（光学工程专业论文）激光粉末快速微成形送粉系统的研究.pdf

摘要 2 1 世纪，科学技术的发展趋向之一是向微小方向发展，由毫米级、微米级 继而涉及纳米级。微米纳米技术使人类在认识和改造自然方面进入了一个新的 层次，使单位体积信息处理和运动控制的能力实现了又一次飞跃。 微机械( m i c r o m a c h i n e s ) 或者微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a l l i c a i s y s t e m s ) 是8 0 年代兴起的一个边缘性，交叉性的高技术研究领域。它是指毫米 和微米尺度的机械。微机械的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、 新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。美国、日本、德国 等发达国家均将此项研究列为2 1 世纪的重点发展学科。 由于大功率激光器的研制成功以及商业化生产，激光快速成型技术在2 0 世 纪9 0 年代得到了迅速的发展。在激光快速成型技术的发展中，主要出现了两个 分支：一是利用快速成型的思想进行所需零件的原型制造，如立体光制造技术 ( s l a s t e r e ol i t h o g r 印h ya p p a r a t u s ) 、叠层制造技术( l o m l m i n a t e do b j e c t m a l l u f a c t u r i n g ) 、激光选区烧结技术( s l s s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 等等；另 一种技术是利用快速成型的思想进行所需零件的实体制造，获得具有使用性能 的致密性功能零件。该技术也被成为直接光制造技术( d i r e c t e dl i g h t f a b r i c a t i o n ) 9 】。 在微机械加工中，一个重要技术指标是分辨率。在快速成型微细加工中， 把分辨率区分为扫描分辨率以及成型分辨率。成型分辨率是指成型的最小单位 也称为光固化单元：扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。 从成型工艺角度上讲，光固化单元就是单个激光脉冲固化固体金属粉末的 体积或者单道激光光束固化金属粉末所获得固化轨迹的单位体积。要想获得细 小的光固化单元，对于激光粉末快速微成形工艺而言，主要从下面两个方面入 手： a ) 、使用具有光斑直径细小的激光器，通常选择倍频激光器或者光纤激光 器 b ) 、选择粉末颗粒直径小的金属粉末作为激光粉末快速微成形固化材料。 正是针对于此，北京工业大学激光工程研究院利用自身的技术优势，将激 光快速成型的制造思想同微机械的研究结合起来，提出了基于纳米粉纳米相粉 进行激光快速微成形的全新思路。纳米粉纳米相粉激光粉末快速微成形技术是 激光快速成型技术在微领域的应用和发展。 而实现将纳米粉，纳米相粉稳定均匀地输送至成形表面，则是利用同步送粉 方式进行激光粉末快速微成形的技术前提。 纳米粉纳米相粉粉末颗粒直径小，所以具有团聚严重，吸附性强，随气相 介质流动性强等特点，所以不能用传统的激光粉末快速成形送粉系统来输送， 必须重新设计送粉系统。所以为了解决纳米粉纳米相粉的稳定输出问题，本文 从纳米粉纳米相粉送粉器、粉末输送管路以及送粉工作头三个方面进行研究和 探讨，最后获得均匀、稳定性好、挺度高、粉末束流形貌好的粉末输出束流。 首先，在满足工艺条件的基础上，出于能够连续稳定输送粉末束流以及获取 小送粉量的考虑，改进转刷式送粉器送粉直流电机励磁电路，实现了送粉量在 1 4 p 。m i 6 9 0 9 p 。m i n 范围内连续可调，并且实现低送粉量下送粉器稳定运转， 从而为获得较细的粉末输出束流奠定了坚实的试验基础。 针对纳米粉纳米相粉在气相介质中的传输特点，提出封闭式渐缩型粉末输 送管路的思路，有效地实现了低粉末输送气体流量和减小粉末输出速度的目的， 为激光粉末微成形工艺试验奠定了良好的试验前提。 通过大量粉末输出工艺试验，得出纳米粉纳米相粉粉末输出束流形貌同粉 末输出管嘴几何结构的一些定性关系，从而为下一步减小粉末输出束流直径， 以及提高纳米粉纳米相粉粉末输出束流挺度提供了有利的试验依据和理论基 础。 根据前期工艺试验设计制造送粉工作头。从试验结果看，此工作头输出粉 一i i 末束流具有稳定性好、挺度高、保护气保护性能好、粉末束流无偏吹、无畸变 的特点。该工作头结构紧凑、重量轻、便于安装以及精细调节。 利用此送粉工作头输送超细微米羟基铁粉，使用小功率n d ：y a g 激光器和 倍频激光器进行简单成形工艺试验，获得了较为满意的成形效果，从而说明此 送粉系统完全符合激光粉末快速微成形的工艺要求。 根据激光粉末快速微成形工艺要求，设计加工了送粉工作头的精细调节装 置。该装置可以实现送粉工作头倾斜角及三维位置的精细调节，从而有利地保 证了粉末输出束流同激光光束焦点在成形面上的精确配合，为工艺试验打下了 坚实的基础。 最后使用本送粉系统结合小功率n d ：y a g 连续激光器，进行简易成形工艺 试验。试验证明说明该送粉系统在成形工艺中可以实现连续稳定的运行，以及 说明在成形工艺中采用小送粉气体流量是有利的。更进一步说明采用纳米粉及 纳米相粉这类超细粉末进行激光快速粉末微成形成形工艺这一思路的可行性。 根据试验结果和激光粉末快速微成形的工艺特点，提出了一些改进措施。 以上研究填补了国内在纳米粉纳米相粉气相送粉系统研究上的空白，在国 际上也处于比较前沿的研究领域。为采用同步送粉方式进行激光粉末快速微成 形提供了良好的试验基础和稳定的技术保证。 关键词：激光粉末快速微成形；纳米粉纳米相粉：送粉系统：粉末束流； 挺度；送粉工作头 a b s t r a c t i nt h e2 l t hc e n t u r y ，o n eo f t h et r e n d so fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t i st h em i c r o m i n i a t u r i z a t i o n a n dt h ed i m e n s i o ni sf r o mm i l l i m e t e rt om i c r o na n d n a n o m e t e lt h et e c h n o i o g vo fm i c r o n h a n o m e t r ee n a b l e sm a r l k i n dt oe n t e ran e w p h a s eo fu n d e r s t a n d i n ga n dr e m a k i n gn a n l r e a j l dt or e a l i z ea n o t h e rs u b s 切n t i a l i m p r o v e m e n t i nt e n n so ft h ev o l u m eo fi n f o r n l a t i o np m c e s s e di ng i v e nc u b i cu n i ta n d t h ea b i l i t yo fm o t i o nc o n t r 0 1 t h em i c r o m a c h i n e sa n dt h em e m s f m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls v s t e m si sa m a r 2 i n a la n dc r o s s e dh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c hf i e l dt h a t r i s e di n2 1 t hn i n e t i e s i t r e f b r st ot h em a c h i n e st h a tt h ed i m e n s i o ni si nt h es i z eo fm i l l i m e t e ro rm i c r o n t h e p u r p o s eo fr e s e a r c ho nm i n i a t u r ei st od e v e l o pc o m p o n e n t sa i l ds y s t e m s 、v i t hn e w t h e o r i e so rf u n c t i o n st h m u g hm i c m m i n i a t u r i z a t i o na 1 1 di n t e g r a t i o nt of o 册an e w s c i e n t i f i cd i s c i p l i n ea n di n d u s t r i a ls e c t o lt h ed e v e l o p e dc o u n t i e s ，s u c ha sa m e r i c a n ， j a p a na n dg e r m a ne t c ，a l lr a n kt h i sr e s e a r c hw o r k i n g a st h ek e y d e v e l o p i n gs u b j e c t d u et ot h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e ma n dt h ec o m m e r c i a lp r o d u c t i o no f 也eh i 曲 p o w e rl a s e r s ，t h e l a s e rr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i di nt h e2 0 m e i g h t i e s i nt h ep r o c e s so f t h el a s e rr 印i dp r o t o t y p i n g ，t h e r ea r e 抑om a i nd e v e l o p i n g d i r e c t i o n ：o n ei su s i n gt h i st e c h n o l o g yt op r o d u c et h ep r o t o t y p eo f t h ep a r t s ，s u c ha s s l a s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s 、l o m l a i n i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n ga n d s l s s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n ge t c ；t 1 1 eo 也e ri st op r o d u c et l l es o l i dp a r t s ，s ot 1 1 a t p e o p l ec o u i dg a i nt h et i g h t n e s sf h n c t i o n a lp a r t s t 1 1 a th a v et h eu s ec h a r a c t e r i s t i c s t h i s t e c h n o l o g yi sa l s on a n l e da sd i r e c t e dl i g h t f i b r i c a t i o nt e c l l i l o l o g y i nt h e p r o c e s s o fm i c m m a c h i n e s ，a i m p o r t a l l tt c c h n 0 1 0 9 i c a lq u o t a i st h e d i s t i n g u i s h a b i l i t y i nt h em i c r o s c o p i cp r o c e s so fr 印i df o 加a t i o n ，m ed i s t i n g u i s h a b i l i t y i n c l u d i n g t h e s c a r u l i n gd i s t i n g u i s h a b i l i t y a n dt 1 1 ef o n a t i o nd i s t i n g u i s h a b i l i t y t h e f o r m a t i o nd i s t i n g u i s h a b i l i t yi st h em i n f 如m a t i o nu n i t ，i sa l s on a m e da s t h e 1 i g h t s o 】i d i f j c a t i o n ；t h es c a 舳i n gd i s t i n g u j s h a b i l j t yi s t h es c a n n i n gs h i 衔n gm e c h a l l i s m s m i n s h i f t i n gd i s t a n c e i ft h i n k i n go v e rt h ep r o c e s so ff o h n a t i o n ，t t l ei i g h ts 0 1 i d i n c a t i o nu n i t i st h e v o l u m eo ft h es i n g l el a s e rp u l s es o l i d s 也em e 协lp o w d e r o rm e u i l i tv 0 1 u m eo ft h e s o l i d i f i c a t i o nt r a n c et 1 1 a tg a i n e db yt h es i n g l et r a c kl a s e rs o l i d 母i n gt h em e n t a lp o w d e l s o ，i nt h ep r o c e s so fl a s e rp o w d e rr a p i dm i c m m a n u f a c t u r i n g ，t og a i nm e f i n el i 曲t s o l i d i f i c a t i o nu n i t ，m a i n l ys h o u l da d o p tt w oa s p e c tm e a s u r e ： a ) 、u s i n gt h el a s e rm a th a v et h em i n i f o c u ss p o t ，u s u a l l ys e l e c tm ed o u b l i n g f r e q u e n c y l a s e ro rn b e rl a s e r b ) 、u s i n gt h em i c r o s i z ep a r t i c l ed i a m e t e rm e t a lp o 、v d e r a sm es o l i d i f i c a t i o n m a t e r i a lo ft h el a s e rp o w d e rm p i dm i c r o - m a n u f a c t u r i n g 1 v 摘要 j u s tt a k i n gt h e s ec o n s i d e m t i o n ，t h en c l l o fb e 巧i n gp o l ”e c h n i c u n i v e r s “y u t i l i z et h es e l ft e c h n i q u es u p e r i o r i t y ，c o m b i n et h el a s e rr a p i dm a n u f a c t u r et e c 1 1 1 i q u e a n dm em i c r o m a c h i n e s r e s e a r c h ，p m f o n v a r dm ei 皿o v a t i o nm a t u s i n g t h e n a n o n a n o - p h a s e dp o w d e r a st h es o l i d i f i c a t i o nm a t e r i a lo fl a s e r p o w d e rr 印i d m i c r o m a m l f k t u r e n a n o r l a n o p h a s e dp o w d e r l a s e rp o w d e r r a p i dm i c o m a n u f a c t u r e t e c h n i q u ei st h el a s e rr 印i df b r n l a t i o nt e c l l i l i q u e s 印p l y m e n ta 1 1 dd e v e l o p m e m i nt 1 1 e m i c r o m a c h i n e sn e l d s i fw ea d o p ts y n c l l r o n o u sf c e dp o w d e rm o d ei nt h ep r o c e s so fl a s e rp o w d e rr a p i d m i c m m a l l u f a c t u r i n 舀 t h e nt h et e c h n i c a i p f e c o n d i t i o n i st of e e dt h e n a n o n a n o p h a s e dp o w d e re v e n ，s t e a d yt o 协e f o h n a t i o n p o s i t i o n d u et ot h en a l l o n a l l o p h a s e d p o w d e r sd i 锄e t e ri sv e r ys m a l i ，i th “et 1 1 e c h a r a c t e rt h a tt h en o m a lm i c mm e t a lp o 、d e rt h a tu s e di nt h e i a s e rc l a d d i n g t h e c h a r a c t e ri n c l u d e st h es e r i o u sa g g l o m e r a t i n ga n da d s o r b e n ta 1 1 de a s yf l o w i n gp o w e r i nt h en o w i n gg a sp h a s e s on a l l o n a n o p h a s e dp o w d e rc o i u l tb ef e e d i n gw i t ht h e p o w d c rf e e d i n gs y s t e mu s e di nt h cp r o c e s so f l a s e rp o w d e rr a p i df 如r i c a t i o n w e m u s tr e s i g nt h e p o w d e rf e e d i n gs y s t e m m a t a d 【p t t om el a s e r p o w d e rr a p i d m i c a o f 矗b r i c a t i o n t or e s o i v et h e n a t l o n a n o _ p h a s e dp o w d e rs t e a d yf e e d i n gp r o j e c t ，t l i sp a p e r d e t a 订d i s c u s st h en a n o n a i l o p h a s e dp o w d e rf b e d e r ，t h ep o w d e rt m s f b rp i p i n ga n d t h ep o w d e rf e e d i n gh e a d ，f i n a l l yg a i nn a n o n a n o - p h a s e dp o 、v d e ro u t p u ts t r e a mt 1 1 a t i s e v e n ，s t e a d y ，h i 曲s t i f 陆e s s 柚df i n ep a t t e r r l f i r s t l y ，i n m ep r e c o n d i t i o no fs a t i s f y i n gt h en e e do fl a s e r p o w d e rr a p i d m i c r o m a n u f a c t u r i n g sp r o c e s s ，t og a i nm es t e a d yo u t p u tp o w d e rs 仃e a ma 1 1 ds m a l l p o w d e rq u a r i t i t yt h a t m ep o w d e rf e e d e ro u t ，i m p r o v et h ee x c i t i n gc i r c u i to ft h e r o t a t i n g b m s hp o w d e rf e e d e r sd i r e c tc u r r e me l e c t r i ce n g i n e a n da c t u a l i z ep o w d e r o u t p u tq 嘲l t i t yc a i lb ec o n t i n u cr c g u l a t e di nt h es c o p eo f1 4 以m i n 6 9 0 9 以m i n ， a n df e e d e rc a nb es t e a d yo p e r a t e du n d e rm el o wp o w d e ro u t p u tq u 锄t i t yc o n d i t i o n s os e t t l et h es t a b i l 埘b a s ef o rt h el a s e rp o w d e rr a p i dm i c r o m a n u f 犯嘣n gp r o c e s s t h o u 曲ag r e a td e a lo fp o w d e ro u t p u tp r o c e s st e s t ，、eg a i ns o m eq u a l i t a t i v e r e l a t i o no ft h en a l l o n a l l o p h a s e dp o w d e ro u t p u ts t r e 锄p a t t e mw l t l lt l l eg e o m e 仇c s h a p eo f t h ep o w d e ro u t p u tj e t s os e m em es t a b i l i t yt e s tp m o f a n dm e o r yb a s ef o r r e d u c i n gt h ed i a m e t e ra n di m p r o v et 1 1 es t i f b l e s so f t h ep o w d e ro u t p u ts t r e a mo ft 1 1 e n a n o n a n o p h a s e dp o w d e l a c c o r d i n g t ot h ep o w d e r o u t p u tp r o c e s s ，d e s i g n t l ep o w d e r f b e d i n gh e a d i nt h e t e s t ，t h i sh e a dh a v et h ec h a r a c t e rt h a tt h en a n o n a n o p h 王l s e dp o w d c ro u t p u ts n a m i s s t e a d va n dh a v ef i n es t i 丘h e s s ，a n dt 1 1 ep r o t e c t i v eg a sp e r f b 蛐a i l c ei s f i n es ot 1 1 e p o w d e ro u t p u ts t r e a mi s n td e n e c t e da n dm ep a t t e mi s n td i s t o r t e d t h i sh e a dh a v e v 一 ，。，。，耋坠垄至鲨耋鍪兰二，。，一 c o m p a c t e dc o n s t r u c t i o na n dl i 曲tw e i 曲t ，s os u j tt on xa n d 矗n ea d j u s t m e n t u s i n gt h i s h e a d o u t p u tt h e m i c r o c l a s t i cm i 盯o nh y d r a c r y l i ci r o n p o w d e t ( t h e p a n i c l ed i a m e t e ri sf 如m1 u m t o5 u m ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ri s2 3 u m ) ，a n du s i n gl o w p o w e rn d ：y a g l a s e ra n dt w od o u b l ef r e q u e n c yl a s e r t a k et h ef 0 h n a t i o ne x p e “m e n t a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n ta 1 1 de x p e r i m e n tr e s u l t ，i l l u m i n a t et h a tt h i sp o w d e rf e e d s y s t e ms u i tt ot h ep r o c e s sr e q u i r e m e n to f t | l ei a s e rp o w d e rr 印i dm i c r o m a n u f a c t u r i n g l a s t ，a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o ft h e p r o c e s s o f1 a s e r p o w d e rr a p i d m i c a o f 曲r i c a t i o n ，d e s i g nf i n ea d j u s 协1 e n te q u i p m e n to fm ep o w d e rf e e dh e a d t h i s e q u i p m e n tc a n r e a l i z et h ef i n ea d j u s t m e n to f s i o p i n ga n g i ea n dt h e3 一dp o s i t i o no f t 1 1 e p o w d e rf e e dh e a d ，s oc o u l dg u a r a n t e et h ep o w d e ro u t p u ts t r e 锄c a nb e6 n em a t c h c d w i t ht h el a s e rf b c u ss d o to nt h ef o r m a t i o ns u r f h c e t h i ss e t 七1 et h eb a s ef b rt h e f o r m a t l o n p r o c e s se x p e n m e n t f i n a l l y ，t a k i n g t h e s i m p i yp r o c e s se x p e r i m e n t o fl a s e r p o w d e rr a p i d m i c a o f a b r i c a t i o nw i t ht h ep o w d e rf c e d i n gs y s t e mt 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e di n t e g r a t i n g w i t l lt h e 】o wp o w e rc o n t i n u o l l sn d ：y a gl a s e lt h ee x p 甜m e n t a jr e s u l tj l l u m i n a t et l 】e p o w d e rf e e d i n gs y s t e mc o u i do p e m t i n gi nt h ep r o c e s se x p e r i m e n t a n d i ti sa v a i l a b l e i nt h e p r o c e s st h a ta d o p tt h e l o wv o i u m eo fp o w d e rf c e d i n gg a s a n dm r n l e r i l l u m i n a t et h a ti ti sc o r r e c ta j l df e a s i b l et 1 1 a ta n du s i n gm i c r o c l a s t i cm e t a lp o 、v d e ra s t h es o l i d i f i c a t i o nm a t e r i a l si nt h ep r o c e s so f1 a s e rp o w d e rr a p i dm i c a o f a b r i c a t i o n a c c o r d i n 2t om ep o w d e rf c e d i n gp m c e s sa 1 1 dt h ep m c e s sc h a r a c t e ro fm el a s e r p o w d e rr a p i dm i c a 0 f a b r i c a t i o n ，p u tf o n a r ds o m ei m p m v em e t h o d s t h ea b o v er e s e a r c hf i l l st h eb l a n ki nt h ef i e l do fn a n o n a l l o - p h a s e dp o w d e rg a s f e e dd o w d e rf e e ds v s t e mi nc h i n aa n di ti si nt h ea l l e a df i e l da b r o a d a n do 髓rt h e e x p e “m e n t a l b a s ea n d s t e a d y t e c l l l l i c a i g u a r a n t e e f b rl a s e r p o w d e rr a p i d m i c r o m a n u f a c t u r i n gw i t l lt h es y n c l l r o n o u sf e e d i n gp o w d e r m o d e k e y w o r d s ：l a s e rr a p i dm i c a o f a b r i c a t i o n ；n a n o n a n o p h a s e dp o w d e r ；p o w d e r f e e d i n gs y s t e m ；p o w d e rs t r e 锄；s t i 丘- n e s s ；p o w d e rf e e d i n g h e a d v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 激光快速成型技术的发展概况 快速成型技术( r p r a p i dp r o t o t y p i n g ) 是8 0 年代后期起源于美国的一种 先进制造技术。该技术利用计算机辅助设计( c a d ) ，数控技术以及热源系统， 可以将电子模型的设计，自动迅速的物化为具有该结构及一定功能的原型或者 零件。由于激光器自身的技术优势，以及大功率激光器在技术指标上有了长足 的发展，所以快速成型技术的热源系统绝大部分为激光器。这就是激光快速成 型技术。 激光快速成型技术作为一种先进的制造技术，许多大学和公司都提出了自 己的技术方案和成形系统。1 1 1 在其发展过程中，主要出现了两个分支：一是利 用快速成型的思想进行所需零件的原型制造，如立体光制造技术( s l a s t e r e o l i t h o g r 印h ya p p a r a t u s ) 2 1 、叠层制造技术( l o m l 锄m a t e d o b j e c t m a n u f 如t u r i n g ) 【3 j 、激光选区烧结技术( s l s s e l e c t i v e l a s e rs i n t e 曲g ) 【4 l 等等： 另一种技术是利用快速成型的思想进行所需零件的实体制造，获得具有使用性 能的致密性功能零件。该技术也被成为d l p d ( d i r e c t e d l a s e rp o w d e r d e p o s i t o n ) 技术”。在2 0 世纪9 0 年代，许多发达国家都开始了这方面技术的研究。美国 的r o c k e t d y n e & r o c k w e l l 科学中心以及d e s k t o pm a n u f a c t 嘣n g ( d t m ) 公司等利 用选取烧结金属粉末制造金属实体零件5 ，6 1 。其他一些研究机构将激光同步熔覆 技术同快速成型技术结合起来，作为成型技术来获得全密度实体金属零件。如 美国的l o sa l a m o s 国家实验室开发了直接光制造技术( d i r e c t e d “g h t f a b r i c a t i o n ) 酗，7 】：s a n d i a 国家实验室以及斯坦福大学开发了l e n s ( l a s e r e n g i n e r r e d n e ts h 印i n g ) 技术【5 1 ，国内的一些研究机构也在该成型技术上做了大 量的研究工作，提出了一些技术思想。 1 1 2 徽制造技术的发膜概况 微机槭( m i c r o m a c h 诬e s ) 或者微枧电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m s ) 是8 0 年代兴起的一个边缘性，交叉性的高技术研究领域。它的定义很 多，普速豹定义为患体足寸约l e 心滋下，零 孛最小长度褒 o 髓l 左右，续构毫 度集成化，由计算机进行智能控制的机械【8 1 。此项研究被荚国、e ! l 本、德国等 发达国家弼为2 l 畿纪懿重点发震学科。霾簿，蓄雨步 对徽橇械豹磷究主要集中 在微机械理论，结构设计，微细加工以及微机械的应用等方面。微机械制造中 常硝的是半导体技术。半导体技术存在的主要问题是：可翻造的霉俘主要为平 面粼，难以形成3 维复杂结构，难以实现宅间机构制作。设备投资大，单件生 产成本高。而其他的微细加工技术，如光刻电铸成彤l i g a 技术主要加工纵横 比大的柱状，翔工成本也缀昂贵卧o ，1 ”。微放电加工技术只限于从外部加工的形 状，制造复杂的工件时需臻用专门的加工设备，并且其分辨率不高( 为5 0 u m ) 【1 2 ，1 3 1 1 4 l 。魏终，还鸯深爰应槎离子轰l 继技术、激浮黢袭瑟或形鼓木以及激光c v d 技术。【”叫8 】由于这几种加工工艺自身的技术特征，其加工的材料也有各自的限 制。 1 ，1 ，3 利用激光技术进 亍微制造方面研究的技术概、兄 由于激光快速成型自街的技术优势，所以将激光快速成型的制造思想同微 辊皱的涮遗愚想缝合超寒，恰烩麓熬 穗技本魏不足。避凡年寒，到蠲激建快 速成形技术进行微机械的微细加工工艺的研究也成为近年来国内外微机械制造 的研究热点。挣1 翔南京理工大学利用立体兜锈遥技术进行镞翻造技术方瑟豹磅 究。【2 0 】北京工业大学激光工程研究院研制出三维立体微结构准分子微加工系统。 【4 0 l 日本以系京大学为首的一批学术机梅及企监单位主要集中于采麓s l a 工艺进 行微割造。 2 2 】最为著名的微制造方面的成绩是日本科学家采用双光子激光器制 作的纳米牛【2 ”。 第l 章绪论 目前采用激光粉末快速成形技术进行微制造方面研究的还很少。国内西安 交通大学采用金属粉末烧结的方法来进行微小零件的直接制造。【2 4 l 在微机械加工中，一个重要指标是分辨率。在快速成型微细加工中，把分 辨率区分为扫描分辨率以及成型分辨率。成型分辨率时指成型的最小单位；扫 描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。在微机械光成型微细加工中引入光固 化单元的概念：光固化单元是指一个激光斑点照射在光敏树脂上所固化的树脂 体积，固化单元越小，成型分辨率越高。【2 0 l 该定义也适用于激光粉末快速微成 形工艺，其成形分辨率和扫描分辨率缺一不可。 由于激光粉末快速微成形其工艺特点是利用激光光束作为热源，将送粉系 统输送的金属粉末熔化，并将成形轨迹按照计算机处理零件电子模型获得的单 层数据轨迹运动，从而获得该层面的实物造型，然后再逐层堆积，最后获得该 电子模型的实体零件。所以其光固化单元就是单个激光脉冲固化固体金属粉末 的体积或者单道激光光束固化金属粉末所获得实体轨迹的单位体积。要想获得 细小的光固化单元，对于激光粉末快速微成形工艺而言，主要从下面两个方面 入手： ( 1 ) 、具有光斑直径细小的激光器。目前普遍采用的有2 倍频、3 倍频、4 倍频固体激光器；或者采用光纤激光器。这些激光器由于输出波长短，所以焦 点位置光斑直径小。 ( 2 ) 、由于激光粉末快速微成形是利用激光光束作为热源，来固化金属粉 末颗粒。所以光固化单元的尺度不仅与激光光束直径有关，而且同所固化的粉 末颗粒直径有关。金属粉末颗粒越细小，则光固化单元所固化的粉末颗粒数目 就越多，其成形精度和表面粗糙度自然就高。另外，金属粉末直径的减小导致 其熔点降低，【2 1 1 这使得用小功率激光器作为成形热源成为可能。所以金属粉末 颗粒直径的减小，必然有利于获得细小的光周化单元。 而纳米粉末的特性则正好能满足提高光固化单元精度对粉末材料提出的要 求。由于纳米粉末颗粒直径很小( 1 1 0 0 m ) ，该尺度的粉末颗粒无疑为提高 激光成形分辨率提供了广阔的空间。另外，由纳米微粒构成的体相材料的粉末 ( 颗粒直径几百纳米十几微米) ，其性能也同常规微米粉有很大不同，表现出 许多纳米材料的新特性，这种相体材料也称为纳米相粉。1 2 2 1 由于纳米材料本身特性，使得其具备其他常规粉体所不具备的物理特性。 由于颗粒直径的变化，从而导致纳米颗粒会出现微米颗粒所不具备的特性，如 量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子 隧穿以及介电限域效应等。【2 4 1 纳米颗粒所具有的大比表面积特性，使其表面能 增大，降低其熔化温度。【2 5 】，j 、尺寸效应直接影响粉末颗粒的熔点，导致其熔点 下降。介电限域效应对粉末颗粒对激光的吸收率具有重要的影响，导致其对激 光吸收率大幅度提高。所以最后导致所需激光功率的降低。 另外，激光粉末快速微成型的成型思想为分层制造，其固化分辨率也是影 响其制造精度和表面粗糙度的最主要因素。而粉末颗粒直径的增加，必然导致 成形零件中出现未熔粉末颗粒出现几率的增加，而导致裂纹源的增加，对成形 质量产生负面的影响。【2 6 1 而采用纳米粉末颗粒，则可以非常有效的避免这一缺 点。 所以利用具有细小光斑直径的激光器，并固化颗粒直径细小的固体颗粒， 就可以解决激光粉末快速微成形所需要的细小光固化单元问题。再结合高的扫 描分辨率，就可以获得较高的成形分辨率。 正是从这些观点出发，并结合激光粉末快速微成型的工艺特点，北京工业 大学激光工程研究院在国家重点基础研究发展规划的支持下，结合本院的 技术优势，率先提出利用纳米粉纳米相粉进行激光粉末快速微成形的技术思 想。 作为激光粉末快速微成形的技术基础，实现将纳米粉米相粉稳定均匀的输 送至工件表面，则是利用同步送粉方面进行激光粉末快速微成形的技术前提。 本文正是在激光粉末快速微成形项目以及国家重点基础研究与开发计划 ( 9 7 3 计划) 重点项目的支持下，研究纳米相粉以及纳米粉的输送及控制技术， 研究其从送粉装置中流向自由空间的特性，设计合理的粉末输送管路以及送粉 工作头，实现纳米粉末或纳米相粉稳定输出，使输出粉末柬流具有良好的可控 性。从而为采用同步送粉方式进行激光粉末快速微成形打下良好的工艺前提和 技术基