CN1363440A - 粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法及系统,属于激光材料加工快速成型技术领域。本发明首先在计算机上完成需要成型的三维CAD模型,将盛有粉末材料的容器5放置在工作台13上,垫板10放在容器底部。成型过程中,在计算机的控制下,激光束经反射镜1、反射镜2分别沿X、Y方向运动,经聚焦镜3聚焦,使激光有选择地扫描粉末材料6,经过扫描的粉末材料因汽化蒸发掉,激光扫描的边缘未被汽化但已被熔化部分7,向周围粉末热传导,低熔点材料受热熔化,冷却凝固后成为所需的薄壁零件。本发明可有效、快速、方便地形成微小的薄壁零件。
Description
粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型方法及系统属于激光材料加工快速成型技术领域。
激光快速成型技术(Rapid Prototype)是近十年来发展起来的快速制造零件的技术，它将CAD/CAM、NC、激光及材料加工技术结合起来，形成的一项新的成型技术。特别适应于小批量、多品种的零件成型加工要求，具有很高的柔性来适应快速变化的市场需求。
激光快速成型是通过计算机辅助设计将三维零件的几何数据转化为逐点扫描连续堆积成型的扫描路径，以数控机床或机器手为扫描驱动方式、以聚焦激光束为光源逐点与原材料作用(光固化、光烧结或光熔凝)，从而实现三维零件的柔性快速制造。典型的激光快速成型方法主要有光固化立体造型(Stereo Lithography，SL)、分层实体造型(Laminated ObjectManufacturing，LOM)和选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)等。光固化立体造型(SL)是由美国3D System公司于1987年研制成功的，它采用光敏树脂为原料，采用He-Cd激光为光聚合反应的光源，虽可以成型复杂的三维结构，但材料单一，只能是光敏树脂，在物理性质上达不到要求。分层实体造型(LOM)工艺是由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年发明的。它是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状，然后叠加在一起的造型方法。由于只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件较快，易于制造大型零件。
粉末材料的选区激光烧结(Selective Laser Sintering)快速成型技术是典型的激光快速成型方法，已得到越来越广泛的应用。SLS工艺中，首先在计算机上完成符合需要的三维CAD模型，再用分层软件对其进行分层，得到每层的截面，采用自动控制技术，使激光有选择地烧结出与计算机内零件截面相对应部分的粉末，使粉末经烧结融化冷却凝固成型。完成一层烧结后再进行下一层烧结，且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积，结果烧结部分恰好是与CAD原型一致的实体，而未烧结部分则是松散粉末，可以起到支撑的作用，并在最后很容易清理掉。
选区激光烧结通常采用的粉末颗粒直径为几微米至几十微米。由于熔烧微米颗粒所需的激光功率较高，不得不采用功率较大得CO2激光和YAG固体激光，这两种激光均处于红外波段，从原理上限制了它的聚焦光斑不可能很小，另外粉末材料的融化再凝固形成，影响了激光快速成型的精度。用这种方法得到的工件的成型主要靠其壁厚受到粉末颗粒的大小和扫描激光束光斑大小的限制，难于加工成薄壁工件。
本发明的目的在于提供一种粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型方法及为实现该方法而设计的成型系统。本发明可有效、快速、方便地形成微小的薄壁零件，适于激光微成形、微制造。
本发明的技术方案参见附图1、2。它是一种采用选区激光汽化烧结(Selective Laser Vapouring Sintering)的方法进行薄壁成型，粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法，首先在计算机上完成所需的三维CAD模型，再对选区内的粉末材料采用激光使其成型与原型一致的实体，本发明的特征在于，先将装有粉末材料的容器放置于成型装置上，启动计算机控制激光束，对激光进行传输和聚焦后作用在粉末材料上，使选区粉末发生汽化，而未被激光束汽化的粉末材料溶化冷却凝固成型。
本发明中采用了低熔点、低沸点的金属、金属合金或非金属材料，粉末材料放置在容器中的厚度＜15毫米。本发明中的激光光束8的聚焦焦点在粉末材料6的表面。本发明中激光扫描后将经过扫描线9的粉末材料被汽化，未被汽化部分7烧结熔化，再经热传导使周围低熔点粉末熔化，冷却凝固成型。
粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的系统，包括有计算机11及由其控制的激光器12，本发明的特征在于设置了一个接受激光扫描用的薄壁成型装置，装置包括由工作台13，置于工作台上方的运动横梁4，按常规方法固定在运动横梁4上的沿Y轴方向运动的反射镜1和可沿X轴方向运动的工作头14，工作头内固定有反射镜2、及固定在其下方的接受来自反射镜2向下反射激光束的聚焦镜3，及可放入工作台上盛放粉末材料的容器5。
本发明中的容器5的底部放置一托放粉末材料的垫板10。
本发明的工作原理如下：激光器12发射的激光光束经反射镜1、反射镜2后，经聚焦透镜3聚焦在粉末材料上。反射镜1固定在横梁4上，可随横梁4沿Y方向运动，反射镜2在横梁4上可沿X方向运动。首先在计算机上完成需要成型的三维CAD模型，将盛有粉末材料的容器5放置在工作台13上，垫板10放在容器底部。成型过程中，在计算机的控制下，激光束经反射镜1、反射镜2分别沿X、Y方向运动，通过工作头14内的聚焦镜3，使激光有选择地扫描粉末材料6，经过扫描的粉末材料因汽化蒸发掉，激光扫描的边缘未被汽化但已被熔化部分7，向周围粉末热传导，低熔点材料受热熔化，冷却凝固后成为所需的薄壁零件。底部垫板材料的导热性，直接影响薄壁底部的成型效果。
粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型方法及系统，其基本原理不同于选区激光烧结(SLS)扫描粉末，使粉末熔化，而是利用激光这种特殊的热源照射到粉末材料上，经过聚焦后激光能量的高度集中性，通过控制激光束输出能量、焦点位置和光束与材料的运动速度等，可以使粉末材料瞬间发生汽化，由于作用在粉末材料上，光束光斑中央的功率密度较高，使材料汽化而蒸发掉，而光斑边缘的功率密度较低，与粉末材料接触部分达不到汽化所需能量，只能熔化，随后冷却凝固成型。
因此，光束中央部分物质的蒸发与边缘部分物质的融化是光通量在粉末材料薄壁成型的两个基本过程，成型薄壁的壁厚受粉末颗粒的大小和激光作用时间的影响。普通粉末的颗粒度小于50微米，超细粉末的颗粒度小于5微米，如果使用更细的纳米颗粒，则用这种方法可以很容易加工成型纳米级的薄壁件。
附图说明：
图1本发明的系统示意图，1、可沿Y轴方向运动的反射镜，2、可随工作头一起沿X轴方向运动的反射镜，3、置于工作头的聚焦镜，4、运动横梁，5、容器，11、计算机，12、激光器，13、工作台，14、沿X轴方向运动的工作头；
图2薄壁成型过程工作状况示意图，6、粉末材料，7、成型薄壁，8、激光束，9、激光扫描线路，10、垫板；
图3成型的薄壁汉字(火柴头大小)；
图4计算机中设计的齿轮；
图5实际成型的微小齿轮。
下面结合本发明给出具体实施例：
本发明的系统构成见图1、图2，按常规装配方法制作。其工作过程及成型效果实施如下：
例1、成型薄壁汉字(火柴头大小)
首先在计算机11中输入汉字“工”，将盛有粉末材料的容器5放置在工作台13上，粉末底部放金属垫板10。打开激光器12，启动计算机11控制系统，在计算机的控制下，激光束通过反射镜1，反射镜2的运动，沿着汉字“工”的外轮廓扫描，激光束8聚焦在粉末表面，经过激光扫描的粉末材料汽化蒸发掉，未蒸发部分7熔化再通过热传导将附近的粉末材料熔化，冷却凝固后成型。加工完毕后，清除掉其余粉末，得到最后成型件，如附图3所示，壁厚＜0.1毫米。
例2、成型薄壁微型齿轮
首先在计算机11中画一齿轮如图4所示，将盛有粉末材料的容器5放置在工作台13上，粉末底部放金属垫板10。打开激光器12，启动计算机控制系统，在计算机11的控制下，激光束通过反射镜1，反射镜2的运动，沿着齿轮的轮廓线扫描，激光束8聚焦在粉末表面，经过激光扫描的粉末材料汽化蒸发掉，未蒸发部分7熔化再通过热传导将其附近的粉末材料熔化，冷却凝固后成型。加工完毕后，清除掉其余粉末，如图5所示得到最后成型件，齿轮轮廓直径＜3毫米。
Claims (6)
1、一种粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法，首先在计算机上完成所需的三维CAD模型，再对选区内的粉末材料采用激光使其成型与原型一致的实体，本发明的特征在于，先将装有粉末材料的容器放置于成型装置上，启动计算机控制激光束，对激光进行传输和聚焦后作用在粉末材料上，使选区粉末发生汽化，而未被激光束汽化的粉末材料溶化冷却凝固成型。
2、根据权利要求1所述的粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法，其特征在于：采用了低熔点、低沸点的金属、金属合金或非金属材料的粉末材料，粉末材料放置在容器中的厚度＜15毫米。
3、根据权利要求1所述的粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法，其特征在于：激光光束(8)的聚焦焦点在粉末材料(6)的表面。
4、根据权利要求1所述的粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的方法，其特征在于：激光扫描后将经过扫描线(9)的粉末材料汽化，其附近未被汽化部分(7)熔化，再经热传导使周围低熔点粉末熔化，冷却凝固成型。
5、一种粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的系统，包括有计算机(11)及由其控制的激光器(12)，本发明的特征在于设置了一个接受激光扫描用的薄壁成型装置，装置包括有工作台(13)，置于工作台上方的运动横梁(4)，按常规方法固定在运动横梁(4)上的沿Y轴方向运动的反射镜(1)和沿X轴方向运动的工作头(14)，工作头(14)内有一按常规方法固定的反射镜(2)及固定在其下方的接受来自反射镜(2)向下反射激光束的聚焦镜(3)，及可放入工作台上盛放粉末材料的容器(5)。
6、根据权利要求5所述的粉末材料的选区激光汽化烧结快速薄壁成型的系统，其特征在于：容器(5)的底部放置一托放粉末材料的垫板(10)。
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