CN101413120A - 基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置和方法，属于微加工领域。包括计算机、激光器、聚焦扫描系统、二维移动平台、基底材料、透明玻璃板和粘有粉末颗粒的透明材料。将透明材料平铺于基底材料上，根据不同的粉末特性、基底特性、透明材料的特性、金属粉末对透明材料的黏性，以及排布图形的特性，来调整照射在金属粉末上的激光的功率参数和扫描参数。激光照射在金属颗粒上，由于颗粒对激光的吸收产生巨大的热量，将黏性束缚去除，使得金属颗粒沉降在基底材料上，实现可控排布。本发明采用低功率激光器作为光源、粘粉透明材料作为送粉机构，采用聚焦扫描系统的方法，排布速度快，对铺粉图案控制精确，而且设备简单、成本低。

Description

基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置和方法

技术领域：

本发明涉及一种基于低功率激光在金属基底材料上排布金属颗粒的装置和方法，属于激光微加工领域。

背景技术：

传统送粉排布方式，是指使用送粉头，利用载气将粉末加速到一定速度之后卸除载气，使粉末颗粒依靠惯性飞出送粉头后落在基底材料上，实现粉末的传送。在粉末被送到基底材料的同时，送粉头以所需绘制的图案为轨迹运动，即可完成粉末颗粒的铺粉排布。其缺点是喷射出送粉头的粉末动量很大，造成粉末颗粒撞击基底材料后飞溅，无法实现对排布图案的精细控制。另一方面，当所使用的粉末直径小到数几微米时，颗粒之间出现团聚现象，使得送粉头送出的粉末不能均匀的分布在基底材料上，这就限制了该方法在对细微粉末送粉上的使用。而激光送粉方式是对传统技术的一次重大改进。

现有的激光粉末送粉排布方式是基于激光光镊技术，通过将激光束聚焦在透明颗粒上，使聚焦中心产生由梯度力形成的“光阱”，实现对透明颗粒的操纵。这种排布方式因能够实现对亚微米级的透明颗粒的精确控制，在生物学实验室中被广泛使用。但是这种激光排布方式主要针对透明的介电颗粒，对于高反射率的金属材料不能控制。工艺原理对激光光斑的能量密度提出了严格要求，能量密度过大会破坏正在被移动的颗粒，能量密度过小又不能使颗粒移动。同时控制系统也受到限制，激光束移动速度过慢会破坏颗粒，激光束移动速度过快会使瞬时能量密度降低，丢失正在被移动的颗粒。而且该方法只能依次操控单个颗粒，效率低，对环境变化敏感，不能用于实际生产。

发明内容：

本发明目的是实现金属粉末的快速精细送粉和图形排布，利用金属颗粒吸收激光后温度快速上升这一性质，提出一种新型激光粉末的送粉方法，可以实现微细金属粉末的精细传送，同时不降低生产效率，设备简单，成本低。

为实现上述目的，本发明将金属粉末与有机溶剂混合，均匀涂抹于透明材料上。有机溶剂的附着力使得金属粉末粘在透明材料上。粘有金属粉末的透明材料置于激光辐照之下，金属颗粒吸收激光后温度上升，使其周围的有机物汽化或直接破坏作为黏附基础的透明材料，从而使金属颗粒下落到基底材料上，实现铺粉。本发明所使用的低功率激光器能够实现对输出激光束的功率密度严格限制，保证送粉排布过程中金属粉末不被熔化。由控制系统依所需图形控制激光扫描轨迹，即可实现金属颗粒的排布。

一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置，该装置包括输出控制信号的计算机和发射激光束的激光器、与计算机相连接的聚焦扫描系统、设置在聚焦扫描系统下方的二维移动平台、放置在二维移动平台上的基底材料、放置在基底材料上的透明材料、放置在透明材料上的透明玻璃板。透明材料面向基底材料的一面附着有有机溶剂和金属粉末的混合物。

所述的激光器是连续激光器或者脉冲激光器。

所述聚焦扫描系统是振镜扫描系统或者数控激光加工头。

基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置进行金属粉末的送粉排布方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将和有机溶剂和金属粉末的混合物均匀涂敷在透明材料上；

2)将透明材料铺平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材料，在透明材料上平放透明玻璃板。若所使用的透明材料是硬质材料，可以不使用玻璃板；

3)通过调整二维移动平台将透明材料移至聚焦扫描系统正下方，使聚焦扫描系统对准基底材料上需要送粉的区域；

4)调整二维移动平台高度，使金属粉末处于激光焦点位置；

5)根据铺粉或排布两种不同目的，绘制不同的扫描图形：

若以均匀铺粉为目的，则在聚焦扫描系统控制软件内生成与基底材料形同形状的图形，并紧密填充；

若以颗粒排布为目的，则在计算机中生成所要排布的图形，并转化成聚焦扫描系统控制软件能够识别的文件；

6)根据粉末颗粒和透明材料的特性调整激光器的输出功率和扫描速度，打开激光器，聚焦扫描系统按照计算机生成的图形进行扫描；

7)扫描结束后，将透明材料垂直抬起，基底材料上留下金属粉末或金属颗粒图案。

所述的有机溶剂为胶水、乙醇或丙酮。

所述的透明材料为玻璃、水晶、塑料片、薄膜或胶片。

所述的激光器的为光纤激光器、固体激光器或气体激光器。

所述激光器可以是是连续激光器或者脉冲激光器，聚焦扫描系统可以是振镜扫描系统或者数控激光加工头。

本发明的工作原理是：激光器发射出的激光穿过透明材料，照射在金属粉末上，一部分激光能量被金属颗粒吸收并转化成自身的热量。激光束的高能量密度使金属颗粒在短时间内吸收大量能量，从而使其温度迅速上升。金属粉末周围的有机溶剂非常容易挥发，在高温下迅速汽化，使粘在它下方的金属颗粒失去黏性束缚，在重力作用下降落到基底材料上。若作为附着基础的透明材料是由低熔点物质制成，无法承受金属颗粒的高温，就会很快融化或汽化，使粘在它下方的金属颗粒失去附着的基础，同样在重力作用下降落到基底材料上。通过调整有机溶剂的成分和含量，可以调整粘在透明材料的金属粉末的多少，因而可以对降落在基底材料上的金属粉末量进行精确控制。

聚焦扫描系统由计算机控制，使得激光按照预先设计的二维图形轨迹扫描透明材料。本发明所使用的低功率激光器能够实现对输出激光束功率密度的严格限制，保证送粉排布过程中金属粉末不被熔化。当作为附着基础的透明材料是硬质材料时，可以不使用透明玻璃板。激光以1000mm/s以上的高速扫过就可以使粉末颗粒沉降，所以生产效率很高。经过聚焦的激光光斑直径可以达到50um以下，因而本装置可以使微米级金属颗粒实现高精度的图形排布。

附图说明：

图1为本发明的金属粉末送粉排布系统示意图

图2为本发明的原理示意图

图中：1、计算机，2、激光器，3、聚焦扫描系统，4、二维移动平台，5、基底材料，6、透明玻璃板，7、透明材料，8、金属粉末层，9、激光束，10、激光在透明材料上的轨迹图案，11、基底上生成的粉末图层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，该装置包括输出控制信号的计算机1、发射激光束的激光器2、与计算机1相连接的聚焦扫描系统3、设置在聚焦扫描系统3下方的二维移动平台4、放置在二维移动平台4上的基底材料5、放置在基底材料5上的透明材料7、放置在透明材料上的透明玻璃板6。透明材料7面向基底材料5的一面附着有有机溶剂和金属粉末的混合物。其中，激光器2可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器，其作用是发射激光光束。聚焦扫描系统3可以是振镜扫描系统或者数控激光加工头，其作用是对激光器1发射出来的激光光束进行聚焦并控制出射光束的运动轨迹，二维移动平台4的作用是使待加工的基底材料5和粘有金属粉末的透明材料7对准聚焦扫描系统3的出光口，计算机1的作用是对激光器2、聚焦扫描系统3、二维移动平台4进行控制并传递数据，透明玻璃板6的作用是将透明材料压平。当所使用的透明材料7为硬质材料时，可以不使用透明玻璃板6。

使用上述基于低功率激光器的金属粉末送粉排布的装置进行金属粉末的送粉排布，具体步骤如下：

1)将有机溶剂和金属粉末的混合物均匀涂在黏性透明材料7上；

2)将透明材料7铺平放置在基底材料5上，使粘有粉末的一面朝向基底材料，在透明材料上平放透明玻璃板6。若所使用的透明材料7是硬质材料，可以不使用玻璃板6；

3)通过调整二维移动平台4将透明材料7移至聚焦扫描系统3的正下方，使

聚焦扫描系统对准基底材料5上需要送粉的区域；

4)调整二维移动平台高度4，使粘有金属粉末的透明材料7处于激光焦点位置；

5)根据铺粉或排布两种不同目的，绘制不同的扫描图形：

若以铺粉为目的，则在聚焦扫描系统控制软件内生成与基底材料形同形状的图形，并紧密填充；

若以颗粒排布为目的，则在计算机中生成所要排布的图形，并转化成聚焦扫描系统控制软件能够识别的文件；

6)根据粉末颗粒和透明材料的特性调整激光器2输出功率和扫描速度，打开激光器，聚焦扫描系统3系统按照计算机1生成的图形进行扫描；

7)扫描结束后，将透明材料7垂直抬起，基底材料5上留下金属粉末层或金属颗粒图案。

有机溶剂可以选择胶水、乙醇或丙酮。

透明材料可以选择玻璃、水晶、塑料片、薄膜或胶片。

激光器可以选择光纤激光器、固体激光器或气体激光器。

本实施例的工作原理参见图2。激光器发射出的激光束9穿过透明玻璃板6和透明材料7，照射在金属粉末层8上，一部分激光能量被金属颗粒吸收并转化成自身的热量。激光束的高能量密度使金属颗粒在短时间内吸收大量能量，从而使其温度迅速上升。金属粉末层中的有机溶剂非常容易挥发，在高温下迅速汽化，使粘在它下方的金属颗粒失去黏性束缚，在重力作用下降落到基底材料5上。若作为附着基础的透明材料7是由低熔点物质制成，无法承受金属颗粒的高温，就会很快融化或汽化，使粘在它下方的金属颗粒失去附着的基础，同样在重力作用下降落到基底材料5上。基于上述原理，激光束9按照预先设计的二维图形轨迹12扫描透明材料，从而在基底材料5上形成金属粉末图形11。

通过调整有机溶剂的成分和含量，可以调整金属粉末层8的厚度，也就是粘在透明材料7的金属粉末的多少，因而可以对降落在基底材料5上的金属粉末量进行精确控制。当作为附着基础的透明材料7是硬质材料时，可以不使用透明玻璃板6。激光束9以1000mm/s以上的高速扫过就可以使粉末颗粒沉降，所以生产效率很高。经过聚焦的激光光斑直径可以达到50um以下，因而本装置可以使微米级金属颗粒实现高精度的图形排布。

以下根据铺粉与排布两种不同目的和软质与硬质两种透明材料，分别采用透明黏性胶带作为附着基础透明材料，其黏性成分作为有机溶剂，和普通玻璃作为附着基础透明材料，无水乙醇为有机溶剂的两种方案，20W脉冲调制光纤激光器作为激光源，400目铁粉作为粉末材料，1mm厚不锈钢板作为基底材料，给出不同的应用实例：

应用实例1：

1.将400目铁粉均匀涂敷在透明黏性胶带上。使粘有粉末的一面朝下并抖动透明胶带以去除多余铁粉；

2.将透明胶带铺平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材料，在透明材料上平放透明玻璃板；

3.通过调整二维移动平台将透明胶带移至聚焦扫描系统正下方，使聚焦扫描系统对准基底材料中心区域；

4.调整二维移动平台高度，使透明胶带处于激光焦点位置；

5.在聚焦扫描系统控制软件内生成正方形图案，以15um紧密填充；

6.调整激光器的参数，使输出功率为3-4W，扫描速度为80-100mm/s，重复频率为20kHz，光斑直径为40-60um打开激光器，聚焦扫描系统按照计算机生成的图形进行扫描；

7.扫描结束后，将透明胶带垂直抬起，基底材料上留下正方形铁粉层。

应用实例2：

1.将无水乙醇均匀涂抹在作为附着物的透明玻璃上。

2.将400目铁粉均匀铺展在涂有无水乙醇的玻璃板上，用刮板刮平，向下抖落多余铁粉。

3.将玻璃板铺平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材料。

4.通过调整二维移动平台将透明胶带移至聚焦扫描系统正下方，使聚焦扫描系统对准基底材料中心区域；

5.调整平台高度，使金属粉末曾处于激光焦点位置；

6.在计算机中英文字母E图形，并转化成聚焦扫描系统控制软件能够识别的文件；

7.调整激光器的参数，使输出功率为3-4W，扫描速度为20-40mm/s，重复频率为20kHz，光斑直径为20-40um打开激光器，聚焦扫描系统按照计算机生成的图形进行扫描；

8.扫描结束后，将透明胶带垂直抬起，基底材料上英文字母E的铁粉图案。

有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

Claims (9)

1、一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布方法，其特征在于：将金属粉末与有机溶剂混合，均匀涂抹于透明材料上；将透明材料置于激光辐照之下，金属颗粒吸收激光后温度迅速上升，使其周围的有机物汽化或直接破坏作为黏附基础的透明材料，从而使金属颗粒失去束缚，下落到基底材料上，实现铺粉或者图形排布。

2、根据权利要求1设计的一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置，该装置包括输出控制信号的计算机(1)和发射激光束的激光器(2)，其特征在于：还包括与计算机(1)相连接的聚焦扫描系统(3)、设置在聚焦扫描系统(3)下方的二维移动平台(4)、放置在二维移动平台(4)上的基底材料(5)、放置在基底材料(5)上的透明材料(7)，透明材料(7)面向基底材料(5)的一面附着有有机溶剂和金属粉末的混合物。

3、根据权利要求2所述的基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置，其特征在于：还包括有放置在透明材料上的透明玻璃板(6)。

4、根据权利要求2所述的基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置，其特征在于：所述的激光器(2)是连续激光器或者脉冲激光器。

5、根据权利要求2所述的基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置，其特征在于：所述聚焦扫描系统(3)是振镜扫描系统或者数控激光加工头。

6、使用权利要求2所述的基于低功率激光的金属粉末送粉排布装置进行金属粉末的送粉排布方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将有机溶剂和金属粉末的混合物均匀涂在透明材料(7)上；

2)将透明材料(7)铺平放置在基底材料(5)上，使粘有粉末的一面朝向基底材料(5)，在透明材料上平放透明玻璃板(6)；若所使用的透明材料(7)是硬质材料，不使用透明玻璃板(6)；

3)通过调整二维移动平台(4)平台将透明材料(7)移至聚焦扫描系统(3)的正下方，使聚焦扫描系统对准基底材料(5)上需要送粉的区域；

4)调整二维移动平台(4)的高度，使粘有金属粉末的透明材料(7)处于激光焦点位置；

5)根据铺粉或排布两种不同目的，绘制不同的扫描图形：

若以铺粉为目的，则在聚焦扫描系统控制软件内生成与基底材料相同形状的图形，并紧密填充；

若以颗粒排布为目的，则在计算机中生成所要排布的图形，并转化成聚焦扫描系统控制软件能够识别的文件；

6)根据粉末颗粒和透明材料的特性调整激光器(2)输出功率和扫描速度，打开激光器，聚焦扫描系统(3)系统按照计算机(1)生成的图形进行扫描；

7)扫描结束后，将透明材料(7)垂直抬起，基底材料(5)上留下金属粉末层或金属颗粒图案。

7、根据权利要求1或权利要求6所述的一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布方法，其特征在于：所述的有机溶剂为胶水、乙醇或丙酮。

8、根据权利要求1或权利要求6所述的一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布方法，其特征在于：所述的透明材料为玻璃、水晶、塑料片、薄膜或胶片。

9、根据权利要求6所述的一种基于低功率激光的金属粉末送粉排布方法，其特征在于：所述的激光器的为光纤激光器、固体激光器或气体激光器。

Images