CN1386608A - 粉末材料的准分子激光快速微成型方法及系统 - Google Patents
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Abstract
粉末材料的准分子激光快速成型的方法及系统,属于激光材料加工快速成型技术领域。本发明首先将粉末材料用5～50MPa的压力压实,将压实后的粉末材料8放置在垫片9上,然后一起放在工作台10上。成型过程中,在计算机的控制下,准分子激光经过反射镜3、反射镜4后,经过一个决定粉末材料成型形状的掩模板5,再经过反射镜6、聚焦成像物镜7作用在粉末材料8上,将粉末材料汽化,被掩模板遮挡住的部分,未被气化,而保留下来成型。本发明可有效、快速、方便地进行大批量微型零件的制造。
Description
技术领域
粉末材料的准分子激光快速成型方法及系统属于激光材料加工快速成型技术领域。
背景技术
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。一般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 Object Manufacturing，LOM)和选区激光烧结(SelectiveLaser 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而的轮廓，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)快速成型技术也是激光快速成型方法。在SLS工艺中，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的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，难于加工成微小工件。
以前的微细加工技术主要是针对微电子工业而发展起来的技术，如光刻、反应离子刻蚀、化学腐蚀等等，它们已经随着电子信息产业的发展，而相当成熟和完善了。随着现代科技的进步，特别是精密可控操作与执行技术的发展和纳米科技的发展，发展微机械的制造工艺是十分必要和可能的。
用准分子激光掩膜进行微加工的研究才刚起步，但大多集中在有机高分子材料的微成型，用准分子激光掩膜对粉末材料进行微成型目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉末材料的准分子激光快速成型方法及为实现该方法而设计的成型系统。
本发明的技术方案参见附图1。它是一种采用准分子激光掩膜汽化的方法进行微成型，粉末材料的准分子激光快速微成型的方法。本发明的粉末材料的准分子激光快速微成型的方法，是通过计算机控制激光束，对激光进行传输和聚焦后作用在粉末材料上使其成型为所需形状，本发明的特征在于，先将粉末材料用5～50Mpa的压力压实，然后将压实后的粉末材料8放置于成型装置上，利用准分子激光经过反射镜3、反射镜4后，经过一个决定粉末材料成型形状的掩膜板5，再经过反射镜6、聚焦成像物镜7作用在粉末材料8上，将粉末材料汽化，被掩膜板遮挡住的部分，未被气化，而保留下来成型。
本发明中采用了低熔点、低沸点的金属、金属氧化物粉末或非金属材料的粉末材料，粉末材料压实后的厚度根据所制产品成型件的厚度决定。本发明中激光光束经过聚焦成像物镜7在粉末材料8的表面成像。
粉末材料的准分子激光快速微成型的系统，包括有计算机1及由其控制的激光器2，接受激光束的成型装置，本发明的特征在于成型装置包括有激光束依次经过的反射镜3、反射镜4，掩膜板5，反射镜6，聚焦成像物镜7，及置于聚焦成像物镜7下方的可上、下调整的可放置粉末材料的工作台10。本发明中工作台10上放置一托放粉末材料的且可与成型件分离或不分离的垫片9。
粉末材料的准分子激光快速微成型方法及系统，其基本原理不同于选区激光烧结(SLS)扫描粉末，使粉末熔化，而是利用准分子激光这种特殊的光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作用等，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，而保留下来成型。
本发明是一种集合了多种加工工艺的集成微加工系统，利用了激光高会聚特性、高定向性能、高时空压缩特性以及短波长表现指征的优点，在与材料作用时，显现非接触、自动剥离的过程，因而加工质量高，对结构材料基体的影响小。
本发明可有效、快速、方便地形成微小的零件，适于激光微成形、微制造，并可以进行大批量生产微小零件。用本发明的方法成型后的材料可以经过后处理，以增加微型件的致密度和强度。
附图说明：
图1本发明的系统示意图；
1、计算机，2、准分子激光器，3、反射镜，4、反射镜，5、掩膜板，6、反射镜，7、成像物镜，8、粉末材料，9、垫片，10、工作台
图2实际成型的微型齿轮(齿数16齿，直径为150微米)；
具体实施方式
本发明的系统构成见图1，按常规装配方法制作。本发明的工作过程如下：激光器2发射的激光光束经反射镜3、反射镜4后，经掩膜板5，通过反射镜6，经聚焦成像物镜7聚焦在粉末材料上。首先将粉末材料8压实处理后，放置垫板9上，一起在工作台10上，工作台可以在Z方向进行精确调节，调整工作台10的高度，使掩膜板聚焦成像在粉末材料8表面。成型过程中，在计算机的控制下，激光束经反射镜3、反射镜4，经掩膜板5，通过反射镜6，经聚焦成像物镜7聚焦在粉末材料8上，使激光照射到的粉末材料因汽化蒸发掉，而被掩膜板遮挡的部分保留下来，成为所需形状的零件。
用本发明的技术方案制作的微型齿轮成型效果如下：
首先制作与所要加工齿轮形状相同的掩膜板，将粉末材料用20Mpa的压力压实后(厚度小于1毫米)，放置在垫片9上，一起放在工作台10上，调整工作台，进行加工面调焦工作，使掩膜板经过聚焦成像物镜在粉末材料上成像。打开准分子激光器2，启动计算机1控制系统，在计算机的控制下，激光束通过反射镜3，反射镜4，经过掩膜板5，再经过反射镜6，通过聚焦成像物镜7在粉末材料表面成像，激光束聚焦在粉末材料表面，未被掩膜板遮挡住的粉末材料汽化蒸发掉，而被掩膜板遮挡住的粉末材料保留成型。如图2所示得到最后成型件，齿轮直径约为150微米。
Claims (5)
1、一种粉末材料的准分子激光快速微成型的方法，通过计算机控制激光束，对激光进行传输和聚焦后作用在粉末材料上使其成型为所需形状，本发明的特征在于，先将粉末材料用5～50Mpa的压力压实，然后将压实后的粉末材料(8)放置于成型装置上，利用准分子激光经过反射镜(3)、反射镜(4)后，经过一个决定粉末材料成型形状的掩膜板(5)，再经过反射镜(6)、聚焦成像物镜(7)作用在粉末材料(8)上，将粉末材料汽化，被掩膜板遮挡住的部分，未被气化，而保留下来成型。
2、根据权利要求1所述的粉末材料的准分子激光快速微成型的方法，其特征在于：采用了低熔点、低沸点的金属、金属氧化物粉末或非金属材料的粉末材料，粉末材料压实后的厚度根据所制产品成型件的厚度决定。
3、根据权利要求1所述的粉末材料的准分子激光快速微成型的方法，其特征在于：激光光束经过聚焦成像物镜(7)在粉末材料(8)的表面成像。
4、一种粉末材料的准分子激光快速微成型的系统，包括有计算机(1)及由其控制的激光器(2)，接受激光束的成型装置，本发明的特征在于成型装置包括有激光束依次经过的反射镜(3)、反射镜(4)，掩膜板(5)，反射镜(6)，聚焦成像物镜(7)，及置于聚焦成像物镜(7)下方的可上、下调整的放置粉末材料的工作台(10)。
5、根据权利要求4所述的粉末材料的准分子激光快速微成型的系统，其特征在于：工作台(10)上放置一托放粉末材料的且可与成型件分离或不分离的垫片(9)。
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