光固化能源技术

光固化能源技术

(SL工艺）

在光固化三维打印快速成形工艺中,从打印头喷射到成形面上的是液态光敏树脂材料,在紫外光的照射下,光敏树脂材料中的光引发剂吸收紫外光辐射能发生化学变化生成活性中间体,活性中间体引发光敏树脂材料的低聚物进行链式聚合反应,使成形面上的光敏树脂材料由液态转变为固态,以实现光固化三维打印的单层成形。

SL工艺所用的光源主要为波长小于400nm的紫外激光器。

SL工艺紫外灯固化机理光敏树脂材料有一个临界曝光量Ec,只有当液态光敏树脂材料实际接受的紫外光的辐射能量(即曝光量)E超过其临界曝光量Ec这一闭值,即E≥Ec。,光敏树脂材料才会发生相变,从液态变为固态。紫外灯发出的紫外光经椭圆形反射器聚焦后是以线光源的形式照射到成形工作面上,其照射模型如下图所示。取紫外灯在固化成形过程中的运动方向为X轴,垂直向下为Z轴正向,经椭圆形反射器反射聚焦后的紫外光在X轴方向上的光强满足高斯正态分布。其光强分布函数为式（1）图紫外光照射模型液态光敏树脂材料对紫外光的吸收一般符合Beer-Lambert规则，即在Z轴方向上的光强分布函数可表示为：式（2）合并上述两式可得被紫外光照射的光敏树脂材料在X-Z平面内的光强分布函数为:

式（3）当被聚焦的紫外光沿X轴方向以匀速v运动,则液态光敏树脂材料内部任一点接受的紫外光的辐射能量E可通过下式求得:式（4）将式(3)带入(4),并对其积分可得:式（5）令E(x,z)等于光敏树脂材料的临界曝光量Ec,则可求得最大固化深度Ds为:式（6）光源选择依据1）SL快速成型系统对光源的要求（1）价格及运行成本低

SL快速成型系统目前主要有两大类，一类是面向工业品开发的高价格的SL设备，价格一般在100万人民币以上；另一类是面向模型制作的低价格的SL设备，价格一般在50万人民币左右。高价格的SL设备大都使用昂贵的紫外激光器，寿命也较短，一般为2000小时，这就造成了这类SL设备的价格及运行成本都很高，并在一定程度上妨碍了SL设备的进一步推广及应用。低价格的SL设备一般采用的是其它光源，如紫外灯、可见光激光器等，这类光源虽然价格便宜，但与紫外激光器相比，性能较差，几乎没有高效的光敏树脂与之配合，加工的精度及加工的速度较慢。因此，开发制造成本及运行成本均低的高性能激光器将是SL设备的一个发展方向。（2）体积小适合办公环境或小区域范围内的工作。2）光学系统对光源的基本要求（1）功率效率高（2）结构尺寸小（3）运行成本低（4）稳定性好（5）工作温度稳定3）成型材料对光源的要求（1）输出功率高（2）频谱范围匹配（3）相干性好光源介绍

光固化三维打印快速成形的工艺要求从打印头中喷射到成形面上的液态光敏树脂材料能够在紫外灯的照射下迅速固化,因此在选择紫外灯时,要求紫外灯的发射光谱同光敏树脂材料中的光引发剂的吸收光谱相匹配。这样不仅可以提高紫外光的吸收效率,而且可以减少光敏树脂材料中光引发剂的用量,降低材料的成本。此外,紫外灯还必须要有足够的能量,以保证光敏树脂材料在紫外灯的照射下能够快速固化。1、气体激光器

气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。

与固体、液体比较，气体的光学均匀性好,因此,气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。

气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外,既可以连续方式工作,也可以脉冲方式工作。1）He-Cd激光器氦镉激光器是一种金属蒸气离子激光器。其中产生激光跃迁的是镉离子（Cd+)，氦气（He）作为辅助气体。它与氦氖激光器类似，可以在直流放电的条件下连续工作。它比氦氖激光有更高的输出功率（一般为几十毫瓦），发射波长较短，为441.6nm（蓝紫色）和325nm（紫外），因此，是一种更适用于光敏材料曝光和全息印刷制版的较理想的光源。

2）Ar+激光器

氩离子(Ar+)激光器是最常见的离子激光器。Ar+激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以0.4880mm蓝光和0.5145mm绿光两条谱线最强。Ar+激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相、信息处理、光谱分析及医疗和工业加工等许多领域。

3） N2激光器氮分子激光器是一种重要的近紫外相干光源。它的输出峰值功率高（Peakpower_45kW），脉冲持续时间短（<3.5ns），而且结构简单，制造容易，因此受到人们的广泛重视。它可以作为有机染料激光器的泵浦光源，可以获得从近红外到近紫外的连续可调激光输出，是激光喇曼光谱仪的一种理想光源。此外，氮激光器在激光分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用。由于其短波长更易聚焦得到小光斑，因此被用于加工亚微米量级的元件了，例如光掩模、复杂的集成电路、薄膜电阻的生产。2、固体激光器

用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

固体激光器的工作物质由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活例子或其他激活物质构成，一般应具有良好的物理化学性质、窄的荧光线谱、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。常用的激光晶体有红宝石（Cr:Al2O3，波长6943埃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG，波长1.064微米）、氟化钇锂（LiYF4，简称YLF;Nd:YLF，波长1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波长2.06微米）等。固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用激光激励的。固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。3、半导体激光器

用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。

半导体激光器具有以下优点：(1)体积小，重量轻；(2)驱动功率和电流较低；(3)效率高、工作寿命长；(4)可直接电调制；(5)易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6)与半导体制造技术兼容；可大批量生产。

由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究。成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温77K、脉冲运转发展到室温连续工作、工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光；阈值电流由