整体效率提高了3倍. 而在使用了合适的光学放大器件的情况下, 该技术有潜力可以提高200倍的生产效率.
原文参考: Diode-based additive manufacturing of metals using an optically addressable light valve, Manyalibo J. Matthews,GabeGuss,DerrekR.Drachenberg,JamesA. Demuth,JohnE. Heebner,EricB. Duoss,JoshuaD.Kuntz,andChristopherM. Spadaccini
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编辑：南极熊
翻译人：严启臻（法兰克福大学物理硕士）
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