16条激光束、专属打印子区域——SLS面烧结3D打印技术新发展

当前，主流的激光烧结3D打印使用二氧化碳激光器，如EOS和3D Systems的设备，这是因为高分子聚合物材料对10.6μm波段的激光具有更高的吸收率；华曙高科在传统产品之外推出了使用光纤激光器的激光烧结3D打印机，进一步提高了成型效率，但需要对材料添加其他成分来增加材料吸收激光的能力；EOS在几年前推出了使用百万个二极管激光器实现面烧结的概念，但如今并未有产品上市。材料和激光的匹配是一个重要的影响因素，如今主流的激光烧结材料仍然以尼龙为主，材料种类有限、开发成本高，成为影响大批量增材制造的主要障碍。

激光烧结技术的发展

3DM开发并获得专利的激光器旨在最佳匹配热塑性塑料的能量吸收，它是一种体积非常小的半导体元件，成本仅有几十美元、光源功率高（高达4W，相当于20WCO₂激光器）。值得注意的是，激光器可以设计为发射中红外光谱中的任何波长，从而优化匹配所有热塑性塑料的吸收特性。

更小的光斑尺寸获得更小的热影响区域

这种最佳的材料吸收能力带来了一个无法忽视的重要优势：在Z轴上熔化和加热材料的深度可以精确控制，同时它还具有更小的光斑尺寸。与其他常用的SLS技术相比，这可以防止打印层之间的打印失真并提高打印质量。

3DM的打印头设计基于科平行移动的激光束阵列，每束光都分配了独立的专属扫描子区域，而子区域的大小是根据打印机所需的目标速度预先配置的。打印床尺寸可设计成任何需要的矩形，如600x600mm的整床分配150x150mm的光束子区域，打印头配置16条激光束。

每束激光负责一个区域

打印头内配置了用于对齐的测量系统，它对X/Y比例变化、移动和旋转进行测量，对每层实时的执行对齐。

光束头的设计最大程度发挥了3DM自主研发激光光源的优势，目标是以显著更低的成本为更多材料提供具有高功率、高分辨率的卓越激光束性能。3DM的光学配置为：多个激光器组合为一个光束头（形成一束激光），若干个光束头形成一个打印头。

由多个光束头组成一个打印头

一个光束头就是一个激光模块，可以包括1-6个激光器，配合其他光学元件，将所有激光组合成一束高质量、高功率的光束。增材制造技术前沿注意到，3DM的激光器是基于半导体制造工艺制造。由于相同波长的激光不容易组合，每对激光都设计为以适合材料吸收的不同波长传输，通过组合2-3对激光，可以将到达材料表面的激光功率提高三倍。

可扩展可以分为材料的多样性和打印尺寸可调的灵活性。由于波长可调，就决定了材料适用范围可以更为广泛；通过增加光束头的数量，则可以增加打印尺寸。

3DM的可扩展光束头、可移动打印头和双打印床配置

对于更为广泛的材料适用性，增材制造技术前沿认为可能实用性并不大，因为10.6um波段已经有了很宽的聚合物能量吸收能力。对于效率的提升，则是显而易见的，这实际上和EOS几年前提出的面烧结极为相似，或者称之为面烧结与并不为过。从3DM给出的宣传视频也可以看到，其所开发的设备在架构上也有很大不同，它基于可扩展光束头、可移动打印头和双打印床配置，确实可以极大提高制造吞吐量。

成本和效率一直都是3D打印行业应用终端关注的要点，解决这些问题是一家企业能否成功的关键。皆因于此，才有了文章开头所讲的光源技术的重要发展。与当前主流的基于二氧化碳激光器的SLS技术相比，3DM声称，基于其独特的光学和架构配置可以将粉末床3D打印的速度降至每层1秒，从而将打印机的吞吐量提升10倍；3D打印技术参考曾经介绍了南科大的研究人员对SLS与MJF技术的打印速度分析，发现MJF在标准模式下的打印速度约为每层10s。因此可以看出3DM“面曝光”的速度之快，与之带来的是打印成本的大幅降低。

性能也是3D打印行业无法回避的重要问题。更好的材料-激光波长匹配性无疑会提高材料的性能，更小的光斑尺寸和更好的热量控制也将带来优异的表面质量和细节特征呈现能力。3DM声称其以150微米分辨率设计的原型机展示了低至10微米的高分辨率；而基于其技术可以获得各向同性的零件，并具有比行业标准更好的机械性能。

波长可调则避免了为适用光源而去开发匹配材料，从而扩大了材料的适用范围，从PA、PP、TPU到PEEK，定制波长为打印更多材料带来了新机会。

未来这项技术将如何发展，让我们拭目以待。