CN104890240B - 纳米粉末激光选择性熔化增材制造***与方法 - Google Patents

纳米粉末激光选择性熔化增材制造***与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造***与方法，所述选择性熔化增材制造***由单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线构成，所述方法采用纳米分散技术将纳米粉末分散在溶剂中，利用涂布刀将含有纳米粉末的分散溶液涂布于基体表面，利用选择性熔化增材制造***对材料进行烧结。本发明采用纳米材料作为选择性激光烧结材料，可提高选择性激光烧结性能及表面质量，可实现基材表面处理等；采用纳米分散液方式分散纳米粉末，溶剂具有抗氧化性，可在空气中烧结。

Description

纳米粉末激光选择性熔化增材制造***与方法
技术领域
本发明涉及一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造***及方法，适用于航空航天、微电子、微纳结构等领域。
背景技术
选择性激光烧结技术是通过激光与粉末材料相互作用，利用逐层烧结原理，制造出目标零件结构体。常规粉末烧结采用微米尺度粉体，由于烧结粉末本身的尺寸限制，常规的选择性激光烧结难以制造出精度较高的零部件。
纳米材料以其尺寸效应，具有常规材料无法比拟的优势和特点。同时，也由于纳米粉末尺寸效应，纳米材料具有较高的表面活化能及显著的团聚效应。利用和克服纳米材料自身由于尺寸而引发的效应，将选择性激光烧结技术与纳米材料特性相结合，实现高精度选择性烧结技术是目前增材制造技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现在技术的不足，提供一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造***与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造***，包括单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线，其中：支架上设置有扫描振镜和升降装置，工作台基体安装在升降装置上，扫描振镜位于工作台基体上方，单模光纤激光器通过输出光纤和QBH接头与扫描振镜相连，扫描振镜和CCD摄像机通过扫描控制线与控制计算机连接，单模光纤激光器通过激光控制线与控制计算机连接，涂布腔通过输送管路与涂布刀连接，涂步刀与控制计算机之间连接有涂布运动控制装置。
一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，采用纳米分散技术将纳米粉末分散在溶剂中，利用涂布刀将含有纳米粉末的分散溶液涂布于基体表面，利用选择性熔化增材制造***对材料进行烧结。具体实施步骤如下：
步骤（1）：确定烧结用纳米粉末材料、分散剂、溶液种类和比例；
步骤（2）：将纳米粉末、分散剂、溶液按比例混合均匀，并通过添加去离子水调节分散液粘度；
步骤（3）：将步骤（2）中的混合溶液进行超声振动，形成纳米分散液；
步骤（4）：将步骤（3）中纳米分散液装入涂布腔；
步骤（5）：安放涂布基材在工作台基体上，调节涂布刀与被涂布基材间距，确定涂布刀输出压力；
步骤（6）：开启选择性熔化增材制造***，调节光斑尺寸；
步骤（7）：将增材制造三维模型输入控制计算机，在控制计算机的控制下，涂布刀在涂布基材上往复直线运动，进行涂布，同时控制计算机控制单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（8）：当扫描完一层后，通过升降装置降低一定高度后，控制涂布刀铺粉，进行单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（9）：重复步骤（8），直至完成整个材料的加工。
本发明中，基材导热系数应小于或等于被烧结材料。
本发明中，纳米材料为小于等于100纳米的球体。
本发明中，被烧结纳米材料若为易氧化材料，纳米分散液应具有抗氧化或脱氧性。
本发明的优点在于：
（1）本发明采用纳米材料作为选择性激光烧结材料，可提高选择性激光烧结性能及表面质量，可实现基材表面处理等。
（2）本发明采用纳米分散液方式分散纳米粉末，溶剂具有脱氧性，可在空气中烧结。
附图说明
图1为本发明所涉及的纳米粉末激光选择性熔化增材制造***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的纳米粉末激光选择性熔化增材制造***由单模光纤激光器1、输出光纤2、QBH接头3、扫描振镜4、CCD摄像机5、扫描控制线6、控制计算机7、涂布腔8、输送管路9、涂布运动控制装置10、涂布刀11、工作台基体12、升降装置13、零件14、支架15、激光控制线16构成。
支架15上设置有扫描振镜4和升降装置13，工作台基体12安装在升降装置13上，扫描振镜4位于工作台基体12上方。单模光纤激光器1输出光束质量小于1.05的单模高斯激光束，通过输出光纤2和QBH接头3与扫描振镜4相连，利用CCD摄像机5监测整个扫面过程。扫描振镜4和CCD摄像机5通过USB数据接口和扫描控制线6与控制计算机7相连。将配置好的纳米分散液装入涂布腔8中，通过输送管路9将纳米分散液传输到涂布刀11，在控制计算机7通过涂布运动控制装置10的控制下，涂布刀11在工作台基体12上的零件14上往复直线运动，进行涂布。同时，控制计算机7控制单模光纤激光器1和扫描振镜4进行扫描。当扫描完一层后，通过升降装置13降低一定高度后，控制涂布刀11铺粉，然后进行逐层烧结。
通过小光斑与纳米粉相互作用，控制烧结表面质量及形貌，实现高精度选择性烧结工艺要求。
具体实施方式二：本实施方式中，利用100nm铜纳米粉、乙二醇、PVP（聚乙烯吡咯烷酮k30）、去离子水按一定比例混合配制分散液，通过纳米粉末激光选择性熔化增材制造***涂布装置涂布于高温合金表面，在空气环境中，采用1064nm波长激光，功率密度23.1W/mm2，扫描速度20mm/s工艺参数进行扫描。可在高温合金上制造出铜表面涂层，增加表面功能性、提高质量。

Claims (5)

1.一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造***，其特征在于所述选择性熔化增材制造***由单模光纤激光器、输出光纤、QBH接头、扫描振镜、CCD摄像机、扫描控制线、控制计算机、涂布腔、输送管路、涂布运动控制装置、涂布刀、工作台基体、升降装置、支架、激光控制线构成，其中：支架上设置有扫描振镜和升降装置，工作台基体安装在升降装置上，扫描振镜位于工作台基体上方，单模光纤激光器通过输出光纤和QBH接头与扫描振镜相连，扫描振镜和CCD摄像机通过扫描控制线与控制计算机连接，单模光纤激光器通过激光控制线与控制计算机连接，涂布腔通过输送管路与涂布刀连接，涂步刀与控制计算机之间连接有涂布运动控制装置。
2.一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤（1）：确定烧结用纳米粉末材料、分散剂、溶液种类和比例；
步骤（2）：将纳米粉末、分散剂、溶液按比例混合均匀，并通过添加去离子水调节分散液粘度；
步骤（3）：将步骤（2）中的混合溶液进行超声振动，形成纳米分散液；
步骤（4）：将步骤（3）中纳米分散液装入涂布腔；
步骤（5）：安放涂布基材在工作台基体上，调节涂布刀与被涂布基材间距，确定涂布刀输出压力；
步骤（6）：开启权利要求1所述选择性熔化增材制造***，调节光斑尺寸；
步骤（7）：将增材制造三维模型输入控制计算机，在控制计算机的控制下，涂布刀在涂布基材上往复直线运动，进行涂布，同时控制计算机控制单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（8）：当扫描完一层后，通过升降装置降低一定高度后，控制涂布刀铺粉，进行单模光纤激光器和扫描振镜进行扫描；
步骤（9）：重复步骤（8），直至完成整个材料的加工。
3.根据权利要求2所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述涂布基材的导热系数小于或等于被烧结材料。
4.根据权利要求2所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述纳米粉末材料为小于等于100纳米的球体。
5.根据权利要求3所述的纳米粉末激光选择性熔化增材制造方法，其特征在于所述被烧结纳米材料若为易氧化材料，纳米分散液应具有抗氧化或脱氧性。
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