（机械制造及其自动化专业论文）激光内割快速原型制造的机理研究.pdf

华中科帔大学硕士学位论文 摘要 激光内割技术是近年来出现的一种全新的快速原型技术，该项技术能够在一定 程度上克服现有各种快速原型技术的缺陷，可以用来制作零件原型和微型零件，具 有广阔的应用前景。陔技术是激光性能、材料性质和数控系统等诸多因素综合的结 果，因此要获取表面质量好而且成型效率高的原型零件，必须使得激光、材料和数 控系统相互匹配，根据课题进展的需要，本文对以下几个方面进行了着重研究。 首先，介绍了激光内割快速原型技术的原理和流程。汐u 举了激光器、透明材料 以及数控设备等组成鄢分的功能和选择标准；此外对造型设计、代码生成，启动加 工、去除余料等几个主要步骤也分别进行了阐述。j 乒一 其次，根据介质传输光学的原理，计算出激光束在透明材料内部汇聚到焦点前 功率密度很小，能量损失也很少。本文通过建立温度场方程求出了温度髓时问和位 置的变化规律，在此基础上对移动的激光束导致的温度效应进行了有限元模拟和数 值仿真，所得结果与实验现象具有良好的吻合性。 然后，为了使激光内割完成后得到的成型零件更容易从透明材料内部分离出来， 分别用扫描电镜( s e m ) ，傅立叶红外仪( f i i r ) ，拉曼光谱仪( r a m a n ) 和x 射线光电 子能谱仪( x p s ) 对激光内割样品进行了实验和测试；又通过改变激光输出功率以及扫 橘速度改变激光对透明材料的破坏形式，总结出了可以达到良好激光内割效果的工 作参数组合。j 卫一 最后，本文分析了把激光内割系统调整后应用于微细加工的可行性，即采用准 分子激光和可以与其相匹配实现激光内割的透明材料，然后通过初步实验验证了该 方案的可行性。 关键词；激光嗍，快速原型，透明材料，影分子激兮微蚴工， 华中科技大学硕士学位论文 ab s t r a c t l a s e ri n n e rc u t t i n gt e c h n o l o g yi sa n e w l yr a p i dp r o t o t y o i n gm e t h o d ，w h i c ha p p e a r e d d u r i n gr e c e n ty e a r s t os o m ee x t e n t ，i tc a l li m p r o v et h ep r e s e n tr a p i d p r o t o t y p i n g p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sb ya v o i d i n gm a n yd i s a d v a n t a g e sa n dc a nb eu s e dt om a k e p r o l o t y p i n gp a r ta n dm i c r o m a c h i n e l a s e rj n n e rc u t t i n gt e c h n o l o g yi sac o m p r e h e n s i v e r e s u l to ft h ec a p a b i l i t yo fl a s e r , m a t e r i a la n dn cs y s t e me t c ，s oi no r d e rt om a k et h e p r o t o t y p i n gp a r t ss u r f a c es m o o t ha n dg e th i g he f f i c i e n c y , l a s e r , m a t e r i a la n dn cs y s t e m m u s tm a t c hw i t ho n ea n o t h e r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t sd e v e l o p m e n t ， t h ed i s s e r t a t i o ng i v e se m p h a s i st ot h ef o l l o w i n gi t e m s ： f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l eo fl a s e ri n n e rc u t t i n gr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i n c l u d i n ge n u m e r a t i n gt h ef u n c t i o na n dc h o o s es t a n d a r do fl a s e rb e a n ，t r a n s p a r e n tm a t e r i a l a n dn cs y s t e m ；a n dd e s c r i b i n gt h em a i n l ys t e p so ft h i sr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u e ，t h e y a r ed e s i g n i n gs c u l p t ，g e n e r a t i n gc o d e s ，p r o c e s s i n gp a r t ，r e m o v i n gu n w a n t e dm a t e r i a l s e c o n d l y , b a s e do ns o m et h e o r yo fm e d i u mt r a n s m i s s i o no p t i c s ，i tc a nb ec a l c u l a t e d t h a tt h ep o w e rd e n s i t yo ft h el a s e ri ss os l i mb e f o r er e a c h i n gt h ef o c u si nt h et r a n s p a r e n t m e d i u m ，t h a tt h el o s so fe n e r g yi sa l s ov e r yl i t t l e at h e r m a lf i e l de q u a t i o ni ss e tu pi nt h i s p a p e rt or e v e a lt h er u l eo ft e m p e r a t u r ea g a i n s tt i m ea h dl o c a t i o n t h e naf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ni sm a d eo nt h e r m a lf i e l dc a u s e db ym o v i n gl a s e r , a sar e s u l t ，t h eo u t c o m ei s w e l lc l o s et ot i l ep h e n o n l e n at h a ta p p e a r e dd u r i n gt h ee x p e r i n a e n t s f h e n ，s o m et e s t i n ga n da n a l y s i sa r em a d et og e tt h ep r o t o t y p i n gp a r tf r o mt h e t r a n s p a r e n tm a t e r i a le a s i l y f i i r ，r a m a n ，s e m ，a n dx p sa r eu s e dr e s p e c t i v e l yo ns a m p l e c u tb yl a s e r m o r e o v e r , t h ed e s t r o yf o r m sc a l la l s ob ei m p r o v e db yc h a n g i n gt h el a s e r p o w e ra n ds c a n n i n gs p e e d t h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h ，s o m ea s s e m b l e d w o r kp a r a m e t e r sa r ef o u n dt ob eh e l p f u lt og e tc u t t i n gs u r t h c ew i t hh i g hq u a l i t y f i n a l l y ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gl a s e ri n n e rc u t t i n gr pt e c h n o l o g yi n t om a k i n gm i c r o m a c h i n ei sa n a l y z e d t h r o u g hu s i n ge x c i m e rl a s e ra n dm a t e r i a lt h a ts u i t sf o ru l t r a v i o l e t l a s e r t h ep r e c e p ti sv a l i d a t e db yp r i m a r ye x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：l a s e ri n n e rc u t t i n g t h e r m a lf i e l d r a p i dp r o t o t y p i n gt r a n s p a r e n tm a t e r i a l e x c i m e rl a s e r m i c r o p r o c e s s i n g 华中科技大学硕士学位论文 1 1 快速原型技术简介 1 绪论 制造业是国民经济的基础产业，它一方面直接创造价值，成为社会财富的重要 组成部分和国民经济收入的主要来源；另一方面为国民经济的其他部门，包括国防 和科学技术的进步提供先进的手段和喂实的后勤保障。2 0 世纪制造技术的迅速发展 充分验证了邓小平同志的“科学技术是第一生产力”这一精辟论断，也显示出科学 技术的进步在制造技术体系中越来越起着支配作用。随着知识经济的发展，产品的 知识含量急剧增加，更新换代加速以及计算机等新技术在制造领域的广泛渗透和应 用，2 1 世纪竞争的核心是新产品和制造技术领域的竞争。先进制造技术的出现、研 究和应用正是顺应这一趋势的必然结果。 工业经济时代标准化产品大批大量生产的模式正在被多品种、小批量的生产方 式所取代；传统的以产品为中心的生产正在转变为以顾客为中心的生产；全球经济 一体化又导致大规模的市场竞争，使得销售市场瞬息万变，商机转眼即逝。在这种 形势下，尽快交货与及早上市已经成为制造企业在竞争中制胜的法宝。为了求生存、 求发展，制造企业必须尽量加速新产品研制和丌发的过程，缩短研制和丌发周期， 以快速响应市场的变化。鉴于此，尽快将设计者所建造的产品几何模型转化成实物 模型，以赆早分析、判断设计的合理性，减少新产品研制、丌发中的失洪和弯路， 已成为一种迫切的需要。 适应这一需要，一种快速制造零件原型的技术一快速原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ， 简称r p ) 制造技术于八十年代术首先在关剐 i j 现。其要点是采用受控“牛长成形的” 方法，使计算机中设计的零件实体造型直接转换成零件的实物模型，而无需事先制 作专门的加工设备、模具及其它工艺装备。所得到的出各种材料制成的零件实物模 型可用于观察所设讨零件的外观、检验其可加二i ：性和可装配性1 1 1 。此外，帙述原型 制造也可与传统制造工艺( 如精密铸造、失模铸造或电铸等) 相结合，翻造出金属 零件，例如，金属塑性成形模具和注塑模等。近年来r p 技术已经发展到可以直接制 造金属零件。目前各种r p 方法在家用电器、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) 以及 华中科技大学硕士学位论文 电影制作等许多部门都得到了良好的应用【2 1 。大量应用实例表明，r p 技术在缩短产 品开发周期、降低开发成本方面的效果是极其明显的。其市场前景十分巨大。目前 仍然是各国在制造领域的研究热点之一。可以预料，这一领域的研究将对本世纪的 经济发展和社会进步产生十分重大的影i l l j 7 l f 9 】。 1 1 1 快速原型技术的发展状况 快速原型制造技术是根据离散堆积原理，可以由计算机三维立体模型( c a d 实体模型) 经过单一加工过程快速地制造出形状、结构复杂的实体模型。与传统的 铸、锻、轧、焊、车、铣、刨、磨等一系列加工过程相比，快速原型制造技术大大 缩短了新产品开发的周期并降低了研发成本，因此具有很大的优越性，属于一种快 速发展的先进制造技术。还必须看到，随着制造精度的不断提高，快速原型制造技 术必将向微型零件制造方向发展，从而为微制造技术和微型机电系统( m e m s ) 的发 展做出新的贡献，而这又是一个极富发展前途的新兴技术领域。 快速成形制造技术( r p m ) 的发展历程并不长。国际上首台r p m 设备1 9 8 7 年诞 生于美国，是由美国3 ds y s t e m s 公司制造的r p m 系统s l a 1 ，这是一套采用立体 印刷法的快速成形制造系统。从此r p m 技术在世界上正式出现并获得了迅猛的发 展，表现出极强的生命力。美国在该技术领域一直处于领先地位，同本和欧洲等工 业发达国家都投入了大量资金进行研究与开发。1 9 9 8 年在我国上海举行的第七届国 际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、新加坡等国都展出了自行研制的 先进r p m 设备。当前r p 已成为许多国际学术会议的热点主题，这些会议极大地促 进了r p 技术的发展和应用p 】。 由于用r p 技术确能屁著地缩短新产品丌发时阳j 和丌发赞用，因此，自从3 d s y s t e m s 公司推出它的第一代商用快速原型制造系统s l a 1 以来，r p 技术得到了异 乎寻常的迅猛发展，在各种形状复杂的零件制造中获得了愈来愈广泛的应用。美国 早在1 9 9 5 年8 月，就有4 5 项与r p 有关的研究得到了政府资助，资助经费超过了 4 5 0 0 万美元。日本、欧洲诸国也投入大量财力，资助相关的研究【l o j 。 我国作为发展中的国家，制造业肩负着历史遗留下来的沉重包袱，又面临着加 入世贸组织后在国内外市场竞争中的严峻挑战，寻求新的技术支持，以提高其市场 竞争能力的迫切性更是强烈。因此，近年来我国制造业和政府有关部门也十分关注 快速原型制造技术的发展，并资助了某些研究项目。我国r p m 技术的研究始于1 9 9 1 年。清华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航天大学等高等学校和北7 京隆源快速成形公司、广州中望商业机器有限公司等都在r p m 技术的研究与应用方 华中科技大学硕士学位论文 面取得了显著成果。这些成果包括r p 理沦、c a d 数据处理软件、r p 工艺原理、方 法及控制技术、成形设备、成形材料以及成形精度等方面【4 l 。几年来，我国r p m 技 术飞速发展，已研制出与国外s l a ( 立体印刷) 、l o m ( 分层实体制造) 、s l s ( 选择性 激光烧结) 、f d m ( 熔丝沉积制造) 等工艺方法相似的设备，并逐步实现了商品化，其 性能达到了国际水平。 伴随着快速原型制造产业的发展，相关的研究工作及学术活动也在大力展丌。 概括起来，在r p 领域当前主要的研究热点是：新型r p 方法的丌发、原有r p 工艺 的改进与效率的提高、优质r p 材料的研制、r p 设备与软件的丌发、r p 制件精度的 提高、以及r p 的新应用领域的丌拓等。 1 1 2目前相对成熟的快速原型工艺及其缺陷 快速原型制造工艺的改造和创新r p 技术是汇集c a d c a m 技术、数字控制技 术、激光技术、新型材料科学等诸多技术为一体的一项综合技术。经过十来年的研 究和发展，推出了数十种r p 加工方法和工艺，仅就基于分层制造的加工工艺一项就 有3 0 种之多，目前比较成熟并流行使用的分层制造工艺有如下几种【5 】【6 】： ( 1 ) 光敏液相固化法( s l a ) ：用激光束对液态光敏树脂进行逐层扫描固化，最后 形成三维实体。 ( 2 ) 选区粘结法( l o m ) ：用加热辊和激光束对背面涂有粘结剂的纸、塑料带等进 行逐层粘结和切割以形成产品各层轮廓，经各层叠加以形成产品原型。 ( 3 ) 熔丝沉积制造法( f d m ) ：通过用逐步送进热融性塑料丝的方法，堆积形成产 品的各层轮廓。 ( 4 ) 选区激光烧结法( s l s ) ：用激光束对塑料粉或金属粉进行扫描熔化，从而构 成零件的各层轮廓。 快速原型技术对于加速新产品的研制丌发过程具有重要意义，因此一经出现， 立即引起各国产业界和政府部门的重视，相继投入人力与财力，进行研究与开发。 目前仍然是各国在制造领域的研究热点之一。总的说来，现有的快速原型制造技术 还有以下局限性或不足1 8j i “1 ： ( 1 ) 加工周期长。在加工过程中，激光束必须进行“体扫描”，而为了提高原型 制作精度，激光束在焦点处的光斑直径就必需作得很小，一般只有0 1 m m 左右( 甚至 还要小) ，要以如此微小的斑点充填整个零件实体，其扫描路径势必很长，因而加 工周期长。一个尺寸较大且较为复杂的零件，往往需要几天甚至一个星期才能制作 完成。并且，耗费的能量也较大。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 加工精度不高。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( l o m ) 中箔材( 如纸张) 的变形等原因使得零件原型的精 度或精度稳定性受到影响。 ( 3 ) 设备投资大。各种快速原型技术无一例外地需要升降台及其他辅助机构，必 须采用专门设计的设备，设备投资大。 1 2 激光内割快速原型技术 本文将介绍一种与现有快速原型技术完全不同的新颖的快速原型方法激 光三维内割快速原型方法。其基本原理将在第2 章中详细介绍，从工艺流程上及前 期试验的结果上看，这种成形方法，与前面提到的几种快速原型方法相比较，具有 以下优点； ( 1 ) 可以提高成形速度。与“聚点成形”一类的快速原型方法相比较，本方法 只需在零件模型表面进行“面扫描”，而无需深入零件实体进行“体扫描”，因此， 它的生产效率较高。 ( 2 ) 可以提高零件原型的精度及形状稳定性。现有的一切r p 方法均是采用逐步 累积材料的方法来制作零件原型。无论是“聚点成形”还是“层叠成形”的r p 工艺， 其原型都是由大量的点材或片材经粘结、烧结或焊接而堆积成形；点材或片材本身 的精度及其均匀性、以及其间的粘结剂的稳定性都会影响最终成形的零件原型的精 度或形状稳定性。可是，惟有此项研究所提 l 的方法中，零件模型是山整块的原始 坯料切制而成，其性能均匀、稳定、精度保持性高。 ( 3 ) 可以提高r p 制造的技术兼容能力。以此方法制作零件原型，既可以采用特 别研制的专用设备，也可以在一般数控机床i - f i g 备激光系统进行“无刀其切削加工” ( 因为本方法与现有的其它快速原型方法不嗣，它并不需要升降台等辅助机构与设 备) ，而且，与切削加工相比，由于无宏观切削力的作用，更有利于提高加工精度； 可以采用常j ； i ! 切削加工的数控程序米驱动帆床( j l 需要一次进刀，1 f l i 不必像切i j o j h 工 那样，需要以分层多次进给的方式来趋近最终的成形表面) ；也可以借用现有快速原 型方法中典型的“面化”与“切片”程序，生成零件薄片，而激光焦点只要沿切片 的边界扫描，不必“填充”薄片的内部。 ( 4 ) 可加工出形状十分复杂的样件。与现有各种表面激光切割加工方法相比，本 方法可以一次成形，加工出形状十分复杂的样件，甚至可以加工出层层嵌套的多层 壳体或者装配体。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 可以降低成形能耗，减小环境污染。本方法只是将坯料上的余量作为一个整 体，加以切割分离，与普通的金属切削加t 方法不同，它并不将余量部分的材料切 成碎屑，而是将能量集中消耗于形成新的表面。另外所制作原型零件过程中的余料 均可回收利用，对环境污染小。 ( 6 ) 便于_ 雨j i 造金属件。此方法可以在一次扫描后同时制造：u 1 9 】模和阳模，有利于 金属零件的翻造。 ( 7 ) 可以降低成本。所采用的激光器和工件材料多为普及品，系统建造和运行的 费用比较低。 由以上几点可以看出，采用此项目所研究的方法进行零件原型的制作，具有高 效率、低成本和较高成形精度的特点。因而，在一定程度上可以克服现有其它快速 原型方法的某些局限性和不足，更好地满足现代制造业快速成形的需求。 另外必须看到，迄今我国所研究、开发和实施的所有快速原型方法均源自国外， 我们并无知识产权。本文所提出的“激光三维内割快速原型”制造技术作为我国具 有独立知识产权的快速原型方法不仅可以在国内占领市场，而且可以推向国外。因 此，与此项技术有关的产品完全有可能打入国际市场。除了作为生产原型零件的快 速原型技术外，本方法还可以在透明材料内部制作出精美的工艺图案，从而作为装 饰品或宣传品具有很好的市场前景。 1 3 课题的来源及研究任务 课题基金来源于国家自然科学基金( 5 0 1 7 5 0 3 3 ) 、国家8 6 3 基余( 2 0 0 1 a a 4 2 1 2 3 0 ) 以及高等学校博士点些金( 2 0 0 1 0 4 8 7 0 2 5 ) 的研究项目。 激光三维内割快速原型制造技术是- - i q 集激光、数控、c a d c a m 、材料、加工 等学科相互交叉的综合技术，集成了快速原型技术的原理和激光加工的精华，构成 了一种具有更高技术含量的全新的加工方法，因此在理论上具有很高的研究价值。 实质上激光内割快速原型制造技术的实现是光、机、电、仪一体化融合的典型 实践之一。该项技术可以较大程皮地克服现有各利- 快速原型技术的缺陷，在微型制造、 零件原型制造等领域，具有广阔的应用前景。 本文从这些方面出发较为完备的论述了该门技术。总的来说，本文具体做了以 下研究工作： ( 1 ) 介绍了“激光三维内割快速原型”制造技术新概念，阐述了这一先进制造技 术的原理和整个系统的工作流程。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 针对在实验过程中出现的分离性不理想以及分离后得到的零件原型表面质 量不高的问题，从聚焦激光束和透明聚合物材料的相互作用入手，研究激光在材料 内部的作用机理和材料在激光焦点扫描i j 后物理及化学性质的变化。奉文通过建立 温度场模型和分析结果为这种加工工艺提供了初步的理论依据。 ( 3 ) 根据激光参数和工艺要求选择和改进材料。工艺要求有制作零件原型和在透 明块料中制作内部图像两种，前者对材料的要求激光能透过材料表面并聚焦至内部 而且扫描完成后的表面有良好的分离性；后者则要求材料本身透明性好、亮度高， 然后激光扫描届线条细腻、纹理清晰、美观。 ( 4 ) 利用激光内割快速原型技术的原理，论证并初步尝试了采用聚焦光斑更小的 准分子激光制作微型零件的可行性。找到了可以用准分子激光进行内割微细加工的 材料，并通过初步的实验验证了该方案具有可行性。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 激光内割快速原型技术的原理和实现 2 1 激光内割技术概述 激光内割系统的基本结构如图2 - 1 所示，激光三维内割快速原型制造技术的要 点是将激光器发射的脉冲激光束先经扩束、准直，然后聚焦于透明材料内部：通过 控制激光的强度，使焦点处的材料发生熔融、碳化、灰化、气化或发生降解，或者 形成微孔，强度大为减低；而在焦点之外的区域则由于激光强度较低，对材料不产 生实质性的影响；以数控技术按计算机中零件的实体造型，控制激光焦点在材料内 部沿零件造型的表面移动，形成分离层。沿分离层将属于零件模型的材料与其余部 分分离，就得到零件的原型。 3 2 1 4 5 6 数控l 作台2 零俐：外廓3 聚焦透镜 4 激光束5 透明块料6 激光焦点 | 生i2 - 1 激光内割原理简幽 实现激光三维内割快速原型制造技术的主要流程包括造型设计、代码生成、焦 点对刀、去除余料等几个部分。以下结合图2 - 2 所示球形零件制作过程介绍激光内 割快速原型技术的主要操作步骤： 1 ) 采用三维c a d 软件零件设计造型或通过反求设备以“测量一拟合一建摸” 的途径，或者用特征输入法在计算机中构造零件的三维实体模： 2 ) 采用通过c a d c a m 软件自动生成加工编码或人工编制数控加工编程方法， 得到能被数控系统识别而且代表加工零件表面形貌的数控加工代码； 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 将坯料安装于数控设备( 数控机床或专用数控装置) 上，将激光束先行扩柬， 然后聚焦于坯料内部适当的位置，浚点根据要加二【_ ：的零件的形状用j 火小决定； 4 ) 启动所述模型的加工程序，数控设备带动所述坯料运动，使激光焦点在坯料 内部假想零件的轮廓表面进行扫描和切割。这罩的扫描路径是由加工代码所用的坐 标系决定的，用户可以根据零件的形状特点选择笛卡儿坐标系或者圆柱坐标系。在 采用直角坐标时，扫描过程从离激光源最远的横截面的轮廓线开始；在采用圆柱坐 标时，扫描过程从离z 轴最近的轮廓线开始，逐层使得零件实体与其余部分材料分 离，最后形成一个三维实体的原型； 5 ) 将包围在零件原型外面的材料以激光切比分割平面后沿这些平面剖丌，即可 将零件原型取出；处于零件原型内腔的多余部分材料，则同样以上述方法割成小块， 以便取出。对于得到的原型零件，可根据需要进行少许后处理，然后用电铸等方法 还原成金属件。 坯料 图2 - 2 球形零件的制作过程 l 华中科技大学硕士学位论文 随着对该技术研究的日益深入，发现该工艺除了作为快速原型技术用来制造原 型零件外，还可以在透明材料内部雕刻出纹理清晰、线条均匀的图案。这种方法与 当前市面上存在的水晶玻璃内雕工艺品有很大的相似性，但因为水晶玻璃内雕的是 由离散的点组成的，不能重现物体的本来面貌。相比而言，前者得到的内部图案更 加具有观赏性和收藏价值，因此更具有市场前景。另外结合三维造型技术的完善， 该方法可实现立体照相的功能。当然该工艺在这方面的一个需要改进的地方就是所 用材料的透明性不及水晶玻璃高。材料的选择和透明度改进问题也是本文研究工作 的一部分，后面有关章节还要详细阐述。 2 2 激光内剖系统的构成 由图2 1 可以看出，实现激光三维内割快速原型制造技术的设备主要由以下部 分组成；激光器，光路，数控设备以及透明材料，下面就这几个组成部分的性能和 要求作详细介绍： 2 2 1 激光器的选择 对于激光器来说，选择的依据主要是所产生激光的波长。而激光内割快速原型 技术作为一种要推广并形成市场化的技术来说，其配件之一的激光器必然是目前激 光加工常用的类型。目前用来加工的激光器所输出的光束不外乎紫外光、可见光和 红外光。紫外激光器大多用来制作微型零件，因为紫外光对大部分透明材料都有很 高的透过率，而且成本很高。可见光波段的激光器大多是由红外激光倍频得到的， 例如红光和绿光，效率很低。1 f i j 且能量密度低| 】便足焦点处也彳i 能使材料发生变性， 达不到“内割”的效果。红外激光器中发展相对成熟而且应用广泛的有波长为1 0 6 u m 的c 0 2 激光器和1 0 6 u m 的n d ：y a g 激光器i i ”。通过实验发现，c 0 2 激光器所发 出的激光很难入射到透明材料内部，激光能量在材料表面就儿乎被全部吸收。n d ： y a g 激光器所发出的波长为1 0 6 4 r i m 的激光就对大部分透明材料有较高的透过率和 适当的吸收率。激光脉冲持续时间很短( 一般约为1 5 0 n s ) ，而且其聚焦光斑可以小到 1 0 0 微米，因此，其能量在时间上和空间上是高度集中的。激光照射区域里的化学 键迅速裂解，光解的物质发生微爆炸，形成空隙，起到局部切割作用。这个过程发 生的很迅速，工件上的热传导时间很短，故对加工侧壁和周围结构的热损伤很小。 因此，切割与成形的精度很高。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 光路系统设计 通过对激光器及附加光学系统的仔细调试，使其光束尽可能地接近基模，使激 光在坯料内部尽可能准确聚焦，焦点尽可能小，而激光功率、脉冲频率等参数尽可 能与坯料的性质相匹配。这样，激光焦点才会像一把锋锐的“刀具”，在坯料块内 部进行切割，从而得到光洁的剖分面。 1 激光器2 扩束系统3 聚焦镜4 聚焦光斑 图2 - 3 光路系统简图 按照激光内割技术的原理，激光在经过聚焦透镜前的传输过程中，功率密度要 尽可能的低同时光束要尽可能宽而且均匀。而准直系统可使光束的发散角0 比准直 前的发散角小，当聚焦镜的焦距一定时，由公式【1 3 l 。 d = f a( 2 - 1 ) 可知，聚焦光斑的直径可变小( 上式符号的具体意义见图2 3 ) 。从而可提高加工精度。 另一方面，该光路可使进人材料的光束功率密度在非焦斑处降低，从而使得激 光对非焦点处的材料不发生破坏性作用，而只对焦点处的材料产生破坏性作用，达 到内部加工的目的。 2 2 3 数控系统 数控装置的功能是控制激光焦点在材料中沿零件造型外表面进行扫描，实行内 部切割。计算机中的零件3 d 实体造型经过数据处理变成面化的模型，然后通过计 算机“切片”将面化模型切成一系列横截面，激光束穿透毛坯聚焦于横截面的轮廓 线上，数控装置使激光焦点沿横截面的轮廓线进行扫描和切割，使得零件与其余部 分材料分离。 扫描过程从离激光源最远的横截面轮廓线开始，此层分离后，工作平台沿z 方 向移动一段距离，使激光束聚焦与第二层横截面的轮廓线上，进行第二层的扫描， 此过程重复至最后一层横截面的轮廓线被扫描，便使得整个零件与其余部分材料分 离，最后形成一个三维实体的原型。因此只要满足上述功能的普通数控系统即可， 如果实验的精度要求和稳定性要求高的话，可以相应的改善数控设备。数控机床需 1 0 华中科技大学硕士学位论文 要按照所制作原型的表面形状以及剖分面的位置进行编程。虽然所采用的数控编程 方法与一般数控加工或r p 制造中的数控编程并无实质上的差异，可是在加工复杂 零件或者对精度要求高的情况下，编程时还需要专门加以考虑深效应、边际效应、 折射和自聚焦效应等特殊因素。此外，由于激光焦点在坯料中的扫描路径往往是不 连续的，因此激光束的开关也要通过机床数控系统实时控制。 2 2 4 透明材料 并非所有材料均能满足“激光三维内割快速原型”制造技术。激光与材料的相 互作用告诉我们，不同的材料对不同波长激光的吸收率和透过率不同。能满足“激 光三维内割快速原型”制造技术的材料需要满足以下要求： ( 1 ) 对于该波长的激光具有适当的透明性：当未聚焦部分的光线通过材料时， 由于能量密度低，材料对于激光的吸收率也低，穿过的光线对于材料的性质无影响， 激光本身的衰减也比较小。 ( 2 ) 在焦点处的吸收特性：在焦点处由于能量密度高，材料对于激光的吸收率 上升，引起材料发热、变性，透明度下降，吸收率上升，发热增加，以致被烧融。 ( 3 ) 熔融以后的碳化或气化：所采用的有机材料在熔融以后应发生碳化或气化， 使该处的联结强度大为下降或生成孔隙。 经过大量的试验证明，对于波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光器来说，有机玻 璃( p m m a ) 、聚碳酸脂( p c ) 、聚苯乙烯( p s ) 等透明材料都能满足以上要求。但分子 链结构的不同决定了它们在激光内割后的作用效果的差异：有机玻璃本身的透明度 好，对该波段激光的吸收率也适合于激光内割加工，但由于这中材料比热太小，激 光扫描后出现小范围的炸裂现象，影响加工精度：聚碳酸脂透明度稍差些，但激光 扫描后的零件表面效果好，基本不失真，但这种材料本身的强度和韧性太高，很难 顺利的把内部加工完的零件顺利取出来。聚苯乙烯透明度居上述两种材料中问，扫 描后线条清晰，而且容易把零件从材料内部取出来，是目前应用最广泛的材料。 2 3 激光内割加工实例分析 下谣通过两个简单的加工实例回顾一下激光内割技术的工艺流程，这两个例子 虽然简单却代表了激光内割快速原型技术目前的两个主要应用领域，即制造原型零 件和制作内部图像。然后分别结合这两个实例发现激光内割快速原型技术目前需要 解决的问题。 华中科技大学硕士学1 位论文 2 3 1 平面内割过程 在长方体有机玻璃中切割一个币方形分离而。首 先规划走刀路径为图2 _ 4 所示的折返线。光栅式扫描 填充算法是进行逐行扫描，此扫描方式为在切片后所 得到的截面轮廓线的范围内，以直线的方式进行扫 批，当扫描完一行后，偏移一个合适的位移量后进行 第二行的扫描，直至截面轮廓线范围内所有区域扫描 完毕则扫描结束；然后根据扫描路径编制数控加工程 序，本实验采用的大部分数控系统通用的g 代码编 程i 最后运行数控加工程序加工。 2 3 2 立体内剖过程 图2 - 4 平面加1 ：的走刀路径 在实现内割平面的基础上，尝试在一立方体材料内部，切割出一个小立方体。 工作流程和切割平面相似，这里因为是三维对象，要分层处理。首先分析加工对象。 形成切片，并规划走刀路径。这里的扫描对象是三维的，因此首先把上下方向分成 等间距的许多平面，然后在各平面上按照平面切割的方法进行走刀，先加工最下面 的平面层，然后依次上升。 图2 5 为用激光在有机玻璃中切割一个立方体 的实验结果，从图中可以看出，只要激光参数与激光 焦点的扫描速度匹配，就可在有机玻璃中切割出一个 完整的几何图案，每个平面也是比较平整均匀的。只 要能进一步提高激光的质量，如使使激光聚焦光斑更 细小等，则可切割出相当满意的几何造型。 幽2 5 内割得到的立方体 2 4 本章小结 本章简要介绍了“激光三维内割”制造技术的基本原理、工艺过程、技术意 义以及研究内容。激光内割快速原型技术是将激光技术、材料科学、数控技术有机 结合，提出了一种全新的快速原型制造方法。该方法的特点是将激光光束聚焦于材 料的内部，在数控设备驱动下使激光焦点在材料内部切割材料。从而达到了真正的 无刀具三维切割加工，并且可以加工形状任意复杂的工件原型，加工过程不受工件 几何形状复杂性的影响。 华中科技大学硕士学位论文 激光内割快速原型制造技术要研究的关键问题包括透明材料的制备，运动平台 的运动速度与激光参数的匹配、加工过程中激光的在线控制、产品的后处理等几个 方面。目前对于激光与物质的相互作用的研究多集中在当前激光技术与金属材料的 作用，而且常用的加工方法已相当成熟，l ：已应用于生产实践，而关于激光引i i 金属 材料相互作用机理的研究尚不完善。随着本项目的深入进展，必将推动激光与非金 属的相互作用这一领域的发展，从而扩展激光加工的应用范围。 该技术的市场前景很好，在家用电器、汽车、玩具、轻工产。凯建筑模型、医 疗器具、航空航天、工业造型、电影制作等领域都能得到广泛的应用。另外，因这 种快速原型制造方法具有生产周期短、加工精度高、系统成本低等优点，因而越来 越受到青睐和关注。 华中科技大学硕士学位论文 3 聚焦激光在透明材料内部的作用 将激光聚焦于透明材料内部，利用其高能量密度的焦点对透明材料作用可以 使焦点处材质发生变性。利用透明聚合物材料在其内部激光焦点处的变性可以作 为一种快速原型的工艺方法。第二章所描述的激光内割技术已经初步验证了该工 艺的可行性。 当尚未聚焦的光线通过材料时，出于能量密度低，材料对于激光的吸收也较 少，温升小，光线穿过材料对材料不产生影响，激光本身的衰减也比较小；但在 焦点处由于激光能量在空间和时间上的高度密集，使得焦点处的材料迅速被熔融、 炭化、甚至气化，从而实现了内部的局部加工。 激光与透明高分子材料的相互作用机理是“激光三维内割”制造技术的理论基 础。影响激光三维内割质量的因素很多。很显然，激光光束的聚焦光斑大小以及焦 深会影响到激光三维内割表面的精度；此外，激光峰值功率的大小、扫描速度、激 光器的稳定性，都会影响到激光三维内割的质量。本章结合实验过程中出现了原型 零件和加工块料之间的分离性不理想以及分离后得到的零件原型表面质量不高的问 题，来寻求“激光三维内割”制造技术中相对较优的关键参数，以提高激光三维内 割的加工质量。解决上述问题的途径在于从聚焦激光束和透明聚合物材料的相互作 用入手，研究激光在材料内部的作用机理。本章通过建立温度场模型和分析结果为 该技术提供了初步的理论依据。 3 1 激光束汇聚于材料内部的过程 激光与材料的相互作用是一个复杂的物理过程，根掘所研究问题的性质，可以 用经典的、半经其的、以及纯量子力学的方法进行讨沦。然而本课题感兴趣的是激 光与透明材料相互作用下的宏观热效应，它是大量微观过程的累积结果。在宏观尺 度下，实际材料被视为具有某种热物性的连续介质，激光对这种材料的扫描过程可 以看作材料在激光的作用下吸收部分光能，并将其转化为热能，再从辐射区域向周 围介质扩散的过程。激光束经过扩束雨i 准直系统后变成了平行的柱状光束，然后经 过聚焦透镜入射到透明材料内部直到在焦点处汇聚。激光入射到材料表面后，激光 的能量一部分在表面反射；另一部分进入到材料内部。另外进入材料内部的激光能 1 4 华中科技大学硕士学位论文 量有一部分被材料吸收，另一部分透射掉。 为了便于讨论，这里用激光的功率来描述激光能量的损耗。假设激光的初始功 率为岛，垂直照射到透明材料的表面，显然从表面将反射掉一部分功率只，如果把 r = 。称为物体的反射系数，那么入射到透明材料内部的激光功率为一彤岛。由 于材料的i 吸收和散射，进入材料的激光束在传播过程中将有郜分功率损失掉，因此 在辐射的前进路程上，激光的功率将有所下降。对于沿垂直于物体表面的z 方向前 进的激光束来说假设物体的性质是均匀的，设激光束在z 处前进出距离时，功率 下降为静，则激光束的功率衰减率d 应与出成正比【1 4 1 ，即： “o 名= 一a 出( 3 - 1 ) j 其中a 为比例常数。解上述微分方程得到辐射在物体内的衰减规律 p = 只( 1 一r ) e x p ( - a z )( 3 - 2 ) 陶3 1 激光求往透明材料内部的汇聚 式( 3 2 ) l j ，比例常数爿代表辐射在物体一i l i 】u 进单位长度寸所巡受的辐划功率的损失 率。它是由材料本身的性质和入射激光的波长所决定，因此一旦系统的材料和激光 光源确定，a 就足一个常数，它的量纲足跃度的倒数。 经过透镜汇聚的激光束到达透明材料表面时，入射的激光束由于透明材料本身 折射率比空气大，因而使得实际焦距比透镜本身的几何焦距要大些，如图3 1 所示， 实际焦点的位置比几何光学焦点的位置有所下移。这里聚焦透镜的焦距为厂，通过该 透镜的光束直径为d ，透镜距离透明材料表面，材料的折射率为，l 。根据相似几何 华中科技大学硕士学位论文 关系有 mf l 必， ( 3 - 3 ) 解得 m；d(if7-一o(3-4) 1 ， 而z 与口有如下关系 卵= 多= 等 ( 3 s ) 根据光密介质折射率的定义和三角函数关系有 蓟n a = 8 i n 卢。赢 3 6 由式( 3 - 6 ) 求出培p 的表达式然后代入式( 3 5 ) 就求出了光束从入射到材料表面到汇聚 到焦点所经过的距离为 22 号( f - 1 ) c t g 卜n 丽芬j p ， 本实验采用n d ：y a g 脉冲激光器；所用材料为无色透明的聚苯乙烯压块坯料， 有关的性能参数为【”i ；材料的折射率n = 1 6 0 ；r = 0 0 5 ；爿= 1 0 8 c m 。另外1 = 1 0 m m 。 代入式( 3 - 7 ) 得到了上述求得2 - 一5 0 m m 最后将上述参数代入式( 3 2 ) 求出激光焦点处的实际功率：p = 0 9 1 p o 实验中激光采用高斯光束，模式设置为基模，这样得到激光束的初始功率为i w ， 对于透明高分子材料来说，要使与激光相互作用处升温至熔融，所需的功率密度大 约为1 0 2 1 0 3 w e m 2 。根据功率密度的定义，若入射到焦平而上的激光功率为p ， 聚焦光斑面积为s ，则光功率密度为： f = p s ( 3 8 ) 由于聚焦光斑大多为圆形，所以又通常表示为：f ；芒 ( 3 9 ) 其中p 为激光功率，d 表示激光在某作用面上的光斑直径。根据式( 3 - 9 ) 可计算出使材 料内部的光照区域发生显著升温的最大光束直径d e 2 r a m 。激光焦点处的束腰直径显 然可以满足这个光斑大小的要求。 当未聚焦部分的光线通过材料时，由于激光的光斑面积大，能量密度低。高分 子聚合物在红外光谱范围内的吸收来自聚合物中基团的振动，因此对于激光的吸收 】6 华中科技大学硕士学位论文 率也低。加上热量向光线周围的传导和散射，光线通过的区域温升幅度很小。而在 聚焦光斑处，由于材料的导热系数很小，功率密度的很高，使该区域的材料在短时 间内温度大幅度上升，引起变性n 6 1 。 3 2 静态瞬时激光热源的温度分布 激光柬加工，特别是激光在透明材料内部切割足一个非常复杂的过程。有很多 因素，如光束功率、光束直径、光斑的功率分稚、以及材料热物理性质、切割速度、 边界条件、材料对激光的透过率、吸收率和折射率、以及激光在材料内部的自聚焦 效应等，都能明显的影响激光内割加工过程的效率和质量。 另外，激光束在透明材料内部的切割过程总是伴随着热化学、光化学、热流、 和力学的问题，但激光束的切割作用基本上是一个以热作用为基础加工过程【1 9 j 。激 光之所以能作为常用的热加工的热源。主要优点在于激光束经过透镜聚焦后作用 在材料单位面积上的功率( 即功率密度) 很大。激光束所作用的加工点与组成材料 的分子原子相比尺寸大得多，因而可以把光束看作热源应用宏