為了解激光對(duì)增材制造的影響,綜述了增材制造中廣泛應(yīng)用的激光類型,針對(duì)每種激光類型分析了增材制造相關(guān)的重要參數(shù)。此外,對(duì)于每種激光器在增材制造中應(yīng)用存在的優(yōu)點(diǎn)和限制性進(jìn)行了剖析。對(duì)于每種增材制造方式,介紹了所適用激光器的最新進(jìn)展。最后,討論了基于激光技術(shù)的增材制造的未來(lái)前景。研究表明,CO2和Nd∶YAG激光器仍然是各種激光制造技術(shù)的中堅(jiān)力量;Yb光纖激光器具有更高的平均功率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、高參數(shù)可調(diào)性和低維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì),正逐漸替代Nd∶YAG激光器;盡管準(zhǔn)分子激光器光束質(zhì)量相對(duì)較低且成本較高,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須根據(jù)目標(biāo)性能選擇作為增材制造的激光源。 

【文章來(lái)源】：航空制造技術(shù). 2020,63(22)

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

不同增益介質(zhì)的激光器原理圖

光束質(zhì)量和聚焦光斑大小是空間域中的激光參數(shù)，為了提高制造精度，必須將這些參數(shù)考慮在內(nèi)。在增材制造中，通常以“光束參數(shù)乘積(BPP)”定義光束質(zhì)量。它是光束在空間域中的寬度（光腰束寬）和在空間頻率域中的角譜寬度（遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角）的乘積（mm·mrad）。BPP與功率密度密切相關(guān)，并影響制造分辨率，該因素取決于增益介質(zhì)、泵浦源、諧振器結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)。特別是工作波長(zhǎng)決定了BPP的下限，即λ/π，定義為衍射極限，例如，1064nm的Nd∶YAG激光束的最小BPP約為0.339mm·mrad。理想情況下，當(dāng)光束輪廓是完美的高斯形狀時(shí)，可以獲得最小BPP。M2因子（光束質(zhì)量因子）也是定義光束質(zhì)量的一種更為簡(jiǎn)單的方式，其與波長(zhǎng)因素?zé)o關(guān)M2因子定義為BPP除以λ/π，若為理想的高斯光束，則M2因子為1。CO2激光器、Nd∶YAG激光器和Yb∶YAG（摻鐿釔鋁石榴石）激光器的光束質(zhì)量如圖9所示[36]，其中的實(shí)線表明由工作波長(zhǎng)下的衍射極限所確定的BPP和M2因子之間的關(guān)系。盡管CO2激光器的衍射極限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值為3～5mm·mrad，與二極管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更為簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的電泵浦方法，CO2激光器具有相對(duì)較低的BPP值且其M2因子接近為1。Yb光纖激光器的光束最接近高斯光束，其優(yōu)良光束質(zhì)量可以歸因于其基于光纖的傳播方式；當(dāng)激光束通過(guò)光纖傳播時(shí)，由于光纖有限的模場(chǎng)直徑，高階空間模得以濾除，只有單一或有限數(shù)量的空間模保留在其內(nèi)部。相比之下，準(zhǔn)分子激光器由于其高階空間模式和高光束發(fā)散角，光束質(zhì)量相對(duì)較差，此外，它的輸出光束形狀為矩形且在X軸和Y軸上具有不對(duì)稱的發(fā)散角。圖8 鎳625合金熔化區(qū)脈沖能量與脈沖持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

圖9 幾種激光器的激光參數(shù)乘積與光束質(zhì)量值根據(jù)材料的類型，SLS工藝通常使用CO2和Yb光纖激光器[45–46]。大多數(shù)SLS機(jī)器通常使用平均功率幾十到幾百瓦的CO2激光器，因?yàn)榫酆衔镌诖斯ぷ鞑ㄩL(zhǎng)下具有高吸收率，Heo[47]的研究表明CO2激光器還可以用于氧化物陶瓷和復(fù)合材料的燒結(jié)。然而，金屬粉末的激光燒結(jié)需要Nd∶YAG激光器或更常見(jiàn)的Yb光纖激光器，它們能產(chǎn)生波長(zhǎng)為1064nm的激光束，該波長(zhǎng)更接近于金屬粉末的高吸收率范圍。這種基于金屬的SLS工藝也稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），以區(qū)別于基于聚合物的選區(qū)燒結(jié)工藝。除金屬粉外，Nd∶YAG和Yb光纖激光器還可用于燒結(jié)硬質(zhì)陶瓷[48]。波長(zhǎng)等許多激光參數(shù)也會(huì)影響SLS打印零件的機(jī)械性能和幾何形狀，其中激光功率和掃描速度是影響燒結(jié)過(guò)程的主要參數(shù)。這兩個(gè)因素決定了粉末吸收的總能量密度，進(jìn)而影響了燒結(jié)零件的質(zhì)量。當(dāng)吸收的能量密度太低時(shí)，燒結(jié)可能不完全，所得的燒結(jié)部件將很脆弱，難以處理，但當(dāng)吸收的能量密度太高時(shí)，燒結(jié)的零件將被過(guò)量的激光能量損壞，或者零件內(nèi)部會(huì)發(fā)生不均勻的熔化，從而在零件打印過(guò)程中產(chǎn)生不均勻性，超過(guò)材料分解能的激光能量甚至可能導(dǎo)致材料汽化。最佳處理參數(shù)隨SLS中使用的目標(biāo)材料的類型而變化，能量密度不同所導(dǎo)致的材料燒結(jié)效率變化可以通過(guò)工藝圖來(lái)表示。圖11為采用CO2和Nd∶YAG激光器燒結(jié)的不銹鋼–銅合金的工藝圖[48]。不銹鋼–銅合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波長(zhǎng)下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工藝參數(shù)。與使用CO2激光器的情況相比，使用Nd∶YAG激光器，不銹鋼–銅合金具有更大的可激光燒結(jié)加工區(qū)域，并且隨著能量密度的增加，燒結(jié)材料的層厚度通常會(huì)增加。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]增材制造技術(shù)——現(xiàn)狀與未來(lái)[J]. 盧秉恒.  中國(guó)機(jī)械工程. 2020(01)
[2]航空航天用增材制造金屬結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展[J]. 胡婷萍,高麗敏,楊海楠.  航空制造技術(shù). 2019(08)
[3]基于SLA成型的光敏樹(shù)脂3D打印工藝及性能[J]. 蔣三生.  工程塑料應(yīng)用. 2019(01)
[4]骨科數(shù)字化3D打印技術(shù)及應(yīng)用[J]. 陳繼民,張成宇,曾勇,徐仰立.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2018(01)
[5]激光微納三維打印[J]. 楊棟,劉力譜,楊宏,龔旗煌,李焱.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2018(01)
[6]增材制造（3D打�。┘夹g(shù)發(fā)展[J]. 盧秉恒,李滌塵.  機(jī)械制造與自動(dòng)化. 2013(04)
[7]高精度DPSS倍頻激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 徐賁,龔華平,朱周洪.  激光雜志. 2009(02)
[8]紫外二極管泵浦固體激光器（DPSS）在工業(yè)應(yīng)用中大展拳腳[J]. 宇飛.  光機(jī)電信息. 2005(01)



本文編號(hào)：3553199