一种多波长激光选区快速成形系统及方法.pdf

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1、10申请公布号CN104190928A43申请公布日20141210CN104190928A21申请号201410406399322申请日20140818B22F3/105200601B29C67/04200601C04B35/6420060171申请人中国科学院重庆绿色智能技术研究院地址400714重庆市北碚区方正大道266号72发明人段宣明刘洁曹洪忠范树迁郑美玲刘基权74专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司11275代理人孙方54发明名称一种多波长激光选区快速成形系统及方法57摘要本发明公开了一种多波长激光选区快速成形系统及方法，该系统包括激光光源、激光传输控制组件、激光聚焦扫描组件。

2、、成形腔室、送粉组件、铺粉组件、气体循环控制组件、实时监测组件、升降组件、粉末回收组件和计算机。该方法包括利用计算机作图软件建立几何模型，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径；对成形腔室进行抽真空，根据需要充入保护气体；利用送粉装置实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉组件在成形基板上铺覆待成形粉末；利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，使得粉末熔化形成单层结构；将成形基板降低一层，重复粉末铺覆和选择性激光扫描过程，完成设计几何模型结构的熔化成形；取出已成形结构。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说。

3、明书6页附图2页10申请公布号CN104190928ACN104190928A1/2页21一种多波长激光选区快速成形系统，包括激光光源、激光传输控制组件、激光聚焦扫描组件、成形腔室、送粉组件、铺粉组件、气体循环控制组件、实时监测组件、升降组件、粉末回收组件和计算机，其特征在于所述的激光光源包括用于提供第一波长激光束的第一激光器和用于提供第二波长激光束的第二激光器，或者同时提供第一波长激光束和第二波长激光束的激光器；所述的激光聚焦扫描组件包括分别用于实现对第一波长激光束和第二波长激光束聚焦的激光聚焦镜，用于将第一波长激光束和第二波长激光束叠加为沿着同一方向传播的共轴叠加激光束的二向色镜，以及用于。

4、实现激光在成形平面扫描的二维振镜；所述的实时监测组件包括用于监测成形熔池形貌的成像单元和用于监测熔池温度及温度场分布的温度监测单元。2根据权利要求1所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于所述第一波长激光束的波长范围为200NM11M，第二波长激光束的波长范围为700NM106M；且第一波长激光束和第二波长激光束分别为连续、脉冲或准连续激光。3根据权利要求1所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于，所述的激光传输控制组件包括用于实现激光束偏折的激光反射镜，用于分别实现第一波长和第二波长激光束扩束的激光扩束镜，用于控制激光开关的激光光闸，和用于分别控制第一波长激光束和第二波长激光。

5、束功率的激光衰减器。4根据权利要求1所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于，所述的成形腔室包括用于工件取出的成形腔室门，用于目视观察的观察窗口，用于实时监测的通光窗口，用于激光输入的激光入射窗口，以及实现气体循环和气氛控制的气体流通口。5根据权利要求4所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于所述成形腔室内设置成形基板，所述成形基板与升降组件连接，用于成形基板的升降运动；所述成形腔室底部还设置有用于回收粉末的通道，通道口连接有粉末回收组件。6根据权利要求1所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于，所述的成像单元包括用于图像采集的CCD以及用于图像呈现的监视器。7根据权利。

6、要求1所述的一种多波长激光选区快速成形系统，其特征在于，所述的温度监测单元包括用于红外热图像采集的红外热像仪以及对热像仪数据进行采集并输入计算机的数据采集卡。8一种多波长激光选区快速成形方法，其特征在于包括以下步骤1利用计算机作图软件建立几何模型，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径；2对成形腔室进行抽真空，根据需要充入保护气体；3利用送粉装置实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉装置在成形基板上铺覆待成形粉末；4利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，使得粉末熔化形成单层结构；5将成形基板降低一层，重复粉末铺覆和选择性激光扫描过程，完成设计几何模型结构的熔化成形；6清理未。

7、熔化的金属粉末，取出已成形结构。9根据权利要求8所述的一种多波长激光选区快速成形方法，其特征在于，所述的粉权利要求书CN104190928A2/2页3末尺度为10NM200M。10根据权利要求8所述的一种多波长激光选区快速成形方法，其特征在于，所述的待成形粉末包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、覆膜砂粉末、聚合物粉末。权利要求书CN104190928A1/6页4一种多波长激光选区快速成形系统及方法技术领域0001本发明涉及激光3D打印技术，具体涉及一种多波长激光选区快速成形系统与方法。背景技术00023D打印技术采用计算机设计数字化模型，并通过计算机智能控制，将材料逐层累加成型，最终实现具有三维。

8、复杂结构的实体零部件，是一项典型的数字化制造、绿色智能制造技术，在航空航天、国防军工、汽车、模具、消费电子、生物医学等领域具有广泛的应用前景。0003激光选区快速成形技术是一种高精度的3D打印技术，可以用于精密、复杂和小型零件的制造。目前，激光选区快速成形主要依赖激光选区烧结和激光选区熔化两种技术来实现。其所选择的激光能量源一般为106M的CO2激光和108M左右的光纤激光或固体激光。在快速成形制造过程中，激光扫描区域内材料出现快热和快冷过程，导致制造结构内存在较大的热应力，容易造成结构变形甚至碎裂。通过在成形腔内加入加热和保温措施能够提高成形激光能量的利用率，并减小结构内部的热应力，但是容易。

9、对成形区域外的粉末造成破坏，使得材料无法重复利用，增加结构成形成本。为了在不对成形区域外的材料造成破坏的同时减少结构内部的热应力，FABE等在激光选区熔化制造金属结构过程中利用波长为106M的CO2激光和波长为1064M的NDYAG激光，通过调节两束激光在成形面内的距离证明NDYAG激光成形过后，利用CO2激光的加热减少其温度的降低速率可以降低结构内部的热应力，参见FABE等，JOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY，2001，111，210213。史玉升等提出了利用三束激光复合扫描金属粉末熔化快速成形的方法，该发明利用第一束波长大于10M的激光预热，利用第。

10、二束波长小于11M的激光进行熔化成形，利用第三束波长大于10M的激光进行后续的热处理，加快了激光成形的速率，并降低了结构热应力，参见史玉升等，一种三束激光复合扫描金属粉末熔化快速成形方法公开号CN101607311A，公开日期2009年12月23日。但是该方法要实现三束激光先后非共点扫描，程序繁琐，而且三束激光先后扫描会降低成形效率，不同激光扫描间隔内热量存在散失，能量利用率低。JANWILKES等利用CO2激光照射面积为20MM30MM的成形区域，利用NDYAG激光在成形区域内扫描实现激光选区熔化制造了陶瓷结构，结果表明通过CO2激光的预热能够很好的减少陶瓷结构制造过程中的热应力，参见JAN。

11、WILKES等，RAPIDPROTOTYPINGJOURNAL，2013，19，5157。该方法需要大的CO2激光光斑保持长时间照射成形区域，需要激光功率较高，激光的能量利用低，而且会造成照射区域的材料的浪费。因此，迫切需要发展新的技术，在减少成形结构热应力的同时，提高成形效率和成形精度、并且减少对未成形区域材料的破坏。发明内容0004有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高精度、高效率、高性能的共轴多波长激光说明书CN104190928A2/6页5选区快速成形系统与方法。利用短波长的激光束进行激光选区熔化成形，利用与之共轴叠加的长波长激光器进行预热和后续的热处理。从光与物质相互作用来看，短波长激。

12、光束的聚焦光斑尺寸小、光子能量高，有利于提高成形过程的效率和成形精度，长波长激光束的聚焦光斑尺寸大，能够保证将短波长激光完全嵌套在内实现成形前后的预热和后续的热处理，进一步提高激光成形效率并减少结构的热应力。0005本发明的目的之一在于提出一种多波长激光选区快速成形系统，且通过下述的技术方案实现0006一种多波长激光选区快速成形系统，包括激光光源、激光传输控制组件、激光聚焦扫描组件、成形腔室、送粉组件、铺粉组件、气体循环控制组件、实时监测组件、升降组件、粉末回收组件和计算机，0007所述的激光光源包括用于提供第一波长激光束的第一激光器和用于提供第二波长激光束的第二激光器，或者同时提供第一波长激。

13、光束和第二波长激光束的激光器；0008所述的激光聚焦扫描组件包括分别用于实现对第一波长激光束和第二波长激光束聚焦的激光聚焦镜，用于将第一波长激光束和第二波长激光束叠加为沿着同一方向传播的共轴叠加激光束的二向色镜，以及用于实现激光在成形平面扫描的二维振镜；0009所述的实时监测组件包括用于监测成形熔池形貌的成像单元和用于监测熔池温度及温度场分布的温度监测单元。0010进一步的，所述第一波长激光束的波长范围为200NM11M，第二波长激光束的波长范围为700NM106M；且第一波长激光束和第二波长激光束分别为连续、脉冲或准连续激光。0011进一步的，所述的激光传输控制组件包括用于实现激光束偏折的激。

14、光反射镜，用于分别实现第一波长和第二波长激光束扩束的激光扩束镜，用于控制激光开关的激光光闸，和用于分别控制第一波长激光束和第二波长激光束功率的激光衰减器。0012进一步的，所述的成形腔室包括用于工件取出的成形腔室门，用于目视观察的观察窗口，用于实时监测的通光窗口，用于激光输入的激光入射窗口，以及实现气体循环和气氛控制的气体流通口。0013进一步的，所述成形腔室内设置成形基板，所述成形基板与升降组件连接，用于成形基板的升降运动；所述成形腔室底部还设置有用于回收粉末的通道，通道口连接有粉末回收组件。0014进一步的，所述的成像单元包括用于图像采集的CCD以及用于图像呈现的监视器。0015进一步的，。

15、所述的温度监测单元包括用于红外热图像采集的红外热像仪以及对热像仪数据进行采集并输入计算机的数据采集卡。0016本发明的目的之二在于提出一种多波长激光选区快速成形方法，且通过下述的技术方案实现00171利用计算机作图软件建立几何模型，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径；00182对成形腔室进行抽真空，根据需要充入保护气体；00193利用送粉装置实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉装置在成形基板上铺覆待成形粉末；说明书CN104190928A3/6页600204利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，使得粉末熔化形成单层结构；00215将成形基板降低一层，重复粉末铺覆和选择。

16、性激光扫描过程，完成设计几何模型结构的熔化成形；00226清理未熔化的金属粉末，取出已成形结构。0023进一步的，所述的粉末尺度为10NM200M。0024进一步的，所述的待成形粉末包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、覆膜砂粉末、聚合物粉末。0025本发明的有益技术效果是00261、本发明的系统和方法，利用短波长激光对材料进行成形，提高了成形过程中的分辨率和成形精度；00272、本发明的系统和方法，利用双波长激光共轴同时扫描，提高了成形过程中的成形效率。00283、本发明的系统和方法，利用长波长激光进行预热和后续的热处理，减小了成形结构的热应力，并且通过选择性的预热，不对未成形区域材料造成破坏，。

17、减小了材料的耗费。0029本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。附图说明0030为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中0031图1为本发明的实施方式系统结构示意图之一；0032图2为本发明的实施方式系统结构示意图之二；0033图3为本发明的一种多波长激光选区快速成形方法的流程图；0034图4为本发明中激光聚焦形成的激光光斑示意图；0035图中1第一激光器；2第二激光器；3激光传输控制组件；4激光传输控制组件。

18、；5激光聚焦扫描组件；6成形基板；7送粉组件；8铺粉组件；9实时监测组件；10升降组件；11粉末回收组件；12计算机。具体实施方式0036以下是本发明优选实施例的详细描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。0037图1为本发明的实施方式系统结构示意图之一，如图所示，该系统包括位于第一光路上的第一激光器1及其激光传输控制组件3；位于第二光路上的第二激光器2和及其激光传输控制组件4；激光聚焦扫描组件5；成形基板6；送粉组件7；铺粉组件8；实时监测组件9；升降组件10；粉末回收组件11；计算机12。0038第一激光器1和第二激光器2，分别用于提供不同波长的激光束，。

19、且第一激光器和说明书CN104190928A4/6页7第二激光器所输出的激光各通过激光传输控制组件3和4控制其开启和关闭，扩束、入射成形面的激光功率。0039所述的激光聚焦扫描组件5用于实现第一波长激光束和第二波长激光束的分别聚焦，叠加，和在成形面内扫描。0040所述的成形腔室底部设置有成形基板6，上方设置有漏斗状的送粉组件7，用于将实现粉末输送和预处理；送粉组件对应的下方设置有铺粉组件8，所述铺粉组件用于将粉末铺覆到成形基板上。0041所述的实时监测组件9包括用于监测成形熔池形貌的成像单元和用于监测熔池温度及温度场分布的温度监测单元，成像单元包括用于图像采集的CCD以及用于图像呈现的监视器，。

20、温度监测单元包括用于红外热图像采集的红外热像仪以及对热像仪数据进行采集并输入计算机的数据采集卡。0042所述的成形基板6与升降组件10连接，通过升降组件10实现成形基板6升降运动。0043所述的成形腔室底部还设置有用于回收粉末的通道，通道口连接有粉末回收组件11，用于回收未成形的粉末。0044所述的计算机12与激光传输控制组件3和4、激光聚焦扫描组件5、成形基板6、送粉组件7、铺粉组件8；实时监测组件9、升降组件10、粉末回收组件11相连，用于控制成形过程的激光开启与关闭，激光功率，聚焦焦距改变，扫描速度、成形基板升降、送粉、铺粉、熔池图像及温度数据采集，粉末回收。0045图2为为本发明的实施。

21、方式系统结构示意图之二，如图所示，该系统包括用于提供第一波长激光束和第二波长激光束的激光器1，用于实现两个波长激光束分离的二向色镜，用于光线偏折的反射镜，第一波长激光束和第二波长激光束的激光传输控制组件3和4；激光聚焦扫描组件5；成形基板6；送粉组件7；铺粉组件8；实时监测组件9；升降组件10；粉末回收组件11；计算机12。0046激光器输出的第一波长激光束和第二波长激光束各通过激光传输控制组件3和4控制其开启和关闭，扩束、入射成形面的激光功率。0047所述的激光聚焦扫描组件5用于实现第一波长激光束和第二波长激光束的分别聚焦，叠加，和在成形面内扫描。0048所述的成形腔室底部设置有成形基板6，。

22、上方设置有漏斗状的送粉组件7，用于将实现粉末输送和预处理；送粉组件对应的下方设置有铺粉组件8，所述铺粉组件用于将粉末铺覆到成形基板上。0049所述的实时监测组件9包括用于监测成形熔池形貌的成像单元和用于监测熔池温度及温度场分布的温度监测单元，成像单元包括用于图像采集的CCD以及用于图像呈现的监视器，温度监测单元包括用于红外热图像采集的红外热像仪以及对热像仪数据进行采集并输入计算机的数据采集卡。0050所述的成形基板6与升降组件10连接，通过升降组件10实现成形基板6升降运动。0051所述的成形腔室底部还设置有用于回收粉末的通道，通道口连接有粉末回收组件11，用于回收未成形的粉末。说明书CN10。

23、4190928A5/6页80052所述的计算机12与激光传输控制组件3和4、激光聚焦扫描组件5、成形基板6、送粉组件7、铺粉组件8；实时监测组件9、升降组件10、粉末回收组件11相连，用于控制成形过程的激光开启与关闭，激光功率，聚焦焦距改变，扫描速度、成形基板升降、送粉、铺粉、熔池图像及温度数据采集，粉末回收。0053图3为本发明的一种多波长激光选区快速成形方法的流程图，如图所示，该方法包括以下步骤00541利用计算机作图软件建立几何模型，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径；00552对成形腔室进行抽真空，根据需要充入保护气体；00563利用送粉装置实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉装置在成形。

24、基板上铺覆待成形粉末；00574利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，使得粉末熔化形成单层结构；00585将成形基板降低一层，重复粉末铺覆和选择性激光扫描过程，完成设计几何模型结构的熔化成形；00596清理未熔化的金属粉末，取出已成形结构。0060所述的粉末尺度为10NM200M。0061所述的待成形粉末包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、覆膜砂粉末、聚合物粉末。0062图4为本发明激光聚焦形成的激光光斑示意图。波长为200NM11M的第一波长激光束在成形面上形成的激光光斑13，波长为700NM106M的第二波长激光束在成形面上形成的激光光斑14，第一波长激光束和第二。

25、波长激光束共轴照射到成形面内，并且在成形面内聚焦。波长为200NM11M的第一波长激光束在成形面的激光光斑13小于波长700NM106M的第二波长激光束在成形面的激光光斑14，与其产生叠加并且被其环绕。波长700NM106M的第二波长激光束在成形面的激光光斑14能够实现对于粉末的预热和后续的热处理，并且在叠加区域共同与波长为200NM11M的第一波长激光束在成形面引起粉末熔化成形。0063实施例10064以下结合图1和图3，以ZRO2AL2O3陶瓷的多波长激光选区快速成形为例对本发明进行详细的说明。选用的ZRO2AL2O3陶瓷粉末为粒径在3060M的近球形的粉末。0065首先设计用于成形的陶瓷。

26、结构，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径。然后对成形腔室进行抽真空。利用送粉装置实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉组件8在成形基板6上铺覆待成形陶瓷粉末，铺覆的单层陶瓷粉末的厚度为60M。选择532NM的绿光激光器输出的激光束为第一波长激光束，激光功率为50150W；选择选择CO2激光器输出的106M的激光束为第二波长激光束，激光功率为100400W。利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，扫描速度约为200400MM/S，使得粉末熔化形成单层结构。通过实时监测组件监测成形过程中熔池的形貌及其温度场的分布。0066通过升降组件10将成形基板6降低60M，重复粉末铺覆和。

27、选择性激光扫描过程，直至完成设计结构的熔化成形；利用升降组件10将成形基板6上表面提高至进行成形前预设位置，清理未熔化的陶瓷粉末，取出已成形结构。0067实施例2说明书CN104190928A6/6页90068以下结合图2和图3，以钛合金的多波长激光选区快速成形为例对本发明进行详细的说明。选用的钛合金粉末为粒径在2030M的近球形的粉末。0069首先设计用于成形的钛合金结构，并对数据进行切片、分层，规划扫描路径。然后对成形腔室进行抽真空，充入氩气作为保护气体。利用送粉组件实现粉末的预处理和送粉，利用铺粉组件8在成形基板6上铺覆待成形钛合金粉末，铺覆的单层钛合金粉末的厚度为50M；如图2所示选择。

28、激光器输出的532NM的绿光激光束作为第一波长激光束，激光功率为3050W；选择激光器输出的1064NM的近红外激光束作为第二波长激光束，激光功率为150200W。利用聚焦的第一波长激光束和第二波长激光束同时扫描铺覆的待成形粉末，扫描速度约为300400MM/S，使得粉末熔化形成单层结构。通过实时监测组件监测成形过程中熔池的形貌及其温度场的分布。0070通过升降组件10将成形基板6降低50M，重复粉末铺覆和选择性激光扫描过程，直至完成设计结构的熔化成形；利用升降组件10将成形基板6上表面提高至进行成形前预设位置，清理未熔化的金属粉末，取出已成形结构。0071最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。说明书CN104190928A1/2页10图1图2图3说明书附图CN104190928A102/2页11图4说明书附图CN104190928A11。