近期，高功率和高亮度工業(yè)藍(lán)色激光技術(shù)的領(lǐng)先創(chuàng)新者NUBURU公司宣布與美國空軍簽訂了一份技術(shù)服務(wù)合同：在2023年第一季度交付了世界上第一臺(tái)藍(lán)色激光驅(qū)動(dòng)的區(qū)域燒結(jié) 3D 打印激光器。

　　NUBURU公司成立于2015年，是一家工業(yè)藍(lán)光激光器的開發(fā)商和制造商，利用基礎(chǔ)物理學(xué)及高亮度、高功率的設(shè)計(jì)，在銅、金、鋁和其他重要工業(yè)金屬的激光焊接和增材制造中，能夠以更快的速度、更高的質(zhì)量進(jìn)行零件焊接和成形。NUBURU的工業(yè)藍(lán)光激光器所成形的焊縫尺寸很小，甚至達(dá)到無缺陷，比傳統(tǒng)方法快8倍，且兼具激光加工方法所固有的靈活性。

　　NUBURU與美軍簽訂了兩期的技術(shù)服務(wù)合同，合同內(nèi)容是利用藍(lán)色激光的吸收優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合德州儀器的區(qū)域燒結(jié)金屬3D打印技術(shù)（一種通過數(shù)字光投影儀將圖像投射到粉床上成形金屬的技術(shù)），極大地提高金屬零件的3D打印速度。NUBURU將激光器交付給合作伙伴，整合到金屬3D打印機(jī)中。藍(lán)激光器使用了比一般金屬3D打印機(jī)光斑大3萬倍的圖像，大幅度提升了打印速度，但分辨率并未打折扣。這種3D打印機(jī)器可以進(jìn)一步升級(jí)，將高密度材料的打印速度提升100倍或更高，同時(shí)極大地減少二氧化碳的排放。根據(jù)NUBURU的研究數(shù)據(jù)顯示，與紅外激光器相比，藍(lán)激光設(shè)備在3D打印不銹鋼部件時(shí)二氧化碳排放量最多可減少2.75倍。

　　NUBURU對(duì)這些技術(shù)的投資，幫助公司開發(fā)了一個(gè)強(qiáng)大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)平臺(tái)，包括190多項(xiàng)專利。這些專利廣泛涵蓋了激光技術(shù)，包括某些被美國政府視為機(jī)密的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　基礎(chǔ)物理屬性賦予了藍(lán)激光獨(dú)特的成形優(yōu)勢(shì)

　　NUBURU 于 2017 年發(fā)布了第一款與工業(yè)相關(guān)的藍(lán)色激光器。許多金屬對(duì)藍(lán)光的吸收能力遠(yuǎn)高于其他波長，因此藍(lán)色激光器迅速被各行各業(yè)采用。隨著藍(lán)色激光的功率和亮度增加，出現(xiàn)了新的應(yīng)用范圍。在南極熊之前發(fā)布的文章中，也提到了藍(lán)激光在增材制造領(lǐng)域所展示出的強(qiáng)大應(yīng)用能力：開啟激光3D打印制造銅材料大門的“密鑰”。

　　藍(lán)色激光器基于GaN芯片的設(shè)計(jì)可在不降低光束質(zhì)量的情況下提高性能。對(duì)于材料加工應(yīng)用——激光焊接是最典型的例子——增加功率密度可以增加熔深和焊接速度。藍(lán)色激光與各種材料之間的獨(dú)特相互作用也為增材制造增添了新的能力。以下的示例具體展示了藍(lán)激光如何憑借其獨(dú)特物理屬性實(shí)現(xiàn)新的制造可能性。

　　吸收優(yōu)勢(shì)

　　銅是一種重要的經(jīng)濟(jì)材料，它不適合用傳統(tǒng)的紅外工業(yè)激光（通常約為 1 μm）進(jìn)行加工。藍(lán)色的好處源于基礎(chǔ)物理學(xué)。如下圖所示，銅在紅外波長下僅吸收約百分之五的入射功率。

　　考慮對(duì)焊接的影響。當(dāng)金屬工件被加熱到高于其液相轉(zhuǎn)變溫度以形成 “熔池”時(shí)，就會(huì)發(fā)生焊接。當(dāng)能量源被移除時(shí)，材料凝固。如果一種材料僅吸收入射能量的 5%，則意味著光源必須提供實(shí)際熔化所需能量的 20 倍。這是低效的，但真正的問題是材料加工質(zhì)量差。

　　熔池與母材有很大不同。一旦熔池啟動(dòng)，它會(huì)突然吸收更多的紅外線——比“額外”能量高出20 倍的多得多。結(jié)果是一系列劇烈的微爆炸，焊件飛濺材料。飛濺物還會(huì)留下“氣泡”，最終在接頭處留下空隙?？斩春惋w濺會(huì)降低部件的物理強(qiáng)度和電氣性能，尤其是銅合金材料的物理強(qiáng)度和電氣性能對(duì)部件性能的影響巨大。

　　相較于紅外激光，銅吸收的藍(lán)光是紅外激光的十倍以上。更重要的是，基材和熔池吸收藍(lán)激光能量的效率要更高。當(dāng)藍(lán)色激光提供足夠的能量來啟動(dòng)熔化時(shí)，它會(huì)自動(dòng)提供足夠的能量來維持熔池。由此產(chǎn)生的接頭是快速生產(chǎn)的，沒有空隙，也沒有飛濺。

　　△藍(lán)色激光焊接是銅焊接的最佳選擇：高材料吸收和高效的能量傳輸使 NUBURU 的工業(yè)藍(lán)色激光器成為焊接銅、鋁和其他反光金屬的最佳選擇。

　　亮度優(yōu)勢(shì)

　　吸收功率密度至關(guān)重要，更高的亮度意味著更高的效率，能夠?qū)⒏嗟哪芰繌募す鈧鬏數(shù)焦ぜＨ绻刍饘俚墓馐鴶U(kuò)大到其直徑的兩倍，則它需要承載四倍的功率。能夠很好代表這一點(diǎn)的指標(biāo)是光束參數(shù)積 (BPP)，輸送到工件的功率密度是光束功率和 BPP 的函數(shù)。吸收功率密度還有一個(gè)關(guān)鍵因素：激光波長下的材料吸收。

　　對(duì)于兩個(gè)激光器，一個(gè) BPP 為 30mm-mrad，第二個(gè) BPP 為 60 mm-mrad，第二個(gè)僅提供第一個(gè)的四分之一的功率密度。還要記住，整個(gè)系統(tǒng)的 BPP 不能通過外部光學(xué)器件降低——也就是說，不能提高。BPP 只能從其初始值退化。

　　這就提出了一個(gè)更重要的觀點(diǎn)。功率密度太高也會(huì)導(dǎo)致加工質(zhì)量差。訣竅是使功率密度與應(yīng)用需求相匹配。例如，具有 400 μm 光斑的 1 kW 藍(lán)色激光器可為工件提供約 800 kW/cm 2的功率，而具有 200 μm 光斑的相同 1 kW 激光產(chǎn)生的功率密度約為 3 kW/cm 2。對(duì)于太高的銅焊，會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量差。

　　實(shí)現(xiàn)高功率的方法

　　從概念上講，獲得高功率工業(yè)激光器非常簡(jiǎn)單：從許多單獨(dú)的激光器中獲取輸出并將其傳送到同一工件。要獲得 500W 激光器，需要將來自 500 個(gè)獨(dú)立 1W 光源的小束路由到同一點(diǎn)。要使功率加倍，您可以將 1W激光器的數(shù)量加倍，或者將每個(gè)單獨(dú)光源的功率加倍至 2W。

　　不過，訣竅在于以優(yōu)化光束質(zhì)量的方式調(diào)節(jié)各個(gè)光源，然后在不降低光束質(zhì)量的情況下將它們組合起來。想象一下有 20 個(gè)二極管條形源的情況，每個(gè)二極管都垂直于條形平面發(fā)射。如果這些光束通過單個(gè)透鏡準(zhǔn)直，則它們必然會(huì)受到不同的調(diào)節(jié)，具有不同的空間和角功率分布。這使得在不降低光束質(zhì)量的情況下幾乎不可能將它們組合起來。

　　最大化光束質(zhì)量、匹配子束輪廓并結(jié)合以獲得最佳性能的唯一方法是單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)光束。例如，NUBURUAO-150 從基于芯片的陣列開始，每個(gè)陣列有 20 個(gè)二極管，然后用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的微光學(xué)器件分別對(duì)它們進(jìn)行準(zhǔn)直。來自多個(gè)陣列的輸出通過空間交錯(cuò)和偏振濾波進(jìn)行整合，然后將小光束耦合到直徑為 200 μm 的光纖中。

　　這種打印機(jī)架構(gòu)是可擴(kuò)展的。例如，AO-500 組合了四個(gè) AO-150 的輸出以實(shí)現(xiàn) 500-W 的輸出。獲得更高功率的途徑之一是通過持續(xù)的空間和偏振交錯(cuò)，但設(shè)計(jì)中還內(nèi)置了另一條平行路徑。GaN 二極管技術(shù)相對(duì)不成熟，效率在 30% 左右。GaN 效率有望接近當(dāng)前 GaAs 水平的 70% 左右。這將在不改變系統(tǒng)架構(gòu)的情況下使輸出功率翻倍。

　　昂貴的單模綠光激光器現(xiàn)在正在投放市場(chǎng)。因?yàn)樗鼈兪菃文５模运鼈兊?BPP 可以達(dá)到 5 mm-mrad 的數(shù)量級(jí)，但這提供的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過劣質(zhì)銅焊接的閾值。然后有必要故意降低 BPP 以達(dá)到可以進(jìn)行高質(zhì)量焊接的狀態(tài)。選擇綠激光進(jìn)行增材制造，需要在消除一些不必要的激光特性付出很多工作，并且還需要整合額外的元件以達(dá)到最佳功率密度，從而增加了系統(tǒng)的整體復(fù)雜性。

　　性能優(yōu)勢(shì)

　　激光吸收曲線和功率規(guī)格的變化是有趣的話題，但關(guān)鍵是如何利用這些因素來提高性能。銅焊接的例子突出了這些因素如何提高性能。

　　紅外激光在足以熔化銅的功率與產(chǎn)生空隙和飛濺的閾值之間具有非常窄的工藝窗口。通過“擺動(dòng)”光束——將其圍繞所需的焊縫旋轉(zhuǎn)——有時(shí)可以降低有效功率密度以最大限度地減少缺陷，但不能消除缺陷，有時(shí)甚至找不到可行的工藝窗口。藍(lán)色激光消除了這個(gè)問題。無需特殊曝光。藍(lán)色激光速度更快，焊縫無缺陷。藍(lán)色和其他可見波長之間甚至存在顯著差異。以銅為例，藍(lán)色激光的成形效率比綠色激光高近 20%。也就是說，對(duì)于具有相同 BPP 的藍(lán)色和綠色激光器，綠色激光器有 20% 的內(nèi)在障礙——浪費(fèi)的能量只會(huì)縮窄工藝窗口。

　　藍(lán)色激光與應(yīng)用相匹配的高功率提供了同等的性能優(yōu)勢(shì)。考慮上圖中所示的兩個(gè)相同的500-W 藍(lán)色激光器：一個(gè)是 60 mm-mrad BPP，另一個(gè)是 30 mm-mrad。在 5 m/min 的焊接速度下，60 mm-mrad 系統(tǒng)只能焊接小于 250 μm 的厚度，而 30 mm-mrad 系統(tǒng)的熔深超過 350 μm。同樣，對(duì)于相同厚度（比如 300 μm）的焊接，30 mm-mrad 系統(tǒng)的速度是 60 mm-mrad 系統(tǒng)的兩倍多。

　　近在眼前的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　藍(lán)色工業(yè)激光器相對(duì)較新，但焊接銅金屬的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在電池制造、移動(dòng)設(shè)備組裝和電動(dòng)汽車制造等行業(yè)得到證明。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試已經(jīng)表明藍(lán)色激光可能會(huì)解決一些棘手的問題。焊接不同的材料——例如銅和鋼或銅和鋁——是極具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)檫@些材料具有不同的熱力學(xué)和機(jī)械性能。很難避免“金屬間化合物”的形成，即不同成分的區(qū)域具有同樣不同的機(jī)械和電氣特性。藍(lán)色激光器固有的較寬工藝窗口使其能夠最大限度地減少金屬間化合物的形成并最大限度地提高焊接質(zhì)量。

　　除了焊接之外，切割、蝕刻和熔覆等工藝自然適合藍(lán)色激光材料加工。更有趣的是通過結(jié)合藍(lán)色激光來擴(kuò)展增材制造（3D 打印）能力。藍(lán)色激光既提高了現(xiàn)有材料沉積工藝的性能，又為新材料打開了大門。相信隨著藍(lán)色激光功率和亮度的提高，激光增材制造技術(shù)將延伸到更厚的材料和更高的速度，而新的應(yīng)用也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。

　　關(guān)于區(qū)域金屬燒結(jié)技術(shù)

　　區(qū)域金屬燒結(jié)打印工藝是一種創(chuàng)新的顛覆性3D打印技術(shù)，可使用200萬個(gè)激光點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)部件的大規(guī)模3D打印，速度比傳統(tǒng)激光3D打印技術(shù)快1000倍，讓單個(gè)零件的制造成本大大降低。南極熊對(duì)于這種金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)有過詳細(xì)的介紹：【新提醒】200萬激光點(diǎn)的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)，速度提升1千倍，Seurat獲4100萬美元融資。

　　金屬3D打印創(chuàng)業(yè)公司Seurat Technologies是區(qū)域3D打印技術(shù)的代表，該公司所開發(fā)的新型打印技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對(duì)于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進(jìn)行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個(gè)激光點(diǎn)射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個(gè)光點(diǎn)的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個(gè)區(qū)域。

　　南極熊剖析一下，可能你會(huì)更容易理解這個(gè)技術(shù)的厲害之處：

　　在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當(dāng)于15平方毫米，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米，兩者相差近1000倍，也就是說最多可以實(shí)現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率；

　　在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達(dá)到傳統(tǒng)單激光的10倍。

　　現(xiàn)有的金屬增材制造中效率比較高的兩種工藝是：電弧熔絲和粘結(jié)劑噴射。電弧熔絲使用基于金屬絲的焊接工藝來沉積材料。然而，電弧熔絲的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之間。粘合劑噴射法是基于噴墨打印技術(shù)，以高生產(chǎn)速率打印毛坯部件，然而打印之后還需要進(jìn)行燒結(jié)，兩步法也使這項(xiàng)技術(shù)難以掌握。目前，使用這兩種技術(shù)方法可以實(shí)現(xiàn)400-1,500立方厘米/小時(shí)的打印速度。

　　Seurat的區(qū)域打印技術(shù)的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何現(xiàn)有金屬3D打印技術(shù)。它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。