CN104889395B - 基于纳秒‑皮秒‑飞秒激光技术的金属制品3d打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳秒‑皮秒‑飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，该方法采用集成光纤激光器提供纳秒激光对金属原材料进行烧结熔化及固化，同时，使用皮秒或飞秒激光对精加工区域进行精加工。实时监测系统可采用多种宏观和微观检测手段，具体选用哪些检测手段取决于待制作产品所需精度。本发明可实现更精确的尺寸控制，提高了打印效率，省去了传统3D打印后所需的清理、抛光等工序。
Description
技术领域
本发明属于珠宝和艺术品打印技术领域，具体涉及一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，所述的金属制品指金属饰品、金属工艺品。
背景技术
现在很多3D打印机擅长制造小型、高价值的东西。所以第一批开发数字制造领域的人就是艺术家，尤其是那些制作珠宝的人。但是目前所用的3D打印技术由于精度上受限，因此即使三维模型十分精细，成品仍然精度不够，工艺粗糙，后续还需要人工去除熔渣，并进行抛光、清理等工作，这都会影响成品精度。比如，知名珠宝商美国珍珠(AmericanPearl)已开发出了一种将CAD软件与SolidscapeT-763D打印机结合在一起的在线珠宝设计定制系统，由于打印精度的问题，部分三维效果难以达到。
3D打印技术是一种运用粉末状材料通过选择性激光烧结或熔化逐层堆积出制造产品的增材制造方法。相对传统制造技术而言，它可以轻松地制造出传统技术难以生产的复杂、高难度的产品。但是，3D打印出的成品表面往往显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙等缺点，需要对成品进行除渣和抛光处理。当前的3D打印过程中仅有利用视觉监控来控制宏观尺寸，没有微观结构及成分的实时监控功能，我们无从知道成品的微观结构，也就不能对其机械性能进行更好地控制。
近些年，短脉冲激光(如纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光)由于热影响小，加工精度高，因而在精密加工领域备受关注。纳秒激光的脉冲宽度为纳秒(10-9秒)级，其重复频率一般为数百kHz，最高可达10MHz，因此可以达到很高的加工效率。皮秒(10-12秒)激光足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度，可以提供较高的平均功率(10W)和良好的光束质量(M2<1.5)，可以在有效工作距离内聚焦成一个10μm或更小的光点。飞秒激光(10-15秒)在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区，热影响区，冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了准确程度，其光束直径可以聚焦到1μm以内，其精度可达100nm以内，最高可以达到0.1nm。
纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术可以集成加工速度、精度和成本等方面的优点，将其 运用于珠宝和艺术品的3D打印，可以快速、有效避免现今激光烧结过程中出现的去除熔渣、抛光、清理等复杂问题，可以省去补偿步骤。目前还没有出现使用该技术的高精度珠宝3D打印技术。
发明内容
针对金属饰品和金属工艺品3D打印精度不高、清理过程繁琐和后期人工加工可能破坏艺术品本身等缺陷，本发明结合纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术，提出了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一、基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印系统，包括：
设于固定支架(102)上的工作台(103)、基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、控制中心(105)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器(109)、轨道(111)和实时监测系统，基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器(109)和实时监测系统均与控制中心(105)信号连接；轨道(111)用来约束工作台(103)上下移动，控制中心(105)通过运动控制机构控制工作台(103)移动，控制中心(105)通过多自由度运动机构控制集成光纤激光器(109)的三维运动；
所述的集成光纤激光器(109)包括激光控制器、纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)，纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)均与激光控制器相连；
所述的实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器，检测仪器与控制驱动系统相连，检测仪器包括尺寸检测仪器、晶相结构检测仪器、表面形貌检测仪器、成分检测仪器中的一种或多种。
上述检测仪器包括X射线衍射仪、质谱仪、红外激光器、3D-SEM和太赫兹光谱成像中的一种或多种。
二、基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，按照从上到下或从下到上逐层制备金属制品，各层的制作步骤如下：
(1)真空环境中，在工作台(103)上加载当前层原材料粉末并预热至100～200℃；
(2)根据待打印成品各区域的精度要求，采用人工干预方式确定粗加工区域和精加工区域；
(3)集成光纤激光器(109)提供纳秒激光对粗加工区域进行打印，集成光纤激光器(109)提供皮秒激光或飞秒激光对精加工区域进行打印；
(4)实时监测系统实时检测和分析当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项，并将分析结果反馈至控制中心。
本发明方法还包括：
在当前层制作结束后，采用基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)和激光扫描镜(110)检测当前层的缺陷，集成光纤激光器(109)提供皮秒激光或飞秒激光修剪缺陷，所述的缺陷即突起。
上述原材料为金属粉末或金属合金粉末，例如金、银、铜、铁、钛或镍钛记忆合金。
本发明采用集成光纤激光器提供纳秒激光对金属原材料进行烧结熔化及固化。同时，使用皮秒或飞秒激光对精加工区域进行精加工。实时监测系统可采用多种宏观和微观检测手段，具体选用哪些检测手段取决于待制作产品所需精度。
基于纳秒-皮秒-飞秒复合激光的加工机理包括以下三种：1)基于高温等离子体的融化；2)基于气化；3)库仑电荷爆炸机理；因此，采用纳秒-皮秒-飞秒复合激光急速对金属饰品和金属艺术品的3D打印具有非凡的优越性，它甚至可以将不同部分用不同材质同时打印，有极高的效率，及单一材料的极高的纯度和不同材料组成的精确控制。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
可实现更精确的尺寸控制，提高了打印效率，省去了传统3D打印后所需的清理、抛光等工序。
附图说明
为了更清楚地说明本发明方法，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明打印系统结构示意图，图中，101-金属制品成品，102-固定支架，103-工作台，104-基于CCD辅助的飞秒激光定位仪，105-控制中心，106-飞秒激光探头，107-皮秒激光探头，108-纳秒激光探头，109-集成光纤激光器，110-激光扫描镜，111-轨道，112-原材料；
图2为本发明方法的打印流程图。
具体实施方式
见图1，本发明打印系统包括设于固定支架(102)上的工作台(103)、基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、控制中心(105)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器 (109)、轨道(111)和实时监测系统(未在图中画出)，工作台(103)、基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器(109)和实时监测系统均与控制中心(105)信号连接；原材料(112)置于工作台(103)上，工作台(103)的运动轨迹受轨道(111)约束，即只能沿着轨道(111)上下移动，控制中心(105)通过运动机构控制工作台(103)移动。集成光纤激光器(109)包括激光控制器、纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)，纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)均与激光控制器相连，激光控制器用来控制纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的发射和关闭。控制中心(105)通过多自由度运动机构控制集成光纤激光器(109)的三维运动。
实时监测系统用来实时监控当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项，包括控制驱动系统和检测仪器，检测仪器与控制驱动系统相连，所述的检测仪器包括X射线衍射仪、质谱仪、红外激光器、3D-SEM和太赫兹光谱成像中的一种或多种，按需选择检测仪器，并加入人工选择干预。X射线衍射仪用来获得当前层的内部结构及材料组分，质谱仪用来获得当前层的材料成分，红外激光器用来获得当前层的热性能，太赫兹光谱成像用来获得当前层的精确内部结构，3D-SEM用来获得当前层的表面三维材料特性。
基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)和激光扫描镜(110)用来实现待打印当前层的形状定位，控制中心(105)将形状定位结果输入集成光纤激光器(109)，集成光纤激光器(109)提供激光打印当前层。
图2为本发明方法的具体流程图，本发明逐层执行以下步骤：
(1)真空环境中，在工作台(103)上加载当前层原材料并预热至100～200℃，原材料为金属粉末或金属合金粉末，可以为金、银、铜、铁、钛、镍钛记忆合金等。
(2)根据待打印成品各区域的精度要求，采用人工干预方式确定粗加工区域和精加工区域并输入控制中心(105)，粗加工区域是对精度要求不高的区域，精加工区域是对精度要求较高的区域。
(3)采用纳秒激光对粗加工区域进行打印，采用皮秒激光或飞秒激光对精加工区域进行打印。
(4)实时监测系统实时检测和分析当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项，并将分析结果反馈至控制中心。
在当前层制作结束后，还可对当前层进行修复，具体为：采用基于CCD辅助的飞 秒激光定位仪(104)和激光扫描镜(110)检测当前层的缺陷，对缺陷采用皮秒激光或飞秒激光进行修剪和去除。
金属类珠宝的3D打印顺序可以是从上到下，也可以是从下到上，甚至可以用任意方向开始。具体实施中，纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光均由光纤激光器提供。每层成型中，实时监控系统的多种检测手段并非均需要使用，一般根据实际要求选择合适的检测手段。
Claims (6)
1.基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印系统，其特征在于，包括：
设于固定支架(102)上的工作台(103)、基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、控制中心(105)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器(109)、轨道(111)和实时监测系统，基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)、激光扫描镜(110)、集成光纤激光器(109)和实时监测系统均与控制中心(105)信号连接；轨道(111)用来约束工作台(103)上下移动，控制中心(105)通过运动控制机构控制工作台(103)移动，控制中心(105)通过多自由度运动机构控制集成光纤激光器(109)的三维运动；
所述的集成光纤激光器(109)包括激光控制器、纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)，纳秒激光探头(108)、皮秒激光探头(107)和飞秒激光探头(106)均与激光控制器相连；
所述的实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器，检测仪器与控制驱动系统相连，检测仪器包括尺寸检测仪器、晶相结构检测仪器、表面形貌检测仪器、成分检测仪器中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印系统，其特征在于：
所述的检测仪器包括X射线衍射仪、质谱仪、红外激光器、3D-SEM和太赫兹光谱成像中的一种或多种。
3.基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，其特征在于：
按照从上到下或从下到上逐层制备金属制品，各层的制作步骤如下：
(1)真空环境中，在工作台(103)上加载当前层原材料粉末并预热至100～200℃；
(2)根据待打印成品各区域的精度要求，采用人工干预方式确定粗加工区域和精加工区域；
(3)集成光纤激光器(109)提供纳秒激光对粗加工区域进行打印，集成光纤激光器(109)提供皮秒激光或飞秒激光对精加工区域进行打印；
(4)实时监测系统实时检测和分析当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项，并将分析结果反馈至控制中心。
4.如权利要求3所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，其特征在于，还包括：
在当前层制作结束后，采用基于CCD辅助的飞秒激光定位仪(104)和激光扫描镜(110)检测当前层的缺陷，集成光纤激光器(109)提供皮秒激光或飞秒激光修剪缺陷，所述的缺陷即突起。
5.如权利要求3所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，其特征在于：
所述的原材料为金属粉末。
6.如权利要求3所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光技术的金属制品3D打印方法，其特征在于：
所述的原材料为金、银、铜、铁、钛或镍钛记忆合金。
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