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、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，這是其它激

2、光器無法比擬的，半導(dǎo)體激光器最大的優(yōu)勢是體積小、易于實現(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)場醫(yī)院”配置使用，可以對戰(zhàn)斗武器的關(guān)鍵零部件進(jìn)行及時修復(fù)，具有較高精度。近年來半導(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)計了一種近紅外半導(dǎo)體激光能量源。該能量源選用波長為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，對相關(guān)的器件參數(shù)進(jìn)行了計算。
　　深入研究了金屬粉末直接成型時近紅外激光對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的關(guān)系，討論了金屬粉末直接成型過程中熱物性參數(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)過程，采用ANSYS軟件建立了三維溫度場有限元模型，對316L不銹鋼金屬粉末材料燒結(jié)過程的溫度場變化進(jìn)行了模擬仿真，并計算了燒結(jié)深度和掃描間距等工藝參數(shù)。在仿真過程中考慮了對流邊界條件和材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化，同時考慮了相變潛熱。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了燒結(jié)驗證實驗，

5、實驗結(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)體激光器的波長比CO2激光器的波長小，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