CN104889570A - 基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备和方法，所述设备主要包括纳秒-皮秒-飞秒激光器、离子束装置、实时监控系统，纳秒激光对原材料进行扫描烧结，实时监控系统进行实时的加工过程和零件的形貌、微观结构及成分的测量分析并反馈给控制系统，如有需要则使用皮秒、飞秒激光或者离子束进行进一步精加工，纳秒-皮秒-飞秒激光、离子束和实时监控系统形成了一个闭环系统，从而可以有效控制加工和检测的协调性。本发明实现了复杂零件的快速成型和微观结构的精密加工，使用实时监控提高了零件微观结构和质量的控制能力，为制造高强度、高精度、复杂结构的零件提供一种新的设备和方法。

Description

基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备和方法

技术领域

本发明涉及快速成型领域，具体涉及一种基于飞秒激光与离子束

复合技术的快速成型设备和方法。

背景技术

快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出器件的制造方法，主要是通过综合机械工程、CAD、数控技术、激光技术和材料等科学技术，把三维零件转化为由一系列二维零件截面制造的叠加。对于金属材料，目前普遍采用的激光烧结在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化，但在烧结某些特种金属如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时普通的激光快速成型显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺点。目前在快速成型制造过程中仅有外形尺寸利用视觉监控，没有微观结构的原位监控功能，我们无从知道零部件的微观结构，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）与长脉冲激光相比，热影响较小，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。在稳定性方面，纳秒激光器性能稳定可靠，维护简单，寿命长（大于一万小时），这使得纳秒激光器可以应用于大规模生产线。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。皮秒激光器提供较高的平均功率(10 W)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10 μm或更小的光点，而且皮秒激光的频率可以高达100kHz。飞秒激光是一种超短脉冲激光，脉冲持续时间只有几个飞秒（10^-15秒），但却具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦。对于飞秒激光加工，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，从而提高了激光加工的准确程度，飞秒激光的光束直径可以聚焦到1um，其精度可达100nm，最高可达0.1nm。

离子束加工是指在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面以实现去除材料来进行精细加工的方法，它是靠微观的机械撞击能量，不会引起热应力和损伤。此外，离子束的聚焦直径可以达到10nm以下，其精细加工能力明显优于电子束加工和飞秒激光加工。结合纳秒-皮秒-飞秒激光与离子束的优良性能，无论是大尺寸还是小尺寸零件都可以做到很高的精度。

发明内容

本发明针对目前快速成型制造方法中存在的强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺陷，结合飞秒激光和离子束技术，提出了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光与离子束复合技术的快速成型制造设备和方法。

一种基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，

包括多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台、真空室、控制与显示系统；

多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台均位于真空室内并分别与控制与显示系统连接。

所述的多波长光纤激光器为集成了纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光三种短脉冲激光的一体化激光器；所述离子束装置（现有技术）用来对激光快速成型制造的器件进行精细加工，是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦并用离子枪发射，主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等对飞秒激光快速成型制造的器件进行精细加工，如表面抛光、刻蚀小孔或修改微结构等，其精度可以达到10nm以下。

所述实时监控系统包括扫描电镜、质谱仪、X射线衍射仪和红外摄像仪；用来进行实时形貌、成分和微观结构的测量分析并反馈给控制与显示系统。

所述工作台内设置有液体流通管道，管道内通液体用于对零件进行冷却；进料和铺料装置用来铺设原材料用于承载原材料、加工和冷却零件。

所述的扫描电镜集成了二次电子、背散射电子检测设备和能谱仪。

所述的多波长激光器、离子束装置和实时监控系统形成一个闭环系统，以有效控制加工和检测的协调性。

所述的多波长激光器为光纤激光器，用于对原材料如陶瓷、金属等进行选择性烧结熔化，其聚焦直径最小为1um以内，精度为100nm以内，最高为0.1nm。

所述的离子束装置的聚焦直径最小为10nm以下。

本发明的设备中，光纤激光器、离子束装置和实时监控系统安装在真空环境中，可以实现在加工和检测所需要的运动，金属材料和加工零件由工作台承载，工作台可以实现三维运动，工作台内部有液体管道，装有内冷液体（水，液氮等），制造室安装有抽真空装置，为飞秒激光和离子束快速成型及实时监测提供了良好的真空加工环境。

一种基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型方法，包括以下步骤；

（1）    在工作台上，传送并铺设一层原材料后进行预热；

（2）    使用纳秒激光进行选择性扫描烧结熔化及固化，同时选择性地进行冷却，同时使用实时监控系统来检测加工过程和产品的表面形貌、化学成分和相结构，将结果反馈给控制与显示系统调整相关的快速成型制造工艺参数，如有必要则使用皮秒、飞秒或离子束对已成型的特定区域进行精细加工；

（3）    工作台向下移动，继续供给材料，重复（1）和（2）、直到完成零件的快速成型制造。

根据产品的要求，并非以上所有的检测手段和加热冷却手段都需要同时使用，但这些装备和手段使得本系统具有通用性，对工件实现逐点控制，实现多种尺度、形状、成分和微观组织的在线控制。

本发明通过精确控制飞秒激光与离子束的强度和聚焦直径，实现了复杂零件的快速成型和微观结构的精密加工，使用实时监控系统协调加工与检测，提高了零件微观结构和质量的控制能力，本发明为制造高强度、高精度、复杂结构的零件提供一种新的设备和方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光与离子束复合技术的实时监测快速成型制造设备和方法，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，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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 为本发明的快速成型制造设备原理示意图；

图2 为本发明的快速成型制造方法工作流程示意图。

其中，100-真空室、101-工作台、102-零件、107-光纤激光器、106-离子束设备、108-进料和铺料装置、109-液体流通管道、110-实时监控系统、113-扫描电镜系统、114-质谱仪、 115-X射线衍射仪、116-红外摄像仪、120-快速成型装置、130-控制与显示系统。

具体实施方式

 图1为本发明的快速成型制造设备原理示意图。集成的快速成型设备主要包括五个部分：真空室100、工作台101、进料和铺料装置108、快速成型装置120、实时监控系统110。工作台101内设置有内通液体，用于对进行冷却；进料和铺料装置108可以用来铺设原材料；快速成型装置120由集成光纤激光器107和离子束106设备组成；实时监控系统110包括扫描电镜系统113、质谱仪114、 X射线衍射仪115、红外摄像仪116。所有设备都放置于真空室100内，并与外面的控制与显示系统130连接。

所述的多波长光纤激光器为集成了纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光三种短脉冲激光的一体化激光器；所述离子束装置用来对激光快速成型制造的器件进行精细加工。

所述实时监控系统包括扫描电镜、质谱仪、X射线衍射仪和红外摄像仪，用来进行实时形貌、成分和微观结构的测量分析并反馈给控制与显示系统。

扫描电镜（SEM）配备了二次电子探头、能谱仪（EDS）和背散射探头（EBSD），通过检测扫描电镜激发出的二次电子、特征X射线和背散射电子分别用来分析零件的表面形貌、材料的元素种类与含量、进行相分析和获得界面（晶界）参数及检测塑性应变；X射线衍射仪用来精确测定零件的晶体结构和应力，进行物相分析；红外摄像仪用来获得加工过程中熔池及近邻的温度场和几何形貌。除此之外，实时监控系统还可以集成其他可以完成温度测量、膜厚测量、翘曲测量等功能的设备。

所述的多波长激光器、离子束装置和实时监控系统形成一个闭环系统，以有效控制加工和检测的协调性。

所述控制与显示系统用来对实时监控系统、多波长激光器、离子束装置以及进料和铺料装置、工作台、真空室等设备进行实时的控制，其中的显示系统可以用显示快速成型过程以及实时监控系统监测到的各类参数和图像。

多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台都在真空状态下工作。

原材料可以是金属材料、陶瓷、聚合物、复合材料等；原材料的形式可以是金属线条、金属粉末、陶瓷浆料、聚合物凝胶等。

结合图1的原理图和图2所示的工艺流程图，本实施例的工艺流程为：在工作台101上使用进料和铺料装置108加载原材料之后，首先由光纤激光器107产生的纳秒激光对原材料进行扫描烧结熔化，紧随其后的实时监控系统110进行检测分析并反馈给控制系统，如需进行精加工，则启动皮秒激光或飞秒激光或离子束设备106对特定区域进行加工并同时进行检测，重复上述过程直到零件的尺寸和精度达到要求后停止。

Claims (9)

1.一种基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：

包括多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台、真空室、控制与显示系统；

多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台均位于真空室内并分别与控制与显示系统连接。

2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述的多波长光纤激光器为集成了纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光三种短脉冲激光的一体化激光器；所述离子束装置用来对激光快速成型制造的器件进行精细加工。

3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述实时监控系统包括扫描电镜、质谱仪、X射线衍射仪和红外摄像仪；用来进行实时形貌、成分和微观结构的测量分析并反馈给控制与显示系统。

4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述工作台内设置有液体流通管道，管道内通液体用于对零件进行冷却；进料和铺料装置108用来铺设原材料用于承载原材料、加工和冷却零件。

5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述的扫描电镜集成了二次电子、背散射电子检测设备和能谱仪。

6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述的多波长激光器、离子束装置和实时监控系统形成一个闭环系统，以有效控制加工和检测的协调性。

7. 根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述的多波长光纤激光器，其聚焦直径最小为1um以内，精度为100nm以内，最高为0.1nm。

8.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，其特征在于：所述的离子束装置的聚焦直径最小为10nm以下。

9.一种基于权利要求8所述设备的基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型方法，其特征在于：包括以下步骤；

（1）在工作台上，传送并铺设原材料后进行预热；

（2）使用纳秒激光进行选择性扫描烧结熔化及固化，同时选择性地进行冷却，同时使用实时监控系统来检测加工过程和产品的表面形貌、化学成分和相结构，将结果反馈给控制与显示系统调整相关的快速成型制造工艺参数，如有必要则使用皮秒、飞秒或离子束对已成型的特定区域进行精细加工；

（3）工作台向下移动，继续供给材料，重复（1）和（2）、直到完成零件的快速成型制造。