技术分享 | 光学器件设计和选择技术要点分析

增材制造（也被称为3D打印）诞生于20世纪80年代，初采用紫外光源进行聚合树脂光学固化。过去几十年里，科技的进步使得人们能够通过各类聚合物、粉末甚至金属来制作功能部件。3D打印在多个行业的应用呈爆炸性增长之势，在医疗行业尤为突出，其中许多应用受益于可快速生产供膝关节和髋关节置换手术所用的定制化骨科植入物。例如，牙科就是3D打印普及的医疗领域之一，常常使用3D打印技术来制作口腔正畸所需的高度定制化牙冠、牙桥和矫正器。

▲图1：激光粉末床融合 (LBPF) 3D打印机的光路，其中显示了用于控制并控激光束进入粉末室的所有核心光学与光子产品技术，

以及对构建体进行实时光学监测的检测路径。插图显示了将光束定向至检测路径的二色性光学分束器光谱曲线。

（该光谱由Iridian Spectral Technologies提供）

光是一种可定向的能量形式，为3D打印在医疗行业的应用开辟了广阔的空间，从而允许使用激光、高功率LED光源和投影光学系统在生产速度日益加快的情况下可靠地制作高分辨率的特征。开始的机器架构师利用现成的 (OTS) 光学和系统组件，往往需要牺牲部分性能。然而越是复杂的几何结构，其特征更精细，对表面光洁度的要求更高，越需要更高的能源控制以及现场监测和稳定工艺的能力。因而，当前及下一代机器都需要具有高度定制化的光学设计来将光束可重复地高效引导至工作平面。

为了保持工业级3D打印机数小时到数天内稳定运行，工程师们面临着许多光学器件设计和选择方面的高难度挑战（例如，玻璃类型、表面形状、光学涂层、制造公差）。这些机器通常需要通过严格的认证程序，并符合医用植入物规范标准。本文涵盖了许多值得工程师们参考的重要技术主题，包括：

1、将光束大限度转移至粉末床上

2、如何通过光学元件及其功能来提高零部件制造精密度

3、光学器件上的所有光学涂层对于确保光束效率的重要性

4、光学实时闭环计量对于零部件生产验证的重要性

打印分辨率是推动增材制造的一个关键因素。使用钛和工程聚合物等各种材料以精确的尺寸打印零部件，使之具有规定的表面光洁度和密度特性，能够大限度减少后续处理步骤，例如机械加工和抛光。这使得根据患者量身定制打印部件不仅相比传统减材制造工艺变得速度更快，而且使得成本由于供应链的去中心化或分散化而得以降低。定向激光能量和投影系统广泛应用于表1所述的增材制造光学系统。通过适当的光学元件，这些机器可根据特定的光斑尺寸和强度均一性要求来定制光束以获得所需的能量分布 ，从而加快构建速度，改善零件质量。

▲表1：各类医用金属、塑料和聚合物零部件产线采用的3D打印机类型、工艺和材料

基于粉末床融合技术的金属增材制造工艺是光学组件和系统设计决定零部件整体质量的典型示例。激光粉床融合 (LPBF) 系统的基本光学布局如图1所示。高功率激光源（通常为光纤激光器）发射1 kW或更高功率的近1070 nm光波穿过光纤准直器和聚焦元件，再通过多轴扫描镜定向至工作平面。聚焦光斑的质量和稳定性直接受所选光学和机械元件影响。

在使用高功率激光器的工艺中，哪怕细微的散射能量也不容忽视，否则可能会在光学元件和支撑机构内部同时引起剧烈的热效应。金属力学内部的热膨胀可能导致元件位置出现位移或漂移，因此需要格外注意材料选择和空冷或水冷。光学器件内部存在一种因玻璃受热引起的“热透镜”现象，影响透镜形状和材料折射率。热透镜效应是粉末床室入口处以及光束路径高光强区域附近元件常见的问题。如果材料和涂层选择不当，热透镜效应可能导致激光光斑焦点随空间和时间漂移，进而导致能量分布低于预期和成品孔隙率过高。

为避免内部散射，设计工程师宜选择低杂质含量的基板材料，配合超低吸收率的高性能电介质涂层。Corning 79800等高性能熔融石英玻璃就是其中一种高纯度玻璃，也是千瓦级激光系统核心位置常用的几种材料之一。透镜设计越精密，性能越好，可能慎重选择玻璃材质来调整折射率。工程师可选择不同折射率温度系数的玻璃类型作为一种抵消热效应影响的手段，类似于使用冕牌玻璃和火石玻璃抵消双透镜色散分布的做法。

即使光学设计的稳定性无可挑剔，熔融工艺仍可能无法避免工艺波动。例如粉末粒度分布、合金含量，以及烟尘或飞溅物在粉末床室及入口处沉降，都可能影响打印零部件质量和孔隙率。为确保零部件生产精度达标，通常需要构建工艺的原位实时监测技术。这是一种相对较新的3D打印技术工具，但在光学薄膜镀膜机中已有数十年的应用历史。光学元件同样举足轻重，可以超高的速率采集发射的辐射信号来观察熔融工艺，监测工艺过程以及机器的总体健康状况。

通过分析与标称发射信号电平的偏差可标记工艺问题并予以实时纠正。如果发现无法纠正工艺误差，则可提前停止构建工艺，避免不必要的产线时间浪费，并标记机器的潜在问题。如图1所示，使用光谱较为复杂的二色性分束器可使粉末床发射黑体辐射，随后通过光路（绿线）返回并定向至光学探测器（通常是光电二极管或图像传感器）。通过内置软件，人们可利用熟识的多色测温法描述材料发射率在加工过程中的变化来计算熔池温度。这类光学辐射信号的定向光谱还可用于鉴定与零部件缺陷相关的特定光谱特征。

激光功率计等其他光学传感器可监测传输功率，而高速相机则可观测熔池大小和形状。这些信号特征可揭示增材构建工艺细节，帮助深入了解打印零部件质量、机器健康状况，以及不同位置、不同机器的批次差异。除过程监测外，位于工艺流程平面上方的高分辨率相机还可逐层报告打印物尺寸精度，标记可能破坏打印的几何误差或材料缺陷。激光分析仪和相机在机器设置和维护阶段同样具有重要作用。

以上是由Medtec China分享的光学器件设计和选择技术要点分析，使得3D打印行业受益匪浅。2023年的Medtec China暨第十七届国际医疗器械设计与制造技术展览会即将盛大开展，众多知名企业将悉数亮相。除了米克朗、发那科、帝目、赛能、采万格、迈得、烽禾升、Kahle Automation等企业之外，还有Swisstec 3D Akus AG带来的微加工切割的精密产品，以及上海锦廷机电科技有限公司也将带来APIUM生物PEEK 3D打印机及医疗3D相关产品。公司在医疗3D打印领域拥有多年的研发经验和技术积累，其产品广泛应用于医疗器械、种植体、义肢、矫形器等领域，为客户提供个性化、定制化的医疗3D打印解决方案，为医疗行业的发展做出积极贡献。此外，还将有高端有源医疗装备供应商集中亮相，为国产高端医疗装备的创新突破助力。展会期间，将展示各种尖端的医疗器械和技术，为业界专业人士提供一个互相学习交流的平台，共同推进医疗器械领域的发展和进步。

▲APIUM生物PEEK 3D打印机打印个性化3D产品

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