一種混合光合成技術，大大提升了3D打印速度，并且打印件無需后期處理，對光聚合技術的發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。

圖 1：狹縫式激光光束質(zhì)量分析儀，確保增材制造工藝的可重復性。

Axtra3D公司成立于 2021 年，其目標是重塑增材制造行業(yè)。成立僅一年后，該公司就推出了混合光合成（Hybrid PhotoSynthesis，HPS）技術，該技術正在改變增材制造市場的格局。

HPS是首個同軸系統(tǒng)，其允許用戶快速打印精細的特征結構，并能實現(xiàn)優(yōu)異的表面精加工。這項創(chuàng)新技術基于光聚合工藝，其采用兩種光源：數(shù)字投影儀光源和固體激光器。HPS技術的關鍵在于激光束與數(shù)字投影光源的完美同步。借助 MKS公司提供的技術，兩種光源達到了理想配合，并在整個產(chǎn)品周期中依靠 Ophir測量設備完成測試。

突破光聚合的局限性 

增材制造為快速生產(chǎn)3D零件提供了巨大的機會。自20世紀80年代第一個商用立體光固化成型（SLA）設備面市以來，增材制造技術一直在不斷發(fā)展。與此同時，逐層樹脂打印技術也可用于日常家用。但是，即使是工業(yè)級高端SLA解決方案，在制造速度和表面質(zhì)量方面仍然存在局限性。為了克服速度上的限制，數(shù)字光處理技術（DLP）應運而生；DLP技術可以實現(xiàn)整層打印。投影儀將每一層的圖像投射到樹脂上，樹脂在紫外光照射下固化。

盡管DLP技術為增材制造帶來了顯著改進，但是制造的成品仍需大量返工。打印件必須清洗，可見的表面結構需要額外處理。

Axtra3D公司致力于解決上述問題。Axtra3D公司總部位于美國，其創(chuàng)新實驗室和生產(chǎn)設施位于意大利，公司圍繞一組專利而成立，目標是開發(fā)突破性的增材制造解決方案（見圖1、圖2）。Axtra3D公司創(chuàng)始人兼首席營運官Paul Spoliansky表示：“我們的技術結束了與其他增材技術之間的權衡。我們能讓客戶按照CAD 文件進行打印，并且不需要返工。”

圖2：測量裝置安裝在支架上，用來測量激光光束。

將關鍵技術引入HPS光引擎

最近在Lumia X1 3D打印機中引入的HPS技術包括：一個數(shù)字光處理器，其可以一次性打印整層；以及一個二極管固體激光器，其可以并行優(yōu)化每層的結構。與大多數(shù)高科技解決方案一樣，雖然結果似乎很容易理解，但實現(xiàn)過程卻非常復雜。

將數(shù)字光源投影儀及其精密的光學系統(tǒng)與激光器結合起來，需要完美的配合。兩個設備需要發(fā)出相同波長的光：為了確保高生產(chǎn)標準，兩個光源之間允許的最大偏差為30μm。Axtra3D公司首席產(chǎn)品和創(chuàng)新官Federico Iacovella解釋說：“我們知道，了解激光參數(shù)和光束形狀對打印結果至關重要，因此我們需要可靠的測量結果。”

光束的圓度是關鍵

從長遠來看，確保增材制造過程的可重復性，是開發(fā)新技術的首要任務。特別是當涉及到3D打印機的工業(yè)用途時，客戶希望每次打印都能獲得完全相同的產(chǎn)品。為了確保HPS光引擎的高質(zhì)量，在研發(fā)階段以及在生產(chǎn)過程中，甚至在維護打印機時，檢查包括光束形狀在內(nèi)的相關光束參數(shù)非常重要。

考慮到這一點，Iacovella一直在尋找一種易于使用的測量裝置，同時還能在產(chǎn)品生命周期的每個階段提供高端測量，“我們首先嘗試了基于相機的測量設備，但發(fā)現(xiàn)它們并不適合我們的現(xiàn)場應用。因此，我們決定測試基于狹縫的測量設備，并取得了成功。”

Ophir NanoScan光束質(zhì)量分析儀的孔徑為9mm，可以更靈活地使用不同的光束尺寸，而且更易于管理。Iacovella繼續(xù)說道：“即使我們最終要測量的是45μm 的小光斑，也要從7mm的光束開始。有了Ophir NanoScan設備，我們就能利用其寬泛的測量范圍獲得充分的靈活性。”

基于PC的儀器根據(jù)ISO 11146標準分析激光光束的空間輻照度曲線（見圖3）。由于光束質(zhì)量分析儀測量的準確性和穩(wěn)定性，光束尺寸和光束指向的測量可以滿足3-sigma精度，達到幾百納米。HPS光引擎需要圓度達到90%的激光光束；借助NanoScan測量解決方案，無論是在潔凈室還是在實際生產(chǎn)環(huán)境中，Axtra3D公司都能精確測量激光光束的直徑和形狀（見圖4）。

圖3：基于PC的光束質(zhì)量分析儀，其包括2D和3D等圖形化功能。

圖4：Axtra3D依靠掃描狹縫式光束質(zhì)量分析儀（左）和圓形光電二極管傳感器（右）的組合，來實現(xiàn)精確、可重復的測量。

功率和能量管理

HPS技術的另一個核心問題是，始終使用特定的激光能量來聚合樹脂。由于Axtra3D需要獨立制造Lumia X1系統(tǒng)中的每個二極管激光器（包括二極管驅(qū)動器），因此非常有必要對每個二極管激光器的功率進行單獨分析。Iacovella 解釋說：“我們使用Ophir PD300-3W來測量單個二極管的功率，從而將響應電流與每個二極管的功率線性化。通過這種方式，我們可以確保每個二極管激光器為每個單獨的3D打印過程提供所需的能量。”

就可重復性而言，這些測量對于Lumia X1系統(tǒng)的制造和維護至關重要。PD300-3W的測量結果通過緊湊型手持式 Ophir StarBright功率計顯示，該功率計為用戶提供了復雜的功率和能量記錄選項、數(shù)學功能以及多種圖形顯示選擇等。

光聚合達到新水平

Axtra3D公司的HPS技術，對光聚合技術的進一步發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。其3D打印工藝的速度不僅超過了SLA打印機，而且可與高速DLP工藝相媲美，通過使用雙光源，該技術無需進行后期處理。這在很大程度上與所采用的測量技術直接相關。“Ophir測量設備是產(chǎn)品創(chuàng)新的重要組成部分，因為測量激光參數(shù)為我們實現(xiàn)高質(zhì)量3D打印技術奠定了基礎。”Iacovella總結道。

作者：Dagmar Ecker