專(zhuān)利名稱(chēng)：粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法及系統(tǒng)的制作方法
粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型方法及系統(tǒng)屬于激光材料加工快速成型技術(shù)領(lǐng)域。
激光快速成型技術(shù)(Rapid Prototype)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的快速制造零件的技術(shù)，它將CAD/CAM、NC、激光及材料加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成的一項(xiàng)新的成型技術(shù)。特別適應(yīng)于小批量、多品種的零件成型加工要求，具有很高的柔性來(lái)適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求。
激光快速成型是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)將三維零件的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為逐點(diǎn)掃描連續(xù)堆積成型的掃描路徑，以數(shù)控機(jī)床或機(jī)器手為掃描驅(qū)動(dòng)方式、以聚焦激光束為光源逐點(diǎn)與原材料作用(光固化、光燒結(jié)或光熔凝)，從而實(shí)現(xiàn)三維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體造型(Stereo Lithography，SL)、分層實(shí)體造型(Laminated ObjectManufacturing，LOM)和選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)等。光固化立體造型(SL)是由美國(guó)3D System公司于1987年研制成功的，它采用光敏樹(shù)脂為原料，采用He-Cd激光為光聚合反應(yīng)的光源，雖可以成型復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但材料單一，只能是光敏樹(shù)脂，在物理性質(zhì)上達(dá)不到要求。分層實(shí)體造型(LOM)工藝是由美國(guó)Helisys公司的Michael Feygin于1986年發(fā)明的。它是將薄膜材料逐層激光切割成所需形狀，然后疊加在一起的造型方法。由于只須在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面，因此成型厚壁零件較快，易于制造大型零件。
粉末材料的選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering)快速成型技術(shù)是典型的激光快速成型方法，已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。SLS工藝中，首先在計(jì)算機(jī)上完成符合需要的三維CAD模型，再用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分層，得到每層的截面，采用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光有選擇地?zé)Y(jié)出與計(jì)算機(jī)內(nèi)零件截面相對(duì)應(yīng)部分的粉末，使粉末經(jīng)燒結(jié)融化冷卻凝固成型。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，且兩層之間燒結(jié)相連。如此層層燒結(jié)、堆積，結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與CAD原型一致的實(shí)體，而未燒結(jié)部分則是松散粉末，可以起到支撐的作用，并在最后很容易清理掉。
選區(qū)激光燒結(jié)通常采用的粉末顆粒直徑為幾微米至幾十微米。由于熔燒微米顆粒所需的激光功率較高，不得不采用功率較大得CO2激光和YAG固體激光，這兩種激光均處于紅外波段，從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，影響了激光快速成型的精度。用這種方法得到的工件的成型主要靠其壁厚受到粉末顆粒的大小和掃描激光束光斑大小的限制，難于加工成薄壁工件。
本發(fā)明的目的在于提供一種粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型方法及為實(shí)現(xiàn)該方法而設(shè)計(jì)的成型系統(tǒng)。本發(fā)明可有效、快速、方便地形成微小的薄壁零件，適于激光微成形、微制造。
本發(fā)明的技術(shù)方案參見(jiàn)附圖1、2。它是一種采用選區(qū)激光汽化燒結(jié)(Selective Laser Vapouring Sintering)的方法進(jìn)行薄壁成型，粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法，首先在計(jì)算機(jī)上完成所需的三維CAD模型，再對(duì)選區(qū)內(nèi)的粉末材料采用激光使其成型與原型一致的實(shí)體，本發(fā)明的特征在于，先將裝有粉末材料的容器放置于成型裝置上，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制激光束，對(duì)激光進(jìn)行傳輸和聚焦后作用在粉末材料上，使選區(qū)粉末發(fā)生汽化，而未被激光束汽化的粉末材料溶化冷卻凝固成型。
本發(fā)明中采用了低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)的金屬、金屬合金或非金屬材料，粉末材料放置在容器中的厚度＜15毫米。本發(fā)明中的激光光束8的聚焦焦點(diǎn)在粉末材料6的表面。本發(fā)明中激光掃描后將經(jīng)過(guò)掃描線(xiàn)9的粉末材料被汽化，未被汽化部分7燒結(jié)熔化，再經(jīng)熱傳導(dǎo)使周?chē)腿埸c(diǎn)粉末熔化，冷卻凝固成型。
粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的系統(tǒng)，包括有計(jì)算機(jī)11及由其控制的激光器12，本發(fā)明的特征在于設(shè)置了一個(gè)接受激光掃描用的薄壁成型裝置，裝置包括由工作臺(tái)13，置于工作臺(tái)上方的運(yùn)動(dòng)橫梁4，按常規(guī)方法固定在運(yùn)動(dòng)橫梁4上的沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的反射鏡1和可沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的工作頭14，工作頭內(nèi)固定有反射鏡2、及固定在其下方的接受來(lái)自反射鏡2向下反射激光束的聚焦鏡3，及可放入工作臺(tái)上盛放粉末材料的容器5。
本發(fā)明中的容器5的底部放置一托放粉末材料的墊板10。
本發(fā)明的工作原理如下激光器12發(fā)射的激光光束經(jīng)反射鏡1、反射鏡2后，經(jīng)聚焦透鏡3聚焦在粉末材料上。反射鏡1固定在橫梁4上，可隨橫梁4沿Y方向運(yùn)動(dòng)，反射鏡2在橫梁4上可沿X方向運(yùn)動(dòng)。首先在計(jì)算機(jī)上完成需要成型的三維CAD模型，將盛有粉末材料的容器5放置在工作臺(tái)13上，墊板10放在容器底部。成型過(guò)程中，在計(jì)算機(jī)的控制下，激光束經(jīng)反射鏡1、反射鏡2分別沿X、Y方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)工作頭14內(nèi)的聚焦鏡3，使激光有選擇地掃描粉末材料6，經(jīng)過(guò)掃描的粉末材料因汽化蒸發(fā)掉，激光掃描的邊緣未被汽化但已被熔化部分7，向周?chē)勰醾鲗?dǎo)，低熔點(diǎn)材料受熱熔化，冷卻凝固后成為所需的薄壁零件。底部墊板材料的導(dǎo)熱性，直接影響薄壁底部的成型效果。
粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型方法及系統(tǒng)，其基本原理不同于選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)掃描粉末，使粉末熔化，而是利用激光這種特殊的熱源照射到粉末材料上，經(jīng)過(guò)聚焦后激光能量的高度集中性，通過(guò)控制激光束輸出能量、焦點(diǎn)位置和光束與材料的運(yùn)動(dòng)速度等，可以使粉末材料瞬間發(fā)生汽化，由于作用在粉末材料上，光束光斑中央的功率密度較高，使材料汽化而蒸發(fā)掉，而光斑邊緣的功率密度較低，與粉末材料接觸部分達(dá)不到汽化所需能量，只能熔化，隨后冷卻凝固成型。
因此，光束中央部分物質(zhì)的蒸發(fā)與邊緣部分物質(zhì)的融化是光通量在粉末材料薄壁成型的兩個(gè)基本過(guò)程，成型薄壁的壁厚受粉末顆粒的大小和激光作用時(shí)間的影響。普通粉末的顆粒度小于50微米，超細(xì)粉末的顆粒度小于5微米，如果使用更細(xì)的納米顆粒，則用這種方法可以很容易加工成型納米級(jí)的薄壁件。


圖1本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖，1、可沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的反射鏡，2、可隨工作頭一起沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的反射鏡，3、置于工作頭的聚焦鏡，4、運(yùn)動(dòng)橫梁，5、容器，11、計(jì)算機(jī)，12、激光器，13、工作臺(tái)，14、沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的工作頭；圖2薄壁成型過(guò)程工作狀況示意圖，6、粉末材料，7、成型薄壁，8、激光束，9、激光掃描線(xiàn)路，10、墊板；圖3成型的薄壁漢字(火柴頭大小)；圖4計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的齒輪；圖5實(shí)際成型的微小齒輪。
下面結(jié)合本發(fā)明給出具體實(shí)施例本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1、圖2，按常規(guī)裝配方法制作。其工作過(guò)程及成型效果實(shí)施如下例1、成型薄壁漢字(火柴頭大小)首先在計(jì)算機(jī)11中輸入漢字“工”，將盛有粉末材料的容器5放置在工作臺(tái)13上，粉末底部放金屬墊板10。打開(kāi)激光器12，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)11控制系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)的控制下，激光束通過(guò)反射鏡1，反射鏡2的運(yùn)動(dòng)，沿著漢字“工”的外輪廓掃描，激光束8聚焦在粉末表面，經(jīng)過(guò)激光掃描的粉末材料汽化蒸發(fā)掉，未蒸發(fā)部分7熔化再通過(guò)熱傳導(dǎo)將附近的粉末材料熔化，冷卻凝固后成型。加工完畢后，清除掉其余粉末，得到最后成型件，如附圖3所示，壁厚＜0.1毫米。
例2、成型薄壁微型齒輪首先在計(jì)算機(jī)11中畫(huà)一齒輪如圖4所示，將盛有粉末材料的容器5放置在工作臺(tái)13上，粉末底部放金屬墊板10。打開(kāi)激光器12，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)11的控制下，激光束通過(guò)反射鏡1，反射鏡2的運(yùn)動(dòng)，沿著齒輪的輪廓線(xiàn)掃描，激光束8聚焦在粉末表面，經(jīng)過(guò)激光掃描的粉末材料汽化蒸發(fā)掉，未蒸發(fā)部分7熔化再通過(guò)熱傳導(dǎo)將其附近的粉末材料熔化，冷卻凝固后成型。加工完畢后，清除掉其余粉末，如圖5所示得到最后成型件，齒輪輪廓直徑＜3毫米。
權(quán)利要求
1.一種粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法，首先在計(jì)算機(jī)上完成所需的三維CAD模型，再對(duì)選區(qū)內(nèi)的粉末材料采用激光使其成型與原型一致的實(shí)體，本發(fā)明的特征在于，先將裝有粉末材料的容器放置于成型裝置上，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制激光束，對(duì)激光進(jìn)行傳輸和聚焦后作用在粉末材料上，使選區(qū)粉末發(fā)生汽化，而未被激光束汽化的粉末材料溶化冷卻凝固成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法，其特征在于采用了低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)的金屬、金屬合金或非金屬材料的粉末材料，粉末材料放置在容器中的厚度＜15毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法，其特征在于激光光束(8)的聚焦焦點(diǎn)在粉末材料(6)的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法，其特征在于激光掃描后將經(jīng)過(guò)掃描線(xiàn)(9)的粉末材料汽化，其附近未被汽化部分(7)熔化，再經(jīng)熱傳導(dǎo)使周?chē)腿埸c(diǎn)粉末熔化，冷卻凝固成型。
5.一種粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的系統(tǒng)，包括有計(jì)算機(jī)(11)及由其控制的激光器(12)，本發(fā)明的特征在于設(shè)置了一個(gè)接受激光掃描用的薄壁成型裝置，裝置包括有工作臺(tái)(13)，置于工作臺(tái)上方的運(yùn)動(dòng)橫梁(4)，按常規(guī)方法固定在運(yùn)動(dòng)橫梁(4)上的沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的反射鏡(1)和沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的工作頭(14)，工作頭(14)內(nèi)有一按常規(guī)方法固定的反射鏡(2)及固定在其下方的接受來(lái)自反射鏡(2)向下反射激光束的聚焦鏡(3)，及可放入工作臺(tái)上盛放粉末材料的容器(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的系統(tǒng)，其特征在于容器(5)的底部放置一托放粉末材料的墊板(10)。
全文摘要
粉末材料的選區(qū)激光汽化燒結(jié)快速薄壁成型的方法及系統(tǒng),屬于激光材料加工快速成型技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先在計(jì)算機(jī)上完成需要成型的三維CAD模型,將盛有粉末材料的容器5放置在工作臺(tái)13上,墊板10放在容器底部。成型過(guò)程中,在計(jì)算機(jī)的控制下,激光束經(jīng)反射鏡1、反射鏡2分別沿X、Y方向運(yùn)動(dòng),經(jīng)聚焦鏡3聚焦,使激光有選擇地掃描粉末材料6,經(jīng)過(guò)掃描的粉末材料因汽化蒸發(fā)掉,激光掃描的邊緣未被汽化但已被熔化部分7,向周?chē)勰醾鲗?dǎo),低熔點(diǎn)材料受熱熔化,冷卻凝固后成為所需的薄壁零件。本發(fā)明可有效、快速、方便地形成微小的薄壁零件。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1363440SQ0113997
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月22日
發(fā)明者左鐵釧, 陳繼民, 王旭葆, 王瑞 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)