DLP投影+SLM、新しい金属3D印刷技術は理論上200倍の速度を実現

DLP投影+SLM、新しい金属3D印刷技術は理論上200倍の速度を実現
選択的レーザー溶融法(SLM)は、レーザーで金属粉末を溶融して金属部品を直接形成する技術です。この技術により、3D金属部品をデジタルファイルで自由に設計でき、医療、自動化、航空宇宙、繊維業界で広く使用されています。SLMは、金属粉末を層ごとにレーザースキャンして積層印刷の目的を達成するため、従来の業界に比べて速度が遅く、推進速度が制限されます。SLMのスキャン効率を向上させるには、一般的に、レーザービームの数を増やすか、単一のレーザービームの出力またはスキャン効率を上げるという2つの方法があります。残念ながら、レーザービームの数が4つを超えると、光学系全体が非常に複雑になり、混合レーザービームの総出力を上げることが難しくなります。レーザーのスキャンが速すぎると、製品の微細構造欠陥を引き起こします。
最新の新技術は、特殊な光バルブOALVの助けを借りて、理論的に既存のボトルネックを突破します。この新技術を紹介する前に、光干渉の概念を紹介したいと思います。ご存知のように、光は波であり、波が混ざると干渉が発生します。有名なヤングの二重スリット干渉実験は、光干渉の反応を明確に示しています。

上の図では、自然光が単一のスリットで回折されると、回折された光波は二重のスリットを通過し、2 つの新しい回折光源を生成します。最終的に、2 つの回折光波が互いに干渉し、スクリーンに投影されて明るい縞と暗い縞が生成されます。これらの縞は、2 つの回折光波の山と谷が重なった結果です。

同じレーザーの光波を重ね合わせると、山と谷が重なり合い、山と谷の重なりが打ち消し合います。

一般的に言えば、合成レーザービームのピークを完全に重ね合わせることは困難です。そのため、レーザーの再結合によりレーザー出力が必然的に失われます。後述する解決策を効果的に説明するには、偏光の概念について言及する必要があります。

伝播方向に対する振動方向の非対称性を偏光といい、光は電磁波であり、光波の伝播方向は電磁波の伝播方向であり、光波中の電気振動と磁気振動の方向は伝播方向に対して垂直であるため、光は偏光を持ちます。

偏光フィルムは自然光を偏光に変換し、偏光フィルムのグリッド方向と同じ振動方向の偏光をフィルタリングすることができます。偏光フィルムは車のライトに最も広く使用されています。車が夜間に道路を走行中に対向車に遭遇した場合、双方のヘッドライトのまぶしさを避けるために、運転者はヘッドライトをオフにし、ロービームのみをオンにして、交通事故を回避するために減速します。運転席のフロントガラスとヘッドライトのガラスカバーに偏光フィルムを取り付け、その偏光方向を同じ方向にし、水平面に対して45度の角度に指定すると、運転者はフロントウィンドウから自分のヘッドライトの光だけを見ることができ、反対側のヘッドライトの光は見えなくなります。これにより、夜間の運転時にライトを消したり、速度を落としたりする必要がなくなり、安全運転を確保できます。

OALV 光バルブシステムは、偏光技術を使用して光線間の干渉を効果的に低減します。下図は、OALV 光バルブシステムの原理図です。まず、4 つのレーザーダイオードによって生成されたレーザービームがレンズ L1 を介してレーザービームに結合され、次に L2 と L3 を介して再結像され、ビームホモジナイザーに入ります。均一なレーザービームは L4 と L5 を介して再結像され、次に偏光子を介して偏光になります。次に、IR ビームスプリッターを介して短時間パルスレーザーと結合されます。このとき、新しいプロジェクターによって生成されたビームは、複合レーザービームを選択的にマークします。「オン」とマークされたビームは OALV の 2 つの極をスムーズに通過しますが、「オフ」とマークされたビームは振動方向に偏向され、次の反射偏光子によって光学系から除外されます。選択されたレーザービームは SLM 溶融に使用することも、グレースケール画像をカメラで撮影してレーザーの状態を検出することもできます。システム全体のレーザー出力はパルスレーザーであり、1 つのパルスで金属粉末の層を焼結できます。

最終実験では、この新しいフルレイヤー 3D 印刷システムを 2 つの 3D モデルでテストしました。1 つ目は Thingverse.com からダウンロードしたインペラで、構築に適したサイズに縮小されています。2 つ目は CAD で設計された LLNL ロゴです。以前の技術では、SLM 技術を使用してこのようなインペラを製造するのに 3.2 時間かかりましたが、OALV 光バルブ システムの構築にかかる合計時間は約 1 時間で、全体的な効率が 3 倍向上しました。適切な光増幅器コンポーネントを使用することで、この技術は生産効率を 200 倍に高める可能性があります。


オリジナル参考文献: 光学的にアドレス可能な光バルブを使用したダイオードベースの金属の積層造形、Manyalibo J. Matthews、Gabe Guss、Derrek R. Drachenberg、James A. Demuth、John E. Heebner、Eric B. Duoss、Joshua D. Kuntz、および Christopher M. Spadaccini

必要な場合は、メッセージを残して Antarctic Bear に依頼してください。
編集者:Antarctic Bear 翻訳者:Yan Qizhen(フランクフルト大学物理学修士)


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