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基于半导体激光能量源的直接成型关键技术研究

马巧梅  
【摘要】: 快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术是九十年代发展起来的一种新型制造技术,它是CAD、激光加工、数控和新材料等学科的技术集成。直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)是快速成型技术的一个重要分支,是一种利用高功率激光器直接成型金属零件的快速成型制造技术。DMLS中一般采用CO2激光器、Nd:YAG激光器和光纤激光器。半导体激光器具有小型、高效、寿命长等优点,这是其它激光器无法比拟的,半导体激光器最大的优势是体积小、易于实现装置小型化。若采用半导体激光器可以使DMLS设备成为一种桌面式三维打印系统,特别适合于在“战场医院”配置使用,可以对战斗武器的关键零部件进行及时修复,具有较高精度。近年来半导体激光器的性能得到了快速提升,随着大功率半导体激光器电光功率转换效率和输出功率的提高,将其直接应用于材料加工领域中成为可能。本课题设计了一种近红外半导体激光能量源,深入讨论了近红外半导体激光与金属粉末的相关作用机理,并对近红外半导体激光器在316L不锈钢金属粉末直接成型中所涉及到的关键技术进行了研究。 本文设计了一种近红外半导体激光能量源。该能量源选用波长为1.06μm的近红外半导体激光器作为光源。由于近红外半导体激光器输出光束具有发散特性,为了达到成型所用的光束要求,对近红外半导体激光器能量源的准直和扩束方案进行了研究,对相关的器件参数进行了计算。 深入研究了金属粉末直接成型时近红外激光对金属粉末材料的作用机理,分析了金属粉末材料的吸收率与激光波长的关系,讨论了金属粉末直接成型过程中热物性参数的变化,并分析了影响金属粉末直接成型精度的材料参数和工艺参数。为了深入分析DMLS的烧结过程,采用ANSYS软件建立了三维温度场有限元模型,对316L不锈钢金属粉末材料烧结过程的温度场变化进行了模拟仿真,并计算了烧结深度和扫描间距等工艺参数。在仿真过程中考虑了对流边界条件和材料热物性参数随温度的变化,同时考虑了相变潜热。在此基础上,进行了烧结验证实验,实验结果与模拟结果基本吻合。 为了提高成型的效率和精度,分别对基于STL文件的分层算法和直接分层算法进行了研究和改进。 根据近红外半导体激光器的特点,提出了变焦扫描路径策略。由于近红外半导体激光器的波长比CO2激光器的波长小,可以达到较小的聚焦焦斑,有利于提高成型精度。为了在提高精度的前提下,不降低成型效率,在轮廓扫描中采用了小的焦斑,在填充内部时采用大的焦斑。在此基础上比较了采用1.06μm的近红外半导体激光器与采用CO2激光器所需要的功率。


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