首先我们可以先对激光的分类进行一个系统的了解,目前激光总的来说分成三大类,1. 固体激光。 2. 气体激光。 3. 半导体激光。不同的激光类型对应着不同波长, 固体激光以Nd:YAG为例波长为1.06um。而你说的CO2激光波长是10.6um,这并不是我们选择的,是二氧化碳波长本身就是这个参数。 二极管激光波长为1um左右。
选择哪种激光要从光束质量,加工功率,传输条件,加工材料,能量损耗以及成本等方面综合考虑。
在3D打印中激光的应用,我们以Selektive Laser Schmelzen(SLM)为例说明, 也就是选择性激光熔融(Selective Laser Melting)。这个工艺对光束本身的质量和聚焦性要求很高,那么二极管激光就用得少,因为光束质量的问题它的聚焦性不如前面两种,所以它在工业方面的应用主要是激光硬化,镀层等非精细加工,这与我们的主题3D打印无关。
一般情况下SLS可以使用固体激光或者CO2激光, 但是他们两者又有显著的区别。题主已经提到了波长这个问题,那么我们首先可以从
波长
上解释。对于金属材料,波长越短的激光能量的吸收率越大,而波长越长,反射率越大,陶瓷等材料则相反。所以理论上短波的固体激光适用于加工金属材料,而长波的CO2激光适用于加工陶瓷材料。除了波长以外,
激光的传输
在工艺上也是一个不可小觑的因素,固体激光可以通过光纤传输,不仅灵活而且能量损耗小。但是CO2激光则不行,为什么呢?还是因为波长,前面已经说过了,波长长的激光在陶瓷中的吸收率大,而光纤的成分是什么?玻璃呀!在传输过程中能量就被吸收了,那最后就没剩多少了,损失太大,那CO2激光用什么传播?答案是--铜镜。 没错,就是利用镜子的反射作用,至于为什么是铜镜,因为Cu的导热性好,不会因为发热而导致“热透镜”效应,但是镜子跟光纤相比,质量,体积,灵活度大打则扣,而且最后还会导致偏角产生问题,在大面积激光切割过程中要一次次调整激光的偏角,所以大面积激光切割时尽可能选择固体激光。既然CO2激光有那么多缺点,但是为什么还是频频活跃在市场中?
这里我要解释下,尽管它缺点多,但是有一个绝对的优势,那就是在功率高,散热好。热的传导有两种方式,扩散和对流,固体激光只能通过扩散,外层扩散快,可里面的热要出来就相对就难了,如果内部温度过高,不仅仅光束本身的质量,就连激光器的寿命都会降低。而气体可以通过直接对流的方式,散热比固体快得多,所以在SLM中,很高功率下,还是会选择气体激光。当然现在很多研发人员对固体激光的散热做了很多改进,包括改变固体形状,增大散热面等方式,使得固体激光也能用于高功率下,但是考虑到成本等综合因素,CO2激光还是会被首先考虑。
总的来说,随着其他激光的不断完善,CO2激光已远不如曾经那么辉煌,因为其根本问题无法解决,而在大市场下,优胜劣汰永远是王道。