（物理电子学专业论文）激光内切割成型技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e n s i t yo ft h ep a r t p r o c e s s e db yl a s e ri n n e r c u t t i n ga n dk e p ta saw h o l e i n c r e a s e s b u tl a s e rb e a mi st r a n s m i t t e di nt h em e d i u m ；s o m er e q u e s t sa r ep r o m o t e d a c c o r d i n g t os u b s y s t e m s t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so f t h er e s e a r c ha sf o l l o w i n g ： 1 t h ef e a s i b i l i t yo fl a s e ri n n e r - c u t t i n gi s p r o v e d ：i nt h e o r y , t h ef o c u s i n go fl a s e r b e a ma n dt h e p r i n c i p l eo f l a s e r i n n e r - c u t t i n gh a v eb e e nd i s c u s s e d ；a n d i nt h ee x p e r i m e n t ， t h ep r o p e r t i e sa r ea n a l y z e dw h e nt h el a s e rb e a mi sf o c u s e di n t ot h em e d i u ma n dd a m a g e s t h em a t e r i a l i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ep a r t sc a r lb ec u ti nt h em e d i u mi n s i d ea n db c s e p a r a t e d 2 t h el a s e rs y s t e mi s a n a l y z e d d u r i n gt h el o n g - t e r mp r o c e s s ，t h et h e r m a ll e n s d e c r e a s e st h eb e a m q u a l i t yo f l a s e r s ot h ec o o l i n gs y s t e mh a sa l li m p o r t a n te m p h a s i so n t h eq u a l 对o fb e a m a n dt h eq m o d u l ei n c r e a s e st h ep a r tq u a l i t y ，l e a d i n gt ot h a tt h ep a r t c a nb ec u tw i t hl o w e ra v e r a g e p o w e r 3 t h ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fi n n e r c u t t i n ga r ed i s c u s s e d ：m o d u l ea n d m 。p a r a m e t e r t h eb a s i cm o d ed e c r e a s e st h ee f f i c i e n td a m a g ea r e ao ft h eb e a mf o c u s e d i n t o 止em e d i u ma n dk e e p sb e t t e rp r e c i s i o n t h ea d o p t i o no f e x p a n ds y s t e mi n c r e a s e st h e b e a m 由a m e t 盯f o c u s i n g o nt h ef o c u s i n gl e n s 4 t h em a t e r i a ls u i t a b l ef o rl a s e ri n n e r - c u r t n gi sd i s c u s s e d i o nc r y s t a l l o i da n dg l a s s 8 1 ea b a n d o n e db e c a u s et h e ya r ea p tf o rf l a wo rd i f f i c u l ts e p a r a t i o nw i t l lt h ee f f e c to fl a s e n t h e p o l y m e rd e c o m p o s e sw i 也i r l a s e rb e c a u s eo f m u l t i - p h o t o np r o c e s s 5 s o m eo t h e rf a c t o r sa f f e c t i n gt h ei n c i s i o nq u a l i t yh a v eb e e nd i s c u s s e d ：t h e m o d i f i c a t i o no fn c p r o g r a mb e c a u s eo f t h es e l f - f o c u s i n ga n dr e f r a c t i o na n dt h ec h a n g e o ft e m p e r a t u r ef i e l da c c o r d i n gt ot h es c a n n i n g ，f i n a l l y , s o m ep a r t sp r o c e s s e db yl a s e r i n n e r - c u t t i n ga r ea n a l y z e d k 帮w o r d s ：l a s e ri n n e r - c u t t i n g ，n d ：y a g ，p o l y m e r , s e l f - f o c u s i n g i i - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 。 。_ _ _ _ - i _ _ _ l - 。- 一_ 。一 华中科技大学硕士学位论文 第一章综述 1 1前言 r p ( r a p i dp r o t o t y p e ，即快速成型，也叫生长成型技术) 技术是汇集计算机技术、 cad ca m 技术、数控技术、检测技术、激光技术和新型材料科学等诸多技术为 一体的高新技术。经过十多年的研究和发展，推出了数十种rp 加工方法和工艺， 现在基于分层制造的加工工艺就有30 种之多【1 1 2 1 。不同的rp 工艺方法需使用不同 的工艺及材料：s l a ( 立体光刻成形) 主要采用光敏树脂：f d m ( 熔化沉积成形) 则采用石蜡和塑料；而l o m ( 分层实体造型) 采用纸、薄层塑料带、金属带、陶 瓷带：s l s ( 选择性激光烧结成形) 采用塑料粉、金属粉、型砂等固体粉末。但所 使用的各种rp 材料性能均应满足下述工艺要求：利于快速精确地加工成型； 利于快速制模的后续处理；对于用rp 系统直接制造功能件的材料要接近制件最 终对强度、刚度、热稳定性等使用性能要求吲。 r p 技术中s l s 、f d m 、s l a 是聚点成形方法，它是以材料在受控状态下的点滴 堆积成形。这种成型方法先将计算机中零件的实体几何造型进行“切片”处理，然 后根据最下一层切片的形状控制激光束在平台上的一薄层介质中进行扫描，其作用 或者是使光敏树脂固化，或者是使粉末材料被烧结，或者是使熔化的材料堆积起来， 扫描完一层后，即在平台上形成一个固化的零件切片，然后平台下沉一个薄层的距 离再扫描固化其上的另一个薄片。如此反复进行，就使得整个零件在平台上成型。 这种扫描有以下特点：第一，它总是在介质表面作用，并不深入到材料内部：第二， 它必须扫描到零件实体中的每一个点，即进行体扫描，故其成形效率低。一个较大 的零件可能需要几天甚至一周的成型时间。此外，由于受到激光光斑大小和成形“粒 度”的限制以及材料中内应力重新分配所引起的变形，其成型精度不高。 l o m 属于叠层成型方法，它是按零件实体造型的每一个“切片“的形状，控制激 i 华中科技大学硕士学位论文 第一章综述 1 1前言 r p ( r a p i dp r o t o t y p e ，即快速成型，也叫生长成型技术) 技术是汇集计算机技术、 cad ca m 技术、数控技术、检测技术、激光技术和新型材料科学等诸多技术为 一体的高新技术。经过十多年的研究和发展，推出了数十种rp 加工方法和工艺， 现在基于分层制造的加工工艺就有30 种之多【1 1 2 1 。不同的rp 工艺方法需使用不同 的工艺及材料：s l a ( 立体光刻成形) 主要采用光敏树脂：f d m ( 熔化沉积成形) 则采用石蜡和塑料；而l o m ( 分层实体造型) 采用纸、薄层塑料带、金属带、陶 瓷带：s l s ( 选择性激光烧结成形) 采用塑料粉、金属粉、型砂等固体粉末。但所 使用的各种rp 材料性能均应满足下述工艺要求：利于快速精确地加工成型； 利于快速制模的后续处理；对于用rp 系统直接制造功能件的材料要接近制件最 终对强度、刚度、热稳定性等使用性能要求吲。 r p 技术中s l s 、f d m 、s l a 是聚点成形方法，它是以材料在受控状态下的点滴 堆积成形。这种成型方法先将计算机中零件的实体几何造型进行“切片”处理，然 后根据最下一层切片的形状控制激光束在平台上的一薄层介质中进行扫描，其作用 或者是使光敏树脂固化，或者是使粉末材料被烧结，或者是使熔化的材料堆积起来， 扫描完一层后，即在平台上形成一个固化的零件切片，然后平台下沉一个薄层的距 离再扫描固化其上的另一个薄片。如此反复进行，就使得整个零件在平台上成型。 这种扫描有以下特点：第一，它总是在介质表面作用，并不深入到材料内部：第二， 它必须扫描到零件实体中的每一个点，即进行体扫描，故其成形效率低。一个较大 的零件可能需要几天甚至一周的成型时间。此外，由于受到激光光斑大小和成形“粒 度”的限制以及材料中内应力重新分配所引起的变形，其成型精度不高。 l o m 属于叠层成型方法，它是按零件实体造型的每一个“切片“的形状，控制激 i 华冲科技大学硕士学位论文 光裁制箔材( 纸张或金属箔) ，并逐步将裁制的箔材粘结在一起而成形。这种方法 要求激光束扫描零件的外表面，属于“面扫描”，因而成形速度较快“1：l o m 的成型 速度比起其它r p 工艺其成型速度快5 1 0 倍：可是由于粘结膜的厚度不均以及纸模 的变形，成形精度很低，实际上叠层成型方法比聚点成形工艺的成形精度还低。 现有的快速成型制造技术有以下局限性：1 ) 加工周期长。一个较为复杂且较 大尺寸的零件，往往需要几天甚至几个星期。究其原因，在加工过程中，激光束必 须体扫描，而激光束在焦点处的斑点直径只有0 i m m 左右，扫描斑点密集，扫描路 径长，使得加工周期长，耗费能量大。2 ) 加工精度不是很高。层片的翘曲，特别 是大尺寸零件的扫描变形，固化过程中材料的收缩以及分层实体造型中( l o m ) 中 箔材的吸潮变形等原因使得零件原型的精度受到很大影响。3 ) 设备复杂昂贵。各 种快速原型技术的设备无一例外的需要升降台，因而必须采用专门设计的设备，设 备投资太。例如最先进的也即工业上应用最广的s l a 系统售价达到u s $ 2 5 0 ，0 0 0 。， 这在一定程度上限制了r p 技术的进一步推广。人们因此寻求更好的r p 方法。 在快速成型技术发展初期，开发重点是制造出可见( t o u c ha n df e e l ) 模型， 以进行设计验证及评价：近年来快速成型技术应用已经集中在功能测试及加工领 域，特别在二次工艺方面，如石膏模铸造，树脂模转换，真空铸造”3 。但是 当前各种商用快速成型技术受所采用的材料及工艺限制加工出的零件体强度、刚 度和热稳定度不是很理想，只能用于概念模型( c o n c e p tm o d e l ) 、可见原型( v i s u a l p r o t o t y p e ) 及有限的功能原型。为了使r p 技术应用于功能原型甚至于直接加工制 造，使其适用范围更广，则要改善加工出的零件强度及热稳定性。主要从两方面进 行研究：一方面是继续改善工艺，对于分层制造的方法，可以通过改善粘结剂和熔 融温度，使粘结层厚度均匀，强度更高；另一方面是选用新型材料。工艺改进方面， k k b h o n 等人认为在计算机内对分层模式( h a t c hs t y l e ) 进行改进可以减少或 者补偿s l s 中聚合物由于收缩而引起的内应力9 3 。在材料上，理想的情况是选用陶 瓷和金属直接制造零件，但由于沉积时的变形问题”3 ，精度和强度的保证相对比较 华中科技大学硕士学位论文 困难。j y j e n g 等人采用激光熔覆金属粉末的方法进行r p 制造，所得的零件其强 度及硬度达到了不锈钢的水平，但其精度及表面光洁度离商业化还很远。目前世界 上唯一商业化的采用金属直接进行r p 制造的系统是l e n s ( l a s e r e n g i n e e r i n g n e t s h a p i n g ) “，国内对金属成型方面也有研究，但要制造出相应系统还很困难。 r p 在家用电器、汽车、玩具、轻工产品、建筑模型、医疗器具及人造器官模型、 航空器、航天器、军事装备、考古、工业造型( 雕刻) 、电影制作以及从事c a d 的 部门都得到了良好的应用。其用途为通过快速制作的原型进行设计验证、评价、功 能测试；由r p 方法直接加工出零件( 功能件) ，或者通过r p 原型与传统制造工艺 相结合制造模具和金属零件；由r p 系统直接制作出注塑模等。医学上，将r p 和c t ， m r i 技术相结合能辅助外科医生迅速准确地实施复杂外科手术。大量应用实例表明， r p 技术对于缩短产品开发时间、降低开发成本的效果是极其明显的。例如美 p r a t t & w h i t n e y 实验室在1 9 9 4 年制造了2 0 0 0 件铸件，按常规方法约需7 0 0 万美元 而用r p 方法，只用了6 0 一7 0 万美元，生产时间节约了约7 0 一9 0 【i i i 。 1 2 课题的意义 根据我国r p 技术的发展状况，以及我国激光、材料和数控技术的进展在我国 实际应用的发展状况，我们提出了一种新颖的快速成型方法一激光内切割技术( 就 目前而言，国内外均未见有报道) 。这种技术的思想实际上是传统加工思想与现代 r p 技术思想相结合的产物，也是r p 技术发展及市场需求推动的结果。其原理如下： 先将扩柬后的激光经透镜会聚聚焦于透明材料内部，以数控技术按零件实体造型， 控制激光焦点在材料内部的移动，实行三维切割与雕刻，从而使属于零件模型的材 料与其余部分分离。 激光内切割技术源于r p 技术，首先在计算机上将要加工出的零件体分层，对 每一薄层的厚度和轮廓都有相应数据；但它又不同于一般r p 技术，它不是叠加成 型它只是按照轮廓数据在一材料体上扫描切割，故它是“减少成型”，从这一点 华中科技大学硕士学位论文 困难。j y j e n g 等人采用激光熔覆金属粉末的方法进行r p 制造，所得的零件其强 度及硬度达到了不锈钢的水平，但其精度及表面光洁度离商业化还很远。目前世界 上唯一商业化的采用金属直接进行r p 制造的系统是l e n s ( l a s e r e n g i n e e r i n g n e t s h a p i n g ) “，国内对金属成型方面也有研究，但要制造出相应系统还很困难。 r p 在家用电器、汽车、玩具、轻工产品、建筑模型、医疗器具及人造器官模型、 航空器、航天器、军事装备、考古、工业造型( 雕刻) 、电影制作以及从事c a d 的 部门都得到了良好的应用。其用途为通过快速制作的原型进行设计验证、评价、功 能测试；由r p 方法直接加工出零件( 功能件) ，或者通过r p 原型与传统制造工艺 相结合制造模具和金属零件；由r p 系统直接制作出注塑模等。医学上，将r p 和c t ， m r i 技术相结合能辅助外科医生迅速准确地实施复杂外科手术。大量应用实例表明， r p 技术对于缩短产品开发时间、降低开发成本的效果是极其明显的。例如美 p r a t t & w h i t n e y 实验室在1 9 9 4 年制造了2 0 0 0 件铸件，按常规方法约需7 0 0 万美元 而用r p 方法，只用了6 0 一7 0 万美元，生产时间节约了约7 0 一9 0 【i i i 。 1 2 课题的意义 根据我国r p 技术的发展状况，以及我国激光、材料和数控技术的进展在我国 实际应用的发展状况，我们提出了一种新颖的快速成型方法一激光内切割技术( 就 目前而言，国内外均未见有报道) 。这种技术的思想实际上是传统加工思想与现代 r p 技术思想相结合的产物，也是r p 技术发展及市场需求推动的结果。其原理如下： 先将扩柬后的激光经透镜会聚聚焦于透明材料内部，以数控技术按零件实体造型， 控制激光焦点在材料内部的移动，实行三维切割与雕刻，从而使属于零件模型的材 料与其余部分分离。 激光内切割技术源于r p 技术，首先在计算机上将要加工出的零件体分层，对 每一薄层的厚度和轮廓都有相应数据；但它又不同于一般r p 技术，它不是叠加成 型它只是按照轮廓数据在一材料体上扫描切割，故它是“减少成型”，从这一点 华中科技大学硕士学位论文 来说，它又相似于传统的切割加工法。这种切割加工法保证了零件体强度：其强度 是取决于材料本身；而一般的r p 方法其强度主要取决于粘结剂的作用，故其强度 大大高于一般的r p 技术加工出的零件。一般r p 技术加工精度也主要由粘结剂决定， 而在激光内切割中，由于材料本身强度较高，零件体保持为一整体，层与层之间受 热稳定性的影响较少，精度主要由激光光束质量以及数控系统对焦点的定位两个因 素决定。由于激光技术的发展，高性能的激光器已经很普及，其聚焦精度可达微米 级，因此，就可用“激光内切割技术”生产出微米级精度的零件。更进一步，就可 生产出微机电系统( m e m s ) 所需的零件。 激光内切割技术相对于传统r p 技术，改在材料表面的扫描为材料内部的三维 扫描，也即改“体扫描”为“面扫描”，而且取消了“升降台”，简化了设备，因而 可在一定程度上克服现有快速成型方法中的某些局限性和不足，更好地满足现代制 造业的需求。 采用激光内切割进行零件加工成形，具有高效率、低成本、较高精度成型的特 点。具体论述如下：1 ) 可加工出形状十分复杂的样件：与现有的表面激光切割加 工方法相比，采用激光内切割技术可以一次成形，加工出形状十分复杂的零件，甚 至可以加工出层层嵌套的多层封闭壳体。2 ) 可以降低成形能耗，减小环境污染： 激光内切割方法只是将坯料上的余量作为一个整体，可以切割分离，与普通的金属 切削加工方法不同，它并不将余量部分切割成切屑而有将能量集中消耗于成形新 的表面。3 ) 可以提高成形速度：这一点是与“聚点成形”类r p 方法相较而得，因 此其成形效率较高。4 ) 可以提高所制造零件模型的精度及其稳定性：与“叠层成 形”类快速成型方法相比，内切割方法加工出的零件模型是由整块的原始坯料制成， 其性能均匀、稳定、精度保持较高。5 ) 可以在普通数控机床上加工：激光内切割 方法可以在一般数控机床上配备激光系统进行“无刀具切削加工”：可以采用常规 切削加工的数控程序来驱动机床( 只需要一次进刀) ：也可借用快速成型方法中典 型的“面化”与“切片”程序，生成零件薄片，使激光焦点只要沿切片的边界扫描， 4 华中科技大学硕士学位论文 而不必“填充”薄片内部。激光内切割方法不需要升降台等辅助机构与设备，并且 由于无宏观力作用，与切削加工相比，更有利于提高加工精度。6 ) 成本低廉，激 光器与材料均为普及品，系统建造与运行的费用相对比较低。 因此激光内切割方法的应用前景较好，如作为产品直接展示，高强度使其可以 直接进行模具转化，它几乎可以用到各种r p 方法的应用领域。特别是激光内切割 的零件由于强度高，化学稳定性好，使其在医疗上的应用很广：切割出的模型可以 作器官显现、外科手术策划、交流教学、医学器官成形等，甚至有可能作器官用 于人体n 2 1 。 1 3 课题的任务 激光内切割技术作为一种新型r p 技术相对于一般r p 技术，它不仅仅是材料 选择的改变，激光内切割技术中激光束需要入射到材料内部，由于光束在材料内部 传播时光学特性相对于空气中的传输特性发生变化，如焦点的位置以及材料对激光 束的吸收，这些因素都对激光内切割质量产生至关重要的影响。因此，激光内切割 技术虽然与一般r p 技术一样需要数控系统和光束系统，但激光内切割技术所需的 材料、光束以及数控程序都有一定的特别要求。本课题结合国家8 6 3 项目“激光与 非金属透明材料相互作用实验研究”进行了以下研究工作： 1 )材料的选择：r p 技术最重要的是材料的选择以及改进。激光内切割 技术也不例外( 一般r p 技术还有粘结剂的选择) ：激光内切割技术 采用的材料对于激光束本身来说应是“透明的”，即激光束要能够穿 透到材料内部；另外，要求材料在较低功率密度激光照射下强度下 降不会很大或者发生分解。 2 )激光器的热稳定性：在r p 技术中，由于激光束是逐点烧结或者熔融 零件体，加工一个零件需要几天甚至几个星期，以后我们会看到激 5 -1。-_“一 华中科技大学硕士学位论文 而不必“填充”薄片内部。激光内切割方法不需要升降台等辅助机构与设备，并且 由于无宏观力作用，与切削加工相比，更有利于提高加工精度。6 ) 成本低廉，激 光器与材料均为普及品，系统建造与运行的费用相对比较低。 因此激光内切割方法的应用前景较好，如作为产品直接展示，高强度使其可以 直接进行模具转化，它几乎可以用到各种r p 方法的应用领域。特别是激光内切割 的零件由于强度高，化学稳定性好，使其在医疗上的应用很广：切割出的模型可以 作器官显现、外科手术策划、交流教学、医学器官成形等，甚至有可能作器官用 于人体n 2 1 。 1 3 课题的任务 激光内切割技术作为一种新型r p 技术相对于一般r p 技术，它不仅仅是材料 选择的改变，激光内切割技术中激光束需要入射到材料内部，由于光束在材料内部 传播时光学特性相对于空气中的传输特性发生变化，如焦点的位置以及材料对激光 束的吸收，这些因素都对激光内切割质量产生至关重要的影响。因此，激光内切割 技术虽然与一般r p 技术一样需要数控系统和光束系统，但激光内切割技术所需的 材料、光束以及数控程序都有一定的特别要求。本课题结合国家8 6 3 项目“激光与 非金属透明材料相互作用实验研究”进行了以下研究工作： 1 )材料的选择：r p 技术最重要的是材料的选择以及改进。激光内切割 技术也不例外( 一般r p 技术还有粘结剂的选择) ：激光内切割技术 采用的材料对于激光束本身来说应是“透明的”，即激光束要能够穿 透到材料内部；另外，要求材料在较低功率密度激光照射下强度下 降不会很大或者发生分解。 2 )激光器的热稳定性：在r p 技术中，由于激光束是逐点烧结或者熔融 零件体，加工一个零件需要几天甚至几个星期，以后我们会看到激 5 -1。-_“一 华中科技大学硕士学位论文 光光束质量和功率对激光内切割质量有很大的影响，激光器不稳定 会导致光束质量以及功率起伏，从而影响切割质量。 3 ) 导光聚焦系统：激光内切割技术中由于光束会在材料内部传输，故 对入射激光束以及光束聚焦都有一定要求，相应要对系统作一些改 变。 4 ) 数控系统处理：这里主要指对数控程序的编写。一般r p 系统中，零 件体在计算机内一般是均匀分层的；但对于激光内切割系统，由于 激光束在材料内部传播，焦点在材料内部的步距与数控平台的步距 在严格意义上来说是非线性的。 本文主要从光学的角度来讨论以上所阐述的激光内切割系统中的几个问题， 重点是讨论影响激光在透明类非金属材料内切割质量的各种因素。 华中科技大学硕士学位论文 第二章激光内切割技术的可行性 激光内切割技术主要是针对现有快速成型技术生产的模型强度不够这个固有 缺陷而提出的一种新的激光加工方法。它切割出的零件体由于是一个整体，故其强 度相对较高( 取决于材料本身) 。由激光内切割加工的原理，很显然，选择的材料 对激光波长应是透明的。目前市面上常用的有玻璃、离子晶体和高分子聚合物等材 料，玻璃和离子晶体是不适于激光内切割的( 后面章节会述及) 。对于一般的高分 子材料来说，其强度能达到上百m p a “”，这远远高于现有的r p 方法所生产的零件。 因此，激光内切割加工出的零件相对来说其应用范围就广泛得多。 2 1 激光器的选择 我们采用高分子材料进行实验。在激光内切割技术中，由于材料及加工特性， 基本上也就确定了对激光波长的选择。现有的激光器输出光束有三个波段：红外， 可见，紫外。我们需要从应用较广的激光器中选出一种适于内切割的激光波段。 波长在2 0 0 - 4 0 0 n m 范围内的紫外光，其光子能量达到5 e v ，高于某些物质r 如聚 合物) 分子的结合能。物质在紫外光光子的作用下可以发生电子能带跃迁，对于某些 聚合物，还可以出现互斥的电子状态，打破或削弱分子间的结合键，从而实现对该 种材料的破坏及加工。其作用是光化学作用，可以排除热影响，得到极高的加工质 量【。4 1 。 光子的能量表达式如下： e = h 1 2 = h e = 1 9 8 6 x 1 0 “5 ( 焦耳1 - 2 8 6 5 x l0 4 ( 千卡摩尔) 其中 的单位是n l t l ，由此可知紫外激光器输出的激光波段光子的能量在7 0 一 7 - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，。“一一 华中科技大学硕士学位论文 第二章激光内切割技术的可行性 激光内切割技术主要是针对现有快速成型技术生产的模型强度不够这个固有 缺陷而提出的一种新的激光加工方法。它切割出的零件体由于是一个整体，故其强 度相对较高( 取决于材料本身) 。由激光内切割加工的原理，很显然，选择的材料 对激光波长应是透明的。目前市面上常用的有玻璃、离子晶体和高分子聚合物等材 料，玻璃和离子晶体是不适于激光内切割的( 后面章节会述及) 。对于一般的高分 子材料来说，其强度能达到上百m p a “”，这远远高于现有的r p 方法所生产的零件。 因此，激光内切割加工出的零件相对来说其应用范围就广泛得多。 2 1 激光器的选择 我们采用高分子材料进行实验。在激光内切割技术中，由于材料及加工特性， 基本上也就确定了对激光波长的选择。现有的激光器输出光束有三个波段：红外， 可见，紫外。我们需要从应用较广的激光器中选出一种适于内切割的激光波段。 波长在2 0 0 - 4 0 0 n m 范围内的紫外光，其光子能量达到5 e v ，高于某些物质r 如聚 合物) 分子的结合能。物质在紫外光光子的作用下可以发生电子能带跃迁，对于某些 聚合物，还可以出现互斥的电子状态，打破或削弱分子间的结合键，从而实现对该 种材料的破坏及加工。其作用是光化学作用，可以排除热影响，得到极高的加工质 量【。4 1 。 光子的能量表达式如下： e = h 1 2 = h e = 1 9 8 6 x 1 0 “5 ( 焦耳1 - 2 8 6 5 x l0 4 ( 千卡摩尔) 其中 的单位是n l t l ，由此可知紫外激光器输出的激光波段光子的能量在7 0 一 7 - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，。“一一 华中科技大学硕士学位论文 1 4 0 千卡摩尔之间。由爱因斯坦的受激辐射理论，只有当分子的两个能级之差正好 等于个光子的能量时，它才能够吸收光： e - - h 口= e 2 一e 】 式中e 2 、e 1 分别为一个分子在高能级和低能级的能量。结合聚合物中由于键解 离而发生的原初反应，可知聚合物的大多数键离解能在5 0 一1 2 0 千卡t 摩尔之间f 1 5 l 。 因此用紫外光去加工高分子聚合物达到的效果最好。实际上人们在研究聚合物的加 工时一般也优先考虑紫外波段。 对于激光内切割，当加工一个立体零件时，首先从沿光束离聚焦透镜最远的那 一个面开始加工，之后再按步距后移。假设沿光束方向的最大轴截面是o ，则对于 待加工体，口将其分为两个部分i 、i i ，l i ( 或l 2 ) 入射光沿曲线c 2 ( 或c 1 ) 加工， 如图2 1 ： 。7 o i f l ji c 1 c 己 j j j l 己 ； 图2 1 入射光束与加工零件体关系 由此可见，如先加工i ，则激光束须先穿过i i 再聚焦于零件边缘，由于沿光束 方向聚焦的激光截面不同，导致功率密度不同。而聚合物对于紫外激光是很敏感的， 一般聚合物的老化就主要是由于紫外光对它们的辐射引起的。加工用紫外光光强也 华中科技大学硕士学位论文 是较大的，激光内切割中即使一个小零件体也要加工几十个小时，因此会引起零件 体i 、i i 两部分的老化不同。从而加大零件体与余料相分离的困难，同时降低零件 体的强度。另外紫外激光器成本很高，人们一般将其用于精细加工。 可见光波段激光大多数是由红外激光倍频而得，其效率较低；另外- ，可见激光 ( 如红光和绿光) 对于有机玻璃这类高聚物的透射性太好，使得即使在焦点处，该 类材料吸收的激光能量也不足以使材料变性，达不到切割目的。在红外波段，虽然 c o z 激光器应用广泛，但0 0 2 激光器波长为1 0 6 “m 属于中红外波段，对透明类树脂 材料的透过率极低，在入射表面树脂类材料几乎对所有激光能量吸收，从而不能入 射到材料内部，故c 0 ：激光器不适于激光内切割。而n d ：y a g 激光器应用广泛，其波 长1 0 6 4 n m ，对透明树脂有较高的透过率( 对有机玻璃的透过率达到8 0 以上) ，声 光调q 技术也相对成熟；而采用二极管泵浦会使它体积变小，效率提高。我们采用 波长1 0 6 4 a m 的n d ：y a g 激光器进行实验。 2 , 2 高斯光束聚焦特性 在激光加工中，材料的破坏是由于光束作用的结果。为了提高能量利用效率， 一般采用透镜对激光束聚焦。在激光内切割中，由于光束穿过材料非加工部分沿零 件轮廓破坏材料，因此必须采用聚焦系统。而在激光各种效应中，模结构影响至关 重要，高阶模发散角大，光束聚焦性能不好：用低阶模则能获得较小的聚焦光斑及 高辐射能密度，而这正是激光内切割所需要的。因此在加工中主要考虑基模高斯光 束的作用“。 如图2 2 所示，一束腰半径为。o 的高斯光束射入透镜f ( 也为透镜焦距) ，从透 镜射出的光束柬腰为。1 根据高斯光束的变换性能，可得“”： 华中科技大学硕士学位论文 是较大的，激光内切割中即使一个小零件体也要加工几十个小时，因此会引起零件 体i 、i i 两部分的老化不同。从而加大零件体与余料相分离的困难，同时降低零件 体的强度。另外紫外激光器成本很高，人们一般将其用于精细加工。 可见光波段激光大多数是由红外激光倍频而得，其效率较低；另外- ，可见激光 ( 如红光和绿光) 对于有机玻璃这类高聚物的透射性太好，使得即使在焦点处，该 类材料吸收的激光能量也不足以使材料变性，达不到切割目的。在红外波段，虽然 c o z 激光器应用广泛，但0 0 2 激光器波长为1 0 6 “m 属于中红外波段，对透明类树脂 材料的透过率极低，在入射表面树脂类材料几乎对所有激光能量吸收，从而不能入 射到材料内部，故c 0 ：激光器不适于激光内切割。而n d ：y a g 激光器应用广泛，其波 长1 0 6 4 n m ，对透明树脂有较高的透过率( 对有机玻璃的透过率达到8 0 以上) ，声 光调q 技术也相对成熟；而采用二极管泵浦会使它体积变小，效率提高。我们采用 波长1 0 6 4 a m 的n d ：y a g 激光器进行实验。 2 , 2 高斯光束聚焦特性 在激光加工中，材料的破坏是由于光束作用的结果。为了提高能量利用效率， 一般采用透镜对激光束聚焦。在激光内切割中，由于光束穿过材料非加工部分沿零 件轮廓破坏材料，因此必须采用聚焦系统。而在激光各种效应中，模结构影响至关 重要，高阶模发散角大，光束聚焦性能不好：用低阶模则能获得较小的聚焦光斑及 高辐射能密度，而这正是激光内切割所需要的。因此在加工中主要考虑基模高斯光 束的作用“。 如图2 2 所示，一束腰半径为。o 的高斯光束射入透镜f ( 也为透镜焦距) ，从透 镜射出的光束柬腰为。1 根据高斯光束的变换性能，可得“”： 华中科技大学硕士学位论文 l ( 1 一争2 ( 孕) 2 珊棚： ，2 一般实际应用中，有l f ，故： ，：型 1 x c o ( l ) 。( l ) 为入射到透镜表面上的高斯光束光斑半径， 为激光波长。该式表明：当 用长焦距透镜聚焦时，加工光斑的直径增大，加工的精度降低。而u ( l ) 越大，聚焦 所得的光斑斑点直经越小。聚焦光束聚焦到材料内部，材料区域分为加工区域和非 加工区域：激光束经过的非加工区域，即光束传播时经过的区域，激光束功率密度 不能过高。因为，n d ：y a g 输出的1 0 6 4 n m 红外光在功率密度很低时吸收很少( 主 要是一些杂质吸收起作用) ，但当功率密度很高时，吸收就不能忽略。由上式可以 看出，当激光入射到材料内部时，为避免激光对非焦点处材料的破坏，可以先行对 激光扩束，增大入射到透镜表面的。( l ) 。这样一方面降低了入射激光的功率密度， 图2 2 高斯光束经过薄透镜的变换图2 3 激光内切割示意图 排除了激光对非焦点处材料的破坏；同时，使聚焦焦点更细，焦点处功率密度更强， m 一 一 一 华中科技大学硕士学位论文 从而使焦点处的材料很容易受到破坏，达到加工目的。因此，聚焦前增大。( l ) 减少 损耗并提高加工精度，有利于获得较好的激光内切割质量。 2 3 激光内切割原理 激光内切割原理示意图如图2 3 所示，它是将经扩束后的激光经透镜聚焦于透 明材料内部，以数控技术按零件实体造型，控制激光焦点在材料内部的移动，实行 三维切割与雕刻，从而使属于零件模型的材料与其余部分分离。 从图2 3 可以看出：在激光内切割中，光束会聚于材料内部，光束经过一段材 料介质，此时由于光束未聚焦，能量密度低，材料对于激光的吸收也低，穿过的光 线对材料的性质影响不大，激光本身衰减也小：在焦点处的材料由于受到高功率密 度激光的作用而气化、碳化。这与一般的激光加工不同。一般的激光加工如激光焊 接、激光热处理和激光雕刻等都是将激光聚焦于材料表面，激光一般在空气中进 行传输。在激光内切割中，由于激光在介质内部传输，使得会聚光束焦点的定位不 同于一般的激光加工。 对于加工一个零件体，实现激光三维内切割的基本步骤如下： 1 ) 采用三维c a d 软件构造所设计零件的三维实体造型。 2 ) 采用自动或人工数控加工编程方法，生成mm 零件表面的普通数控加工 程序。 3 ) 将坯料安装于数控加工设备或数控机床的加工平台上，将激光束进行一 定的光学转换，然后聚焦于材料内部。 4 ) 启动零件模型的加工程序，数控设备带动坯料运动。使激光焦点在坯料 内部按假想零件模型的轮廓表面进行扫描或切割。扫描过程是从离材料 的入射激光面最远的横截面的轮廓线开始加工的，并逐层使得零件实体 与其余部分材料分离，最终形成一个三维实体的原型。 华中科技大学硕士学位论文 从而使焦点处的材料很容易受到破坏，达到加工目的。因此，聚焦前增大。( l ) 减少 损耗并提高加工精度，有利于获得较好的激光内切割质量。 2 3 激光内切割原理 激光内切割原理示意图如图2 3 所示，它是将经扩束后的激光经透镜聚焦于透 明材料内部，以数控技术按零件实体造型，控制激光焦点在材料内部的移动，实行 三维切割与雕刻，从而使属于零件模型的材料与其余部分分离。 从图2 3 可以看出：在激光内切割中，光束会聚于材料内部，光束经过一段材 料介质，此时由于光束未聚焦，能量密度低，材料对于激光的吸收也低，穿过的光 线对材料的性质影响不大，激光本身衰减也小：在焦点处的材料由于受到高功率密 度激光的作用而气化、碳化。这与一般的激光加工不同。一般的激光加工如激光焊 接、激光热处理和激光雕刻等都是将激光聚焦于材料表面，激光一般在空气中进 行传输。在激光内切割中，由于激光在介质内部传输，使得会聚光束焦点的定位不 同于一般的激光加工。 对于加工一个零件体，实现激光三维内切割的基本步骤如下： 1 ) 采用三维c a d 软件构造所设计零件的三维实体造型。 2 ) 采用自动或人工数控加工编程方法，生成mm 零件表面的普通数控加工 程序。 3 ) 将坯料安装于数控加工设备或数控机床的加工平台上，将激光束进行一 定的光学转换，然后聚焦于材料内部。 4 ) 启动零件模型的加工程序，数控设备带动坯料运动。使激光焦点在坯料 内部按假想零件模型的轮廓表面进行扫描或切割。扫描过程是从离材料 的入射激光面最远的横截面的轮廓线开始加工的，并逐层使得零件实体 与其余部分材料分离，最终形成一个三维实体的原型。 华中科技大学硕士学位论文 5 ) 作为辅助的加工步骤，还需要将外表的余量剖开，以取出工件；将内腔 的材料切碎，以便取出。 实现上述技术的装置除了脉冲n d ：y a g 固体激光器，还需三维数控设备c a d 接 口部分：该部分由三轴联动数控设备和“切片”计算机及c a d 接口软件和控制软件 组成。“切片”计算机可为5 8 6 个人计算机，带有网络接口卡，它主要对c a o 模型 进行面化处理使之变成适于内切割加工的文件格式( 零件横截面轮廓格式) ：三轴 联动数控设备主要用于使加工件在x - y 平面内沿零件横截面轮廓线运动，在z 方向 使加工件上下运动；c a d 接口软件包括对c a d 模型的网络通讯，接受从c a d 来的 p h i g s t 的压缩二进制曲面表示，设定过程参数等，控制软件主要控制数控设备的运 动。从而实现激光焦点在材料中沿零件轮廓外表面进行扫描，实行内切割。 由于激光内切割过程是分离过程，激光内切割出的零件强度很高，不易变形， 也不会产生一般快速成型法中因为各层粘结而使层厚变化引起的误差，加工的精度 主要受激光光斑的影响，它还具有快速成型技术的一般优点，因此其应用前景广阔。 2 4 激光与高分子材料的相互作用 理想的激光器应采用调q 激光器。因为若采用连续激光器，则不但要求输出功 率大得多( 百瓦级) ，而且这么大的功率很容易对加工零件造成“误伤”。若用调q 激光器，则激光脉冲输出的能量在时间以及空间上是高度集中的。平均功率几十瓦 的激光光束在聚焦光斑处单个激光脉冲的瞬时功率达几百m w c m 2 ，而作用的时间 约为几十纳秒“。在这么大的能量作用下，激光照射区域里的化学键迅速破裂，焦 点处的高分子物质碳化，光解的物质发生微爆炸，形成空隙，从而起到局部切割作 用。其聚焦光斑可以小到1 0 0 微米，而作用耐间很小，作用过程很迅速，加工处的 热传导时间很短，故对加工处侧壁以及周围结构的热损伤不大，保证了切割的精度。 华中科技大学硕士学位论文 5 ) 作为辅助的加工步骤，还需要将外表的余量剖开，以取出工件；将内腔 的材料切碎，以便取出。 实现上述技术的装置除了脉冲n d ：y a g 固体激光器，还需三维数控设备c a d 接 口部分：该部分由三轴联动数控设备和“切片”计算机及c a d 接口软件和控制软件 组成。“切片”计算机可为5 8 6 个人计算机，带有网络接口卡，它主要对c a o 模型 进行面化处理使之变成适于内切割加工的文件格式( 零件横截面轮廓格式) ：三轴 联动数控设备主要用于使加工件在x - y 平面内沿零件横截面轮廓线运动，在z 方向 使加工件上下运动；c a d 接口软件包括对c a d 模型的网络通讯，接受从c a d 来的 p h i g s t 的压缩二进制曲面表示，设定过程参数等，控制软件主要控制数控设备的运 动。从而实现激光焦点在材料中沿零件轮廓外表面进行扫描，实行内切割。 由于激光内切割过程是分离过程，激光内切割出的零件强度很高，不易变形， 也不会产生一般快速成型法中因为各层粘结而使层厚变化引起的误差，加工的精度 主要受激光光斑的影响，它还具有快速成型技术的一般优点，因此其应用前景广阔。 2 4 激光与高分子材料的相互作用 理想的激光器应采用调q 激光器。因为若采用连续激光器，则不但要求输出功 率大得多( 百瓦级) ，而且这么大的功率很容易对加工零件造成“误伤”。若用调q 激光器，则激光脉冲输出的能量在时间以及空间上是高度集中的。平均功率几十瓦 的激光光束在聚焦光斑处单个激光脉冲的瞬时功率达几百m w c m 2 ，而作用的时间 约为几十纳秒“。在这么大的能量作用下，激光照射区域里的化学键迅速破裂，焦 点处的高分子物质碳化，光解的物质发生微爆炸，形成空隙，从而起到局部切割作 用。其聚焦光斑可以小到1 0 0 微米，而作用耐间很小，作用过程很迅速，加工处的 热传导时间很短，故对