基于半導(dǎo)體激光能量源的直接成型關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)是九十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)，它是CAD、激光加工、數(shù)控和新材料等學(xué)科的技術(shù)集成。直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）是快速成型技術(shù)的一個(gè)重要分支，是一種利用高功率激光器直接成型金屬零件的快速成型制造技術(shù)。DMLS中一般采用CO2激光器、Nd:YAG激光器和光纖激光器。半導(dǎo)體激光器具有小型、高效、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，這是其它激

2、光器無(wú)法比擬的，半導(dǎo)體激光器最大的優(yōu)勢(shì)是體積小、易于實(shí)現(xiàn)裝置小型化。若采用半導(dǎo)體激光器可以使DMLS設(shè)備成為一種桌面式三維打印系統(tǒng)，特別適合于在“戰(zhàn)場(chǎng)醫(yī)院”配置使用，可以對(duì)戰(zhàn)斗武器的關(guān)鍵零部件進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，具有較高精度。近年來(lái)半導(dǎo)體激光器的性能得到了快速提升，隨著大功率半導(dǎo)體激光器電光功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的提高，將其直接應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域中成為可能。本課題設(shè)計(jì)了一種近紅外半導(dǎo)體激光能量源，深入討論了近紅外半導(dǎo)體激光與金屬粉末的相關(guān)作用

3、機(jī)理，并對(duì)近紅外半導(dǎo)體激光器在316L不銹鋼金屬粉末直接成型中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　本文設(shè)計(jì)了一種近紅外半導(dǎo)體激光能量源。該能量源選用波長(zhǎng)為1.06?m的近紅外半導(dǎo)體激光器作為光源。由于近紅外半導(dǎo)體激光器輸出光束具有發(fā)散特性，為了達(dá)到成型所用的光束要求，對(duì)近紅外半導(dǎo)體激光器能量源的準(zhǔn)直和擴(kuò)束方案進(jìn)行了研究，對(duì)相關(guān)的器件參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。
　　深入研究了金屬粉末直接成型時(shí)近紅外激光對(duì)金屬粉末材料的作用機(jī)理，分析了金

4、屬粉末材料的吸收率與激光波長(zhǎng)的關(guān)系，討論了金屬粉末直接成型過(guò)程中熱物性參數(shù)的變化，并分析了影響金屬粉末直接成型精度的材料參數(shù)和工藝參數(shù)。
　　為了深入分析DMLS的燒結(jié)過(guò)程，采用ANSYS軟件建立了三維溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)316L不銹鋼金屬粉末材料燒結(jié)過(guò)程的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了模擬仿真，并計(jì)算了燒結(jié)深度和掃描間距等工藝參數(shù)。在仿真過(guò)程中考慮了對(duì)流邊界條件和材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)考慮了相變潛熱。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了燒結(jié)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。
　　為了提高成型的效率和精度，分別對(duì)基于STL文件的分層算法和直接分層算法進(jìn)行了研究和改進(jìn)。
　　根據(jù)近紅外半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)，提出了變焦掃描路徑策略。由于近紅外半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)比CO2激光器的波長(zhǎng)小，可以達(dá)到較小的聚焦焦斑，有利于提高成型精度。為了在提高精度的前提下，不降低成型效率，在輪廓掃描中采用了小的焦斑，在填充內(nèi)部時(shí)采用大的焦斑。在此基礎(chǔ)上比較了采用1.06?m的近紅外半導(dǎo)體激光器與采