CN104890240A - 纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法 - Google Patents

纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法，所述选择性熔化增材制造系统由单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线构成，所述方法采用纳米分散技术将纳米粉末分散在溶剂中，利用涂布刀将含有纳米粉末的分散溶液涂布于基体表面，利用选择性熔化增材制造系统对材料进行烧结。本发明采用纳米材料作为选择性激光烧结材料，可提高选择性激光烧结性能及表面质量，可实现基材表面处理等；采用纳米分散液方式分散纳米粉末，溶剂具有抗氧化性，可在空气中烧结。

Description

纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法
技术领域
本发明涉及一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统及方法，适用于航空航天、微电子、微纳结构等领域。
背景技术
选择性激光烧结技术是通过激光与粉末材料相互作用，利用逐层烧结原理，制造出目标零件结构体。常规粉末烧结采用微米尺度粉体，由于烧结粉末本身的尺寸限制，常规的选择性激光烧结难以制造出精度较高的零部件。
纳米材料以其尺寸效应，具有常规材料无法比拟的优势和特点。同时，也由于纳米粉末尺寸效应，纳米材料具有较高的表面活化能及显著的团聚效应。利用和克服纳米材料自身由于尺寸而引发的效应，将选择性激光烧结技术与纳米材料特性相结合，实现高精度选择性烧结技术是目前增材制造技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现在技术的不足，提供一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统，包括单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线，其中：支架上设置有扫描振镜和升降装置，工作台基体安装在升降装置上，扫描振镜位于工作台基体上方，单模光纤激光器通过输出光纤和QBH接头与扫描振镜相连，扫描振镜和CCD摄像机通过扫描控制线与控制计算机连接，单模光纤激光器通过激光控制线与控制计算机连接，涂布腔通过输送管路与涂布刀连接，涂步刀与控制计算机之间连接有涂布运动控制装置。
一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，采用纳米分散技术将纳米粉末分散在溶剂中，利用涂布刀将含有纳米粉末的分散溶液涂布于基体表面，利用选择性熔化增材制造系统对材料进行烧结。具体实施步骤如下：
步骤（1）：确定烧结用纳米粉末材料、分散剂、溶液种类和比例；
步骤（2）：将纳米粉末、分散剂、溶液按比例混合均匀，并通过添加去离子水调节分散液粘度；
步骤（3）：将步骤（2）中的混合溶液进行超声振动，形成纳米分散液；
步骤（4）：将步骤（3）中纳米分散液装入涂布腔；
步骤（5）：安放涂布基材在工作台基体上，调节涂布刀与被涂布基材间距，确定涂布刀输出压力；
步骤（6）：开启选择性熔化增材制造系统，调节光斑尺寸；
步骤（7）：将增材制造三维模型输入控制计算机，在控制计算机的控制下，涂布刀在涂布基材上往复直线运动，进行涂布，同时控制计算机控制单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（8）：当扫描完一层后，通过升降装置降低一定高度后，控制涂布刀铺粉，进行单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（9）：重复步骤（8），直至完成整个材料的加工。
本发明中，基材导热系数应小于或等于被烧结材料。
本发明中，纳米材料为小于等于100纳米的球体。
本发明中，被烧结纳米材料若为易氧化材料，纳米分散液应具有抗氧化或脱氧性。
本发明的优点在于：
（1）本发明采用纳米材料作为选择性激光烧结材料，可提高选择性激光烧结性能及表面质量，可实现基材表面处理等。
（2）本发明采用纳米分散液方式分散纳米粉末，溶剂具有脱氧性，可在空气中烧结。
附图说明
图1为本发明所涉及的纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统由单模光纤激光器1、输出光纤2、QBH接头3、扫描振镜4、CCD摄像机5、扫描控制线6、控制计算机7、涂布腔8、输送管路9、涂布运动控制装置10、涂布刀11、工作台基体12、升降装置13、零件14、支架15、激光控制线16构成。
支架15上设置有扫描振镜4和升降装置13，工作台基体12安装在升降装置13上，扫描振镜4位于工作台基体12上方。单模光纤激光器1输出光束质量小于1.05的单模高斯激光束，通过输出光纤2和QBH接头3与扫描振镜4相连，利用CCD摄像机5监测整个扫面过程。扫描振镜4和CCD摄像机5通过USB数据接口和扫描控制线6与控制计算机7相连。将配置好的纳米分散液装入涂布腔8中，通过输送管路9将纳米分散液传输到涂布刀11，在控制计算机7通过涂布运动控制装置10的控制下，涂布刀11在工作台基体12上的零件14上往复直线运动，进行涂布。同时，控制计算机7控制单模光纤激光器1和扫描振镜4进行扫描。当扫描完一层后，通过升降装置13降低一定高度后，控制涂布刀11铺粉，然后进行逐层烧结。
通过小光斑与纳米粉相互作用，控制烧结表面质量及形貌，实现高精度选择性烧结工艺要求。
具体实施方式二：本实施方式中，利用100nm铜纳米粉、乙二醇、PVP（聚乙烯吡咯烷酮k30）、去离子水按一定比例混合配制分散液，通过纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统涂布装置涂布于高温合金表面，在空气环境中，采用1064nm波长激光，功率密度23.1W/mm2，扫描速度20mm/s工艺参数进行扫描。可在高温合金上制造出铜表面涂层，增加表面功能性、提高质量。

Claims (5)

1.一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统，其特征在于所述选择性熔化增材制造系统由单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线构成，其中：支架上设置有扫描振镜和升降装置，工作台基体安装在升降装置上，扫描振镜位于工作台基体上方，单模光纤激光器通过输出光纤和QBH接头与扫描振镜相连，扫描振镜和CCD摄像机通过扫描控制线与控制计算机连接，单模光纤激光器通过激光控制线与控制计算机连接，涂布腔通过输送管路与涂布刀连接，涂步刀与控制计算机之间连接有涂布运动控制装置。
2.一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤（1）：确定烧结用纳米粉末材料、分散剂、溶液种类和比例；
步骤（2）：将纳米粉末、分散剂、溶液按比例混合均匀，并通过添加去离子水调节分散液粘度；
步骤（3）：将步骤（2）中的混合溶液进行超声振动，形成纳米分散液；
步骤（4）：将步骤（3）中纳米分散液装入涂布腔；
步骤（5）：安放涂布基材在工作台基体上，调节涂布刀与被涂布基材间距，确定涂布刀输出压力；
步骤（6）：开启权利要求1所述选择性熔化增材制造系统，调节光斑尺寸；
步骤（7）：将增材制造三维模型输入控制计算机，在控制计算机的控制下，涂布刀在涂布基材上往复直线运动，进行涂布，同时控制计算机控制单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（8）：当扫描完一层后，通过升降装置降低一定高度后，控制涂布刀铺粉，进行单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（9）：重复步骤（8），直至完成整个材料的加工。
3.根据权利要求2所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述涂布基材的导热系数小于或等于被烧结材料。
4.根据权利要求2所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述纳米粉末材料为小于等于100纳米的球体。
5.根据权利要求3所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述被烧结纳米材料若为易氧化材料，纳米分散液应具有抗氧化或脱氧性。
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