CN111545755A - 一种紫外激光3d打印铜和铜合金的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法及其装置；其中，紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，包括以下步骤：将送粉缸内装满用于打印的金属粉末；在成型缸上装设基板；刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上；将密封机构中充满惰性气体；脉冲紫外固体激光器发出激光依次经过反射镜、振镜、及场镜进入密封机构中；激光对金属粉末进行扫描、熔融在基板上，打印出产品。本发明提高了铜和铜合金的激光的吸收率，能形成有效的熔池，使得产品的成型精度提高，力学性能强，还提高了生产效率。

Description

一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法及其装置
技术领域
本发明涉及紫外激光3D打印技术领域，更具体地说是指一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法及其装置。
背景技术
目前主流的激光增材制造技术以红外连续激光为主，其针对铁基材料、镍基材料、钛基材料等的成型工艺，已臻于完善且在工业上得到很好地应用。但是，对于铜和铜合金等高反金属材料，连续红外激光很难实现3D打印，其原因在于：1、目前主流的激光3D打印设备，其光源一般选用一般在1064nm的红外光，而铜等高反金属材料对于1064nm波长的激光吸收率≤2.5％，铜和铜合金对于1064nm波段激光低的吸收率导致激光能量的很大浪费，因此材料未能很好的吸热熔融；2、铜的导热性好，导致激光在3D打印过程中很难形成有效熔池，从而使铜和铜合金粉末很难进行有效的选择性激光熔融，造成3D打印成型件的力学性能差，同时由于铜对于红外光低的吸收率，在打印过程中趋于高功率，造成选择性激光熔融过程中热影响区较大，成型件表面精度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法及其装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，包括以下步骤：
将送粉缸内装满用于打印的金属粉末；
在成型缸上装设基板；
刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上；
将密封机构中充满惰性气体；
脉冲紫外固体激光器发出激光依次经过反射镜、振镜、及场镜进入密封机构中；
激光对金属粉末进行扫描、熔融在基板上，打印出产品。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器的功率为3W-30W。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器发出的激光波长为266nm-355nm。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器发出的激光频率为50KHz-1MHz。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器发出的激光扫描速度为50mm/s-200mm/s。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印光斑的直径为30um-100um。
其进一步技术方案为：所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印层厚为20um-40um。
其进一步技术方案为：所述惰性气体为氮气或氩气。
一种紫外激光3D打印铜和铜合金的装置，包括密封机构，脉冲紫外固体激光器，反射镜，振镜，及场镜；所述密封机构包括送粉缸，成型缸，及刮刀；沿光线传播方向，所述脉冲紫外固体激光器设于反射镜的前端，所述振镜，及场镜设于反射镜的后端，所述密封机构设于所述振镜，及场镜的下端。
其进一步技术方案为：所述反射镜为全反射镜；所述送粉缸用于装满打印的金属粉末；所述成型缸用于装设基板；所述刮刀用于将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过将送粉缸内装满用于打印的金属粉末，在成型缸上装设基板，刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上，将密封机构中充满惰性气体，脉冲紫外固体激光器发出激光依次经过反射镜、振镜、及场镜进入密封机构中，激光对金属粉末进行扫描、熔融在基板上，打印出产品；提高了铜和铜合金的激光的吸收率，能形成有效的熔池，使得产品的成型精度提高，力学性能强，还提高了生产效率。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，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些实施例，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为本发明一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法的流程示意图；
图2为不同金属材料对于不同波段光的吸收率的示意图；
图3为紫外激光3D打印铜和铜合金出产品成型件的SEM示意图；
图4为本发明一种紫外激光3D打印铜和铜合金的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
如图1到图4所示的具体实施例，其中，如图1至图3所示，本发明公开了一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，包括以下步骤：
S1，将送粉缸内装满用于打印的金属粉末；
其中，在本实施例中，金属粉末为铜粉末或铜合金粉末，如图2所示，铜对于紫外(266nm-355nm)的激光吸收率≥40％，可见铜对于短波长激光的吸收率是1064nm波长激光的15倍以上。
其中，在本实施例中，通过驱动电缸控制活塞的上下移动往送粉缸内供给粉末，在真空作用下将金属粉末输送至送粉缸中，简单高效。
S2，在成型缸上装设基板；
其中，通过抓取机械手负责抓取加工完成的产品基板，以及抓取新基板放置在成型缸上，效率高且实用性强。
进一步地，抓取机械手抓取方式包括且不限于真空吸盘抓取、磁吸抓取和夹具配合抓取的方式。
S3，刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上；
其中，刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀平整地刮满在基板上，提高了成型精度。
S4，将密封机构中充满惰性气体；
其中，惰性气体对成型过程进行惰性气体保护，能有效地提高成型精度。
S5，脉冲紫外固体激光器发出激光依次经过反射镜、振镜、及场镜进入密封机构中；
其中，在本实施例中，通过振镜调整脉冲紫外固体激光器发射的激光光束在密封机构中的位置，通过计算机控制振镜，以调节激光光束的扫描路径，使得激光光束对金属粉末进行选择性扫描，被激光扫描到的金属粉末熔化成型，其中，激光光束的扫描路径事先设定并储存在计算机中。
S6，激光对金属粉末进行扫描、熔融在基板上，打印出产品。
其中，激光光束对金属粉末进行扫描、熔融成型在基板上，然后打印出产品，成功制备出高致密的铜基复合材料，具有高韧性、高塑性和耐磨性。
其中，所述脉冲紫外固体激光器的功率为3W-30W，瞬时功率高，可有效提高对金属粉末瞬时熔融，以提高成型精度和效率。
其中，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光波长为266nm-355nm，铜对于紫外(266nm-355nm)的激光吸收率≥40％，具有低反射率和高吸收率的特性，有效地提高了成型精度和生产效率。
其中，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光频率为50KHz-1MHz，具有低反射率和高吸收率的特性，提高了成型精度和生产效率。
其中，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光扫描速度为50mm/s-200mm/s，可以根据实际需要进行速度调整，以达到最佳的生产精度和效率。
其中，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印光斑的直径为30um-100um，可以根据实际需要进行打印光斑尺寸调整，以达到最佳的生产精度和效率。
其中，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印层厚为20um-40um，可以根据实际需要进行打印层厚的调整，以达到最佳的生产精度和效率。
其中，所述惰性气体为氮气或氩气，对成型过程进行惰性气体保护，能有效地提高成型精度。
其中，如图3所示的紫外激光3D打印铜和铜合金出产品成型件的SEM(扫描电子显微镜)示意图，本发明运用紫外激光3D打印铜和铜合金出的产品，具有更高的韧性、更高塑性和耐磨性。
本发明提高了铜和铜合金的激光的吸收率，能形成有效的熔池，使得产品的成型精度提高，力学性能强，还提高了生产效率。
如图4所示，本发明还公开了一种紫外激光3D打印铜和铜合金的装置，包括密封机构10，脉冲紫外固体激光器20，反射镜30，振镜40，及场镜50；所述密封机构10包括送粉缸(图中未示出)，成型缸(图中未示出)，及刮刀(图中未示出)；沿光线传播方向，所述脉冲紫外固体激光器20设于反射镜30的前端，所述振镜40，及场镜50设于反射镜30的后端，所述密封机构10设于所述振镜40，及场镜50的下端。
其中，所述反射镜30为全反射镜；所述送粉缸用于装满打印的金属粉末；所述成型缸用于装设基板；所述刮刀用于将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上。
进一步地，在本实施例中，反射镜30的数量为2个，呈上下分布，脉冲紫外固体激光器20的数量为1个，于其他实施例中，本发明的加工装置中光学系统的振镜与激光器数量可随需求进行增加。
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述紫外激光3D打印铜和铜合金的装置和各单元的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将送粉缸内装满用于打印的金属粉末；
在成型缸上装设基板；
刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上；
将密封机构中充满惰性气体；
脉冲紫外固体激光器发出激光依次经过反射镜、振镜、及场镜进入密封机构中；
激光对金属粉末进行扫描、熔融在基板上，打印出产品。
2.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器的功率为3W-30W。
3.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光波长为266nm-355nm。
4.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光频率为50KHz-1MHz。
5.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光扫描速度为50mm/s-200mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印光斑的直径为30um-100um。
7.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述脉冲紫外固体激光器发出的激光打印层厚为20um-40um。
8.根据权利要求1所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气。
9.一种紫外激光3D打印铜和铜合金的装置，其特征在于，包括密封机构，脉冲紫外固体激光器，反射镜，振镜，及场镜；所述密封机构包括送粉缸，成型缸，及刮刀；沿光线传播方向，所述脉冲紫外固体激光器设于反射镜的前端，所述振镜，及场镜设于反射镜的后端，所述密封机构设于所述振镜，及场镜的下端。
10.根据权利要求9所述的一种紫外激光3D打印铜和铜合金的装置，其特征在于，所述反射镜为全反射镜；所述送粉缸用于装满打印的金属粉末；所述成型缸用于装设基板；所述刮刀用于将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上。
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