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增材制造（也被稱為3D打?。┱Q生于20世紀(jì)80年代，最初采用紫外光源進(jìn)行聚合樹脂光學(xué)固化。過去幾十年里，科技的進(jìn)步使得人們能夠通過各類聚合物、粉末甚至金屬來制作功能部件。3D打印在多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用呈爆炸性增長之勢(shì)，在醫(yī)療行業(yè)尤為突出，其中許多應(yīng)用受益于可快速生產(chǎn)供膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)所用的定制化骨科植入物。例如，牙科就是3D打印最普及的醫(yī)療領(lǐng)域之一，常常使用3D打印技術(shù)來制作口腔正畸所需的高度定制化牙冠、牙橋和矯正器。

光是一種可定向的能量形式，為3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用開辟了廣闊的空間，從而允許使用激光、高功率LED光源和投影光學(xué)系統(tǒng)在生產(chǎn)速度日益加快的情況下可靠地制作高分辨率的特征。最初的機(jī)器架構(gòu)師利用現(xiàn)成的 (OTS) 光學(xué)和系統(tǒng)組件，往往需要犧牲部分性能。然而越是復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，其特征更精細(xì)，對(duì)表面光潔度的要求更高，越需要更高的能源控制以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定工藝的能力。因而，當(dāng)前及下一代機(jī)器都需要具有高度定制化的光學(xué)設(shè)計(jì)來將光束可重復(fù)地高效引導(dǎo)至工作平面。

為了保持工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)數(shù)小時(shí)到數(shù)天內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，工程師們面臨著許多光學(xué)器件設(shè)計(jì)和選擇方面的高難度挑戰(zhàn)（例如，玻璃類型、表面形狀、光學(xué)涂層、制造公差）。這些機(jī)器通常需要通過嚴(yán)格的認(rèn)證程序，并符合醫(yī)用植入物規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。本文涵蓋了許多值得工程師們參考的重要技術(shù)主題，包括：

將光束最大限度轉(zhuǎn)移至粉末床上

如何通過光學(xué)元件及其功能來提高零部件制造精密度

光學(xué)器件上的所有光學(xué)涂層對(duì)于確保光束效率的重要性

光學(xué)實(shí)時(shí)閉環(huán)計(jì)量對(duì)于零部件生產(chǎn)驗(yàn)證的重要性

打印分辨率是推動(dòng)增材制造的一個(gè)關(guān)鍵因素。使用鈦和工程聚合物等各種材料以精確的尺寸打印零部件，使之具有規(guī)定的表面光潔度和密度特性，能夠最大限度減少后續(xù)處理步驟，例如機(jī)械加工和拋光。這使得根據(jù)患者量身定制打印部件不僅相比傳統(tǒng)減材制造工藝變得速度更快，而且使得成本由于供應(yīng)鏈的去中心化或分散化而得以降低。定向激光能量和投影系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于表1所述的增材制造光學(xué)系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件，這些機(jī)器可根據(jù)特定的光斑尺寸和強(qiáng)度均一性要求來定制光束以獲得所需的能量分布 ，從而加快構(gòu)建速度，改善零件質(zhì)量。

基于粉末床融合技術(shù)的金屬增材制造工藝是光學(xué)組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定零部件整體質(zhì)量的典型示例。激光粉床融合 (LPBF) 系統(tǒng)的基本光學(xué)布局如圖1所示。高功率激光源（通常為光纖激光器）發(fā)射1 kW或更高功率的近1070 nm光波穿過光纖準(zhǔn)直器和聚焦元件，再通過多軸掃描鏡定向至工作平面。聚焦光斑的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接受所選光學(xué)和機(jī)械元件影響。

在使用高功率激光器的工藝中，哪怕最細(xì)微的散射能量也不容忽視，否則可能會(huì)在光學(xué)元件和支撐機(jī)構(gòu)內(nèi)部同時(shí)引起劇烈的熱效應(yīng)。金屬力學(xué)內(nèi)部的熱膨脹可能導(dǎo)致元件位置出現(xiàn)位移或漂移，因此需要格外注意材料選擇和空冷或水冷。光學(xué)器件內(nèi)部存在一種因玻璃受熱引起的“熱透鏡”現(xiàn)象，影響透鏡形狀和材料折射率。熱透鏡效應(yīng)是粉末床室入口處以及光束路徑高光強(qiáng)區(qū)域附近元件常見的問題。如果材料和涂層選擇不當(dāng)，熱透鏡效應(yīng)可能導(dǎo)致激光光斑焦點(diǎn)隨空間和時(shí)間漂移，進(jìn)而導(dǎo)致能量分布低于預(yù)期和成品孔隙率過高。

為避免內(nèi)部散射，設(shè)計(jì)工程師宜選擇低雜質(zhì)含量的基板材料，配合超低吸收率的高性能電介質(zhì)涂層。Corning 79800等高性能熔融石英玻璃就是其中一種高純度玻璃，也是千瓦級(jí)激光系統(tǒng)核心位置常用的幾種材料之一。透鏡設(shè)計(jì)越精密，性能越好，可能慎重選擇玻璃材質(zhì)來調(diào)整折射率。工程師可選擇不同折射率溫度系數(shù)的玻璃類型作為一種抵消熱效應(yīng)影響的手段，類似于使用冕牌玻璃和火石玻璃抵消雙透鏡色散分布的做法。