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匀化器在3D打印上的应用

作者: 时间:2021-09-30

3D打印,是指先通过计算机从SolidworksPro/ECAD 等其它建模软件生成3D模型,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而通过指令指导打印机逐层打印而叠加在一起。这种3D打印技术,不同于传统的机械加工技术的材制造——生产过程产生很多废料,它的材料利用率可高达95%,所以3D打印也叫增材制造。当下,3D打印可以应用于许多不同的加工工艺技术,其中许多是基于激光的,激光作为加热源,使材料选择性地融合,无论是熔化还是烧结状态,不同的技术导致不同级别的层内材料密度水平,也可以适用于不同的材料使用。

由于激光器自身结构的原因导致光束的发散角不同、能量分布不均匀、能量密度低、光束质量差等一些原因,限制了半导体激光器的实际应用效果。通过匀化器得到理想的光强分布,通常是均匀的和均匀的(如平顶光束分布),其设计特性由工艺参数决定。如在激光金属沉积(laser metal depositionLMD)中,由于高斯光束具有均匀的能量和较小的温度梯度,使用匀化器产生的环形光束在高斯光束上沉积时,工艺性能得到了改善。结果表明,该技术在减小工件残余应力、减少热积累、避免过度烧结和稀释、细化晶粒尺寸、提高涂层表面质量等方面具有明显的优势。

3D打印技术中,选择性激光熔化(selective laser meltingSLM)是最为被关注的技术。选择性激光熔化(SLM)技术可以采用粉末直接制造出3D形状的金属和合金。当下,由于其SLM技术的生产效率还比较低,所以提高SLM生产效率的解决方案可以让金属3D打印在很短的时间内打印出复杂的3D形状来。

研究表明具有中心光斑的环形光束可以改善熔池动力学,与一般的高斯光束更相比,熔池也更稳定。所以,匀化器选区激光熔化的技术就可以消除3D打印在工艺过程中导致物体内部的应力裂缝,从而可以以非常高的生产率生产完全致密的材料。

因为一般的高斯分布的激光能量存在的一个最大的问题就是大约有63%的能量会损失掉,仅仅只有37%的能量用于加工。这表明高斯分布的能量应用时浪费较多。很明显,如果对能量进行重新分配,并提供平顶光束或环形光束可以提高激光能量的应用效率和提高SLM工艺的加工效率。所以,通过匀化器对高斯分布的激光光束转换成其他形式的分布,以达成匀化器选区激光熔化的技术来提高效率。有研究指出,高斯分布的TEM00的分布模式可以通过光束整形变成反高斯(环形)分布或平顶光束分布,其生产效率至少提高两到三倍。

三种不能的激光能量分布模式图:(a) 高斯分布 (b)平顶分布 (c) 环形分布

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