激光器在增材制造中的应用
发布时间：2021-12-28 02:14
为了解激光对增材制造的影响,综述了增材制造中广泛应用的激光类型,针对每种激光类型分析了增材制造相关的重要参数。此外,对于每种激光器在增材制造中应用存在的优点和限制性进行了剖析。对于每种增材制造方式,介绍了所适用激光器的最新进展。最后,讨论了基于激光技术的增材制造的未来前景。研究表明,CO2和Nd∶YAG激光器仍然是各种激光制造技术的中坚力量;Yb光纤激光器具有更高的平均功率、系统稳定性、高参数可调性和低维护成本等优势,正逐渐替代Nd∶YAG激光器;尽管准分子激光器光束质量相对较低且成本较高,但仍需要其基于高功率紫外激光的增材制造以用于研究目的;基于激光的增材制造必须根据目标性能选择作为增材制造的激光源。
【文章来源】：航空制造技术. 2020,63(22)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
不同增益介质的激光器原理图
光束质量和聚焦光斑大小是空间域中的激光参数，为了提高制造精度，必须将这些参数考虑在内。在增材制造中，通常以“光束参数乘积(BPP)”定义光束质量。它是光束在空间域中的宽度（光腰束宽）和在空间频率域中的角谱宽度（远场发散角）的乘积（mm·mrad）。BPP与功率密度密切相关，并影响制造分辨率，该因素取决于增益介质、泵浦源、谐振器结构和工作波长。特别是工作波长决定了BPP的下限，即λ/π，定义为衍射极限，例如，1064nm的Nd∶YAG激光束的最小BPP约为0.339mm·mrad。理想情况下，当光束轮廓是完美的高斯形状时，可以获得最小BPP。M2因子（光束质量因子）也是定义光束质量的一种更为简单的方式，其与波长因素无关M2因子定义为BPP除以λ/π，若为理想的高斯光束，则M2因子为1。CO2激光器、Nd∶YAG激光器和Yb∶YAG（掺镱钇铝石榴石）激光器的光束质量如图9所示[36]，其中的实线表明由工作波长下的衍射极限所确定的BPP和M2因子之间的关系。尽管CO2激光器的衍射极限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值为3～5mm·mrad，与二极管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更为简单的光学结构和稳定的电泵浦方法，CO2激光器具有相对较低的BPP值且其M2因子接近为1。Yb光纤激光器的光束最接近高斯光束，其优良光束质量可以归因于其基于光纤的传播方式；当激光束通过光纤传播时，由于光纤有限的模场直径，高阶空间模得以滤除，只有单一或有限数量的空间模保留在其内部。相比之下，准分子激光器由于其高阶空间模式和高光束发散角，光束质量相对较差，此外，它的输出光束形状为矩形且在X轴和Y轴上具有不对称的发散角。图8 镍625合金熔化区脉冲能量与脉冲持续时间的关系
图9 几种激光器的激光参数乘积与光束质量值根据材料的类型，SLS工艺通常使用CO2和Yb光纤激光器[45–46]。大多数SLS机器通常使用平均功率几十到几百瓦的CO2激光器，因为聚合物在此工作波长下具有高吸收率，Heo[47]的研究表明CO2激光器还可以用于氧化物陶瓷和复合材料的烧结。然而，金属粉末的激光烧结需要Nd∶YAG激光器或更常见的Yb光纤激光器，它们能产生波长为1064nm的激光束，该波长更接近于金属粉末的高吸收率范围。这种基于金属的SLS工艺也称为直接金属激光烧结（DMLS），以区别于基于聚合物的选区烧结工艺。除金属粉外，Nd∶YAG和Yb光纤激光器还可用于烧结硬质陶瓷[48]。波长等许多激光参数也会影响SLS打印零件的机械性能和几何形状，其中激光功率和扫描速度是影响烧结过程的主要参数。这两个因素决定了粉末吸收的总能量密度，进而影响了烧结零件的质量。当吸收的能量密度太低时，烧结可能不完全，所得的烧结部件将很脆弱，难以处理，但当吸收的能量密度太高时，烧结的零件将被过量的激光能量损坏，或者零件内部会发生不均匀的熔化，从而在零件打印过程中产生不均匀性，超过材料分解能的激光能量甚至可能导致材料汽化。最佳处理参数随SLS中使用的目标材料的类型而变化，能量密度不同所导致的材料烧结效率变化可以通过工艺图来表示。图11为采用CO2和Nd∶YAG激光器烧结的不锈钢–铜合金的工艺图[48]。不锈钢–铜合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波长下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工艺参数。与使用CO2激光器的情况相比，使用Nd∶YAG激光器，不锈钢–铜合金具有更大的可激光烧结加工区域，并且随着能量密度的增加，烧结材料的层厚度通常会增加。
【参考文献】：
期刊论文
[1]增材制造技术——现状与未来[J]. 卢秉恒. 中国机械工程. 2020(01)
[2]航空航天用增材制造金属结构件的无损检测研究进展[J]. 胡婷萍,高丽敏,杨海楠. 航空制造技术. 2019(08)
[3]基于SLA成型的光敏树脂3D打印工艺及性能[J]. 蒋三生. 工程塑料应用. 2019(01)
[4]骨科数字化3D打印技术及应用[J]. 陈继民,张成宇,曾勇,徐仰立. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[5]激光微纳三维打印[J]. 杨栋,刘力谱,杨宏,龚旗煌,李焱. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[6]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[7]高精度DPSS倍频激光器数字温控系统的设计[J]. 徐贲,龚华平,朱周洪. 激光杂志. 2009(02)
[8]紫外二极管泵浦固体激光器（DPSS）在工业应用中大展拳脚[J]. 宇飞. 光机电信息. 2005(01)
本文编号：3553199
【文章来源】：航空制造技术. 2020,63(22)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
不同增益介质的激光器原理图
光束质量和聚焦光斑大小是空间域中的激光参数，为了提高制造精度，必须将这些参数考虑在内。在增材制造中，通常以“光束参数乘积(BPP)”定义光束质量。它是光束在空间域中的宽度（光腰束宽）和在空间频率域中的角谱宽度（远场发散角）的乘积（mm·mrad）。BPP与功率密度密切相关，并影响制造分辨率，该因素取决于增益介质、泵浦源、谐振器结构和工作波长。特别是工作波长决定了BPP的下限，即λ/π，定义为衍射极限，例如，1064nm的Nd∶YAG激光束的最小BPP约为0.339mm·mrad。理想情况下，当光束轮廓是完美的高斯形状时，可以获得最小BPP。M2因子（光束质量因子）也是定义光束质量的一种更为简单的方式，其与波长因素无关M2因子定义为BPP除以λ/π，若为理想的高斯光束，则M2因子为1。CO2激光器、Nd∶YAG激光器和Yb∶YAG（掺镱钇铝石榴石）激光器的光束质量如图9所示[36]，其中的实线表明由工作波长下的衍射极限所确定的BPP和M2因子之间的关系。尽管CO2激光器的衍射极限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值为3～5mm·mrad，与二极管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更为简单的光学结构和稳定的电泵浦方法，CO2激光器具有相对较低的BPP值且其M2因子接近为1。Yb光纤激光器的光束最接近高斯光束，其优良光束质量可以归因于其基于光纤的传播方式；当激光束通过光纤传播时，由于光纤有限的模场直径，高阶空间模得以滤除，只有单一或有限数量的空间模保留在其内部。相比之下，准分子激光器由于其高阶空间模式和高光束发散角，光束质量相对较差，此外，它的输出光束形状为矩形且在X轴和Y轴上具有不对称的发散角。图8 镍625合金熔化区脉冲能量与脉冲持续时间的关系
图9 几种激光器的激光参数乘积与光束质量值根据材料的类型，SLS工艺通常使用CO2和Yb光纤激光器[45–46]。大多数SLS机器通常使用平均功率几十到几百瓦的CO2激光器，因为聚合物在此工作波长下具有高吸收率，Heo[47]的研究表明CO2激光器还可以用于氧化物陶瓷和复合材料的烧结。然而，金属粉末的激光烧结需要Nd∶YAG激光器或更常见的Yb光纤激光器，它们能产生波长为1064nm的激光束，该波长更接近于金属粉末的高吸收率范围。这种基于金属的SLS工艺也称为直接金属激光烧结（DMLS），以区别于基于聚合物的选区烧结工艺。除金属粉外，Nd∶YAG和Yb光纤激光器还可用于烧结硬质陶瓷[48]。波长等许多激光参数也会影响SLS打印零件的机械性能和几何形状，其中激光功率和扫描速度是影响烧结过程的主要参数。这两个因素决定了粉末吸收的总能量密度，进而影响了烧结零件的质量。当吸收的能量密度太低时，烧结可能不完全，所得的烧结部件将很脆弱，难以处理，但当吸收的能量密度太高时，烧结的零件将被过量的激光能量损坏，或者零件内部会发生不均匀的熔化，从而在零件打印过程中产生不均匀性，超过材料分解能的激光能量甚至可能导致材料汽化。最佳处理参数随SLS中使用的目标材料的类型而变化，能量密度不同所导致的材料烧结效率变化可以通过工艺图来表示。图11为采用CO2和Nd∶YAG激光器烧结的不锈钢–铜合金的工艺图[48]。不锈钢–铜合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波长下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工艺参数。与使用CO2激光器的情况相比，使用Nd∶YAG激光器，不锈钢–铜合金具有更大的可激光烧结加工区域，并且随着能量密度的增加，烧结材料的层厚度通常会增加。
【参考文献】：
期刊论文
[1]增材制造技术——现状与未来[J]. 卢秉恒. 中国机械工程. 2020(01)
[2]航空航天用增材制造金属结构件的无损检测研究进展[J]. 胡婷萍,高丽敏,杨海楠. 航空制造技术. 2019(08)
[3]基于SLA成型的光敏树脂3D打印工艺及性能[J]. 蒋三生. 工程塑料应用. 2019(01)
[4]骨科数字化3D打印技术及应用[J]. 陈继民,张成宇,曾勇,徐仰立. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[5]激光微纳三维打印[J]. 杨栋,刘力谱,杨宏,龚旗煌,李焱. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[6]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[7]高精度DPSS倍频激光器数字温控系统的设计[J]. 徐贲,龚华平,朱周洪. 激光杂志. 2009(02)
[8]紫外二极管泵浦固体激光器（DPSS）在工业应用中大展拳脚[J]. 宇飞. 光机电信息. 2005(01)
本文编号：3553199
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