UVレーザー3Dプリント技術の研究と応用

この記事では、3D プリントにおける UV レーザーのプロセス研究と応用を理解し、習得するためのガイドとなります。
1. レーザーとレーザー加工技術
（１）レーザーレーザーは 1960 年代の重要な発明の 1 つであり、優れた単色性、指向性、強力なコヒーレンス、高出力密度などの利点があります。業界の発展に伴い、レーザーの種類はますます増えています。レーザーは波長によって、赤外線レーザー、緑色レーザー、紫外線レーザーの3つに分類されます。ここでは主に紫外線レーザーの用途とプロセスを紹介します。

（２）紫外線レーザー紫外線レーザーの波長は355nmで、冷光源であるため、材料によく吸収され、材料へのダメージを最小限に抑えます。紫外線レーザーの波長は比較的短いです。国内のベリン3W紫外線レーザーを例にとると、そのパルス幅は10ns～15nsで、材料に対する作用時間は比較的短いため、熱影響の時間を最小限に抑え、材料を保護することができます。スポットは0.5mmです（上記のデータは、メーカーによってレーザーによって異なります）。スポットが小さいほど、エネルギーが集中します。ファイバーレーザーの高い熱効果や CO2 レーザーの大きなスポットと比較して、UV レーザーはいくつかの特殊材料の加工において独自の利点を持っています。

UVレーザー

2. 3DプリントにおけるUVレーザーの応用とプロセス（SLA）

（１）UVレーザー3Dプリントの原理と仕組み<br /> 紫外線レーザーは液体感光性樹脂にパルス紫外線（UV）を照射し、走査型ガルバノメータでX-Y平面で下から上へ層ごとにスキャンして積み重ね、最終的に固化して成形します。成形精度は高く（±0.1mm）、シミュレーションの復元度も高いです。

（２）３DプリンティングにおけるUVレーザーの主な影響パラメータ<br /> 液体感光性樹脂は紫外線の吸収係数が最も大きいため、より低い光エネルギー密度で樹脂を硬化させることができます。ただし、感光性樹脂による紫外線の吸収は、浸透深度の増加とともに紫外線のエネルギー密度が指数関数的に減少するという、ランベルト・ベールの法則に従います。理論と実験によれば、ゲルは、液体感光性樹脂が受ける紫外線エネルギー密度が一定の閾値を超えた場合にのみ生成されます（ゲル状態は、液体と固体状態の間の臨界状態です）。したがって、硬化プロセス中は、硬化するために 200mw を超える連続紫外線を継続的に出力する必要があります。しかし、どうすればより良い硬化品質を実現できるのでしょうか。

樹脂の硬化品質は、主に、紫外線レーザーの液面上での走査速度、レーザー形成スポットのサイズ、レーザーの連続出力の 3 つの要素によって決まります。ガルバノメータのスキャン速度は、レーザーパルスの数と液体感光性樹脂の表面における紫外線レーザーの接触時間に直接影響します。スキャン速度が速すぎると、レーザーパルスの数が不足したり、接触時間が短くなったりして、最終的な硬化硬度が低下したり、硬化に失敗するなどの一連の問題が発生する可能性があります。

液状感光性樹脂の表面のUVスポットの大きさは、支持体の厚さと完成品の厚さに影響します。レーザースポットが円形でない場合、樹脂上のエネルギー分布が不均一になり、最終成形品の品質が低下したり、硬化ライン幅が異常になったりする可能性があります。最後に、レーザー出力です。一般的に、350mw～500mwの連続的で安定した出力が最適です。出力が高すぎると樹脂が黒や黄色に変色する可能性があり、出力が低すぎると樹脂が白くなったり、硬度が低下したりする可能性があります。連続出力が不安定な場合、異常な硬化ラインや硬化深度などの問題が発生する可能性もあります。要約すると、より良い硬化品質を得るには、レーザーが以下の条件を満たす必要があります。
1. 350mw以上の継続的かつ安定した出力。
2.連続的で安定したレーザー出力パルス。
3.レーザースポットの品質が向上しました。

そのため、ベリンレーザーは、3Dプリントや積層造形用途向けに、0.5～3Wの空冷式UVレーザー（LP105）を特別に発売しました。このレーザーの単一パルスエネルギーは>5μJ@100kHz、繰り返し周波数は30～100kHz、パルス幅は<70ns@100kHz、ビーム品質は高く（M2 <1.3）、スポットの真円度は>90%です。これらの厳格なパラメータ要件により、硬化プロセス中の硬度不足や色の違いなどの一連の問題を完璧に解決できます。空冷方式により、レーザーが小型化され、3Dプリントの全体的な光路に統合しやすくなります。

処理効果例

出典: Tribe of Three

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