一種混合光合成技術(shù)，大大提升了3D打印速度，并且打印件無需后期處理，對(duì)光聚合技術(shù)的發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。

圖 1：狹縫式激光光束質(zhì)量分析儀，確保增材制造工藝的可重復(fù)性。

Axtra3D公司成立于 2021 年，其目標(biāo)是重塑增材制造行業(yè)。成立僅一年后，該公司就推出了混合光合成（Hybrid PhotoSynthesis，HPS）技術(shù)，該技術(shù)正在改變?cè)霾闹圃焓袌?chǎng)的格局。

HPS是首個(gè)同軸系統(tǒng)，其允許用戶快速打印精細(xì)的特征結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的表面精加工。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)基于光聚合工藝，其采用兩種光源：數(shù)字投影儀光源和固體激光器。HPS技術(shù)的關(guān)鍵在于激光束與數(shù)字投影光源的完美同步。借助 MKS公司提供的技術(shù)，兩種光源達(dá)到了理想配合，并在整個(gè)產(chǎn)品周期中依靠 Ophir測(cè)量設(shè)備完成測(cè)試。

突破光聚合的局限性 

增材制造為快速生產(chǎn)3D零件提供了巨大的機(jī)會(huì)。自20世紀(jì)80年代第一個(gè)商用立體光固化成型（SLA）設(shè)備面市以來，增材制造技術(shù)一直在不斷發(fā)展。與此同時(shí)，逐層樹脂打印技術(shù)也可用于日常家用。但是，即使是工業(yè)級(jí)高端SLA解決方案，在制造速度和表面質(zhì)量方面仍然存在局限性。為了克服速度上的限制，數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）應(yīng)運(yùn)而生；DLP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整層打印。投影儀將每一層的圖像投射到樹脂上，樹脂在紫外光照射下固化。

盡管DLP技術(shù)為增材制造帶來了顯著改進(jìn)，但是制造的成品仍需大量返工。打印件必須清洗，可見的表面結(jié)構(gòu)需要額外處理。

Axtra3D公司致力于解決上述問題。Axtra3D公司總部位于美國(guó)，其創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)設(shè)施位于意大利，公司圍繞一組專利而成立，目標(biāo)是開發(fā)突破性的增材制造解決方案（見圖1、圖2）。Axtra3D公司創(chuàng)始人兼首席營(yíng)運(yùn)官Paul Spoliansky表示：“我們的技術(shù)結(jié)束了與其他增材技術(shù)之間的權(quán)衡。我們能讓客戶按照CAD 文件進(jìn)行打印，并且不需要返工。”

圖2：測(cè)量裝置安裝在支架上，用來測(cè)量激光光束。

將關(guān)鍵技術(shù)引入HPS光引擎

最近在Lumia X1 3D打印機(jī)中引入的HPS技術(shù)包括：一個(gè)數(shù)字光處理器，其可以一次性打印整層；以及一個(gè)二極管固體激光器，其可以并行優(yōu)化每層的結(jié)構(gòu)。與大多數(shù)高科技解決方案一樣，雖然結(jié)果似乎很容易理解，但實(shí)現(xiàn)過程卻非常復(fù)雜。

將數(shù)字光源投影儀及其精密的光學(xué)系統(tǒng)與激光器結(jié)合起來，需要完美的配合。兩個(gè)設(shè)備需要發(fā)出相同波長(zhǎng)的光：為了確保高生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)光源之間允許的最大偏差為30μm。Axtra3D公司首席產(chǎn)品和創(chuàng)新官Federico Iacovella解釋說：“我們知道，了解激光參數(shù)和光束形狀對(duì)打印結(jié)果至關(guān)重要，因此我們需要可靠的測(cè)量結(jié)果。”

光束的圓度是關(guān)鍵

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，確保增材制造過程的可重復(fù)性，是開發(fā)新技術(shù)的首要任務(wù)。特別是當(dāng)涉及到3D打印機(jī)的工業(yè)用途時(shí)，客戶希望每次打印都能獲得完全相同的產(chǎn)品。為了確保HPS光引擎的高質(zhì)量，在研發(fā)階段以及在生產(chǎn)過程中，甚至在維護(hù)打印機(jī)時(shí)，檢查包括光束形狀在內(nèi)的相關(guān)光束參數(shù)非常重要。

考慮到這一點(diǎn)，Iacovella一直在尋找一種易于使用的測(cè)量裝置，同時(shí)還能在產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段提供高端測(cè)量，“我們首先嘗試了基于相機(jī)的測(cè)量設(shè)備，但發(fā)現(xiàn)它們并不適合我們的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，我們決定測(cè)試基于狹縫的測(cè)量設(shè)備，并取得了成功。”

Ophir NanoScan光束質(zhì)量分析儀的孔徑為9mm，可以更靈活地使用不同的光束尺寸，而且更易于管理。Iacovella繼續(xù)說道：“即使我們最終要測(cè)量的是45μm 的小光斑，也要從7mm的光束開始。有了Ophir NanoScan設(shè)備，我們就能利用其寬泛的測(cè)量范圍獲得充分的靈活性。”

基于PC的儀器根據(jù)ISO 11146標(biāo)準(zhǔn)分析激光光束的空間輻照度曲線（見圖3）。由于光束質(zhì)量分析儀測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，光束尺寸和光束指向的測(cè)量可以滿足3-sigma精度，達(dá)到幾百納米。HPS光引擎需要圓度達(dá)到90%的激光光束；借助NanoScan測(cè)量解決方案，無論是在潔凈室還是在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，Axtra3D公司都能精確測(cè)量激光光束的直徑和形狀（見圖4）。

圖3：基于PC的光束質(zhì)量分析儀，其包括2D和3D等圖形化功能。

圖4：Axtra3D依靠掃描狹縫式光束質(zhì)量分析儀（左）和圓形光電二極管傳感器（右）的組合，來實(shí)現(xiàn)精確、可重復(fù)的測(cè)量。

功率和能量管理

HPS技術(shù)的另一個(gè)核心問題是，始終使用特定的激光能量來聚合樹脂。由于Axtra3D需要獨(dú)立制造Lumia X1系統(tǒng)中的每個(gè)二極管激光器（包括二極管驅(qū)動(dòng)器），因此非常有必要對(duì)每個(gè)二極管激光器的功率進(jìn)行單獨(dú)分析。Iacovella 解釋說：“我們使用Ophir PD300-3W來測(cè)量單個(gè)二極管的功率，從而將響應(yīng)電流與每個(gè)二極管的功率線性化。通過這種方式，我們可以確保每個(gè)二極管激光器為每個(gè)單獨(dú)的3D打印過程提供所需的能量。”

就可重復(fù)性而言，這些測(cè)量對(duì)于Lumia X1系統(tǒng)的制造和維護(hù)至關(guān)重要。PD300-3W的測(cè)量結(jié)果通過緊湊型手持式 Ophir StarBright功率計(jì)顯示，該功率計(jì)為用戶提供了復(fù)雜的功率和能量記錄選項(xiàng)、數(shù)學(xué)功能以及多種圖形顯示選擇等。

光聚合達(dá)到新水平

Axtra3D公司的HPS技術(shù)，對(duì)光聚合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。其3D打印工藝的速度不僅超過了SLA打印機(jī)，而且可與高速DLP工藝相媲美，通過使用雙光源，該技術(shù)無需進(jìn)行后期處理。這在很大程度上與所采用的測(cè)量技術(shù)直接相關(guān)。“Ophir測(cè)量設(shè)備是產(chǎn)品創(chuàng)新的重要組成部分，因?yàn)闇y(cè)量激光參數(shù)為我們實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量3D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。”Iacovella總結(jié)道。

作者：Dagmar Ecker