激光熔覆快速制造金属零件研究与发展

论述了激光快速直接制造的国内外研究和发展现状,介绍了激光快速制造金属零件的方法,重点说明了基于激光熔覆的快速制造技术和激光制造技术涉及的关键问题:精密高质量同轴送粉熔覆系统、激光熔覆的工艺优化与稳定性和激光熔覆过程的检测与闭环控制。展示了激光熔覆快速制造的典型金属零件和应用领域。提出了激光熔覆制造进一步研究的方向。     

金属零件分层制造中表面激光光整技术的研究

分层制造在降低零件复杂度、提高制造速度的同时,也带来了其他的问题,其中之一就是所得制件的制造精度及表面光洁度难以提高,其主要精度损失就是它所特有的阶梯误差,分层制造后产生的台阶必然带来精细轮廓的损失及表面粗糙度的增加,这是快速成形工艺的原理性误差. 针对这一制约快速成形,特别是快速制模技术发展的瓶颈问题,许多学者在各方面开展了相关的研究工作,提出了诸如自适应分层技术以及CNC表面铣削光整技术等.本文引入激光光整技术,利用激光对分层造型中出现的侧表面台阶进行切削修整,以提高制件的轮廓精度及表面光洁度. 以不锈钢薄板为试验对象,采用Rapido 5数控五坐标联动激光切割设备,研究了不锈钢薄板激光切割中各因素对切割表面质量的影响;重点考察了切口表面粗糙度;取得了切割的最佳工艺参数;同时结合分层制造的特点,分析研究了试验中出现的问题及解决方法.试验结果表明,在最佳工艺条件下,所得切割表面的粗糙度Ra值最高可达1～2 μm.(PE1)     

激光熔覆制备梯度功能涂层的研究现状

介绍了激光熔覆技术的特点及其在材料表面改性中的应用概况,回顾了利用激光熔覆技术制备梯度功能涂层的国内外研究现状。经分析认为,外加强化相与基材热物性差别大是导致涂层开裂失效的主要因素。利用原位合成和基于快速原型的激光直接制造技术制备梯度功能表层或构件是将来的发展方向。     

激光快速柔性制造金属零件基本研究

为激光熔覆快速柔性制造金属零件(LRFM)，研制了一种新型的同轴送粉喷嘴，制造了一些简单形状的NiCrSiB合金零件，研究了这些金属零件的微观组织、成分均匀性、硬度分布和抗拉强度。要提高激光熔覆快速制造零件的精度必须保证制造过程的稳定性，因而对整个制造过程的主要影响因素进行闭环控制。     

激光选区快速成型技术在汽车行业的应用

本文主要介绍激光选区粉末烧结(SLS)技术的原理和特点,并结合工业生产,研究了SLS快速成型和汽车行业结合的一体化技术,从而实现了从计算机三维模型到金属零件的快速制造工艺.     

用于激光快速制造的三维送粉头的设计

为满足激光快速制造的要求,设计了三维同轴送粉工作头。采用由单片机组成的控制系统控制二个步进电机以实现送粉头能绕Φ轴旋转和Ψ轴旋转,加上原有数控系统的运动配合使送粉工作头具有三维空间工作能力,它克服了普通送粉头工作空间的限制,同时还具有粉末流束焦点可调功能。此工作头用于激光快速制造能制造出轴瓦类等零件。用于激光涂敷可以完成形状较复杂零件的表面修复,如导套零件等。利用研制的三维送粉头对导套零件和不锈钢板进行了大面积激光再制造的初步试验研究,取得了良好的效果。     

激光快速直接制造W/Ni合金太空望远镜准直器

激光直接制造技术(LDM)是基于快速成形和激光熔覆技术而发展起米的直接快速柔性制造先进技术，尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件。基于太空望远镜准直器特定的形状和材料要求，运用层叠激光熔覆直接制造方法．研究了W和W/Ni合金的多道熔覆特性、微观组织和激光直接制造过程的稳定性。研究表明，W和W90Ni10多层激光熔覆时后续熔覆层的宽度会越来越窄，最终形成三角形截面；而W60Ni40和W45Ni55合金具有良好的成形效果。采用激光功率2000W，光束直径3mm．扫描速度0．3m／min，送粉速度8g／min的优化工艺参数．直接制造出高度为307mm．直径为191mm，壁厚为3mm，平行度不低于2／1000的圆柱状W60Ni40准直器，未出现裂纹和明显的气孔。结果表明激光直接制造技术可以制造出高质量的传统方法难以制造的特殊材料和形状的金属零件。     

激光在机械制造技术中的应用

激光制造技术迅猛发展,正逐渐取代传统的机械制造。本文介绍了激光在机械制造技术中的几个典型应用,激光三维建模技术有效地解决了无人自动化生产线上元件三维信息的获取问题,激光热处理技术解决了其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。另外,激光在智能识别、快速成型、焊接、熔覆涂层、微加工中也得到了广泛的应用。随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大,激光技术必将在更宽更广的领域中得到更充分的应用。     

采用区域选择激光熔化法制造铝合金模型

对采用区域选择激光熔化(SLM)技术制造铝合金(如AlSi25,AlSi10Mg,AlMgSi0.5和AlMg3粉末)模型进行了工艺研究。研究表明不同的铝合金粉末具有不同的加工阈值。当激光功率超过粉末的加工阈值时,粉末与基体之间形成致密的冶金结合,为获得致密度为100%的铝合金模型提供了可能性。不同铝合金模型的致密度随着激光功率和扫描速度的变化而变化,但是不同铝合金对孔洞以及裂纹形成的敏感性不同,这主要是由铝合金粉末的不同冶金特性导致的。经过工艺摸索,采用优化参数制造AlSi10Mg拉伸试样,经测试,其机械性能超过了该合金铸造后经时效的拉伸试样性能。表明区域选择激光熔化技术是金属模型和零件直接制造的有效方法之一。     

Nd:YAG激光熔覆快速制造技术研究

报道了Nd:YAG全固态激光器同轴送粉激光熔覆快速制造金属零件的工艺与机制。主要研究了不同工艺条件下，激光熔覆工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉量大小)对激光熔覆层宽度、高度、表面平整度和成型质量的影响规律。在此基础上，对成型薄壁墙的水平方向倾斜角度在不同功率下做了极限实验并分析了其中原因，找出了最佳的成型参数。最后，将Nd:YAG激光熔覆快速制造所制备零件的质量与CO2激光熔覆所制备的进行了对比，结果表明，采用Nd:YAG激光器制备的金属试样结合强度更高，同时，两者都高于相近成分下常规加工方式所加工试样的相应值，且均表现为韧性断裂。     

芯片制造中因缺陷扫描由激光导致的损伤研究(英文)

在集成电路芯片制造中,激光被广泛应用于缺陷扫描或者相关的光学量测工具中。未见报道低功率的缺陷扫描时,输出功率仅数百毫瓦且扫描速度很快时,会对熔点达1420℃上的硅芯片造成影响,在制造中以Compass为代表的缺陷扫描工具被广泛而无顾虑地应用在芯片制造中。然而通过在动态储存器制造中的一个低良率事件,介绍了缺陷扫描及动态储存器的基本原理,并指出在378mW输出功率时,缺陷扫描能将电容表面硅重熔,导致电容结构被破坏。通过试验、计算指出输出功率≤100mW是安全使用功率,为芯片制造业界提供了关于表面材料为硅、氧化硅、氮化硅使用指南,避免了因Compass为代表的缺陷扫描工具广泛应用带来的额外损伤,并为以后的芯片激光快速热处理研究提供了损伤研究依据。     

激光烧结快速成型系统中激光电源开关的设计和激光动态响应时间的测试

根据激光烧结快速成型系统的要求,提出一种封离式ＣＯ２ 激光器的激光电源开关设计,并通过激光管内预燃电流,使激光动态响应时间达到激光烧结快速成型系统扫描精度的要求。     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

超快激光精密制造技术的研究与应用

超快激光以其超短的激光脉冲、超高功率密度、较低的烧蚀阈值、加工超精细及可实现冷加工等特点,近年来受到国际学术界和工程界的广泛关注。本文梳理了超快激光精密制造技术的发展历史,综述了超快激光精密制造技术在表面加工及三维加工领域的工艺研究及应用进展,并介绍了超快激光精密制造装备在国内外的研制情况,对今后超快激光精密制造技术研究的发展趋势进行了探讨和展望。     

激光清洗监测技术研究进展(特邀)

激光清洗技术具有非接触、精度高、对基材损伤小、绿色环保等众多优点,在智能制造中发挥越来越重要的作用。随着激光清洗技术的发展,对激光清洗质量的快速检测及精准评价的需求越来越迫切。在激光清洗过程中,激光与待清洗层、基底发生作用,通过采集分析激光与物质相互作用过程中产生的光、声等信号和表面特性变化,可以实现对清洗过程和清洗效果的实时表征,完成对激光清洗的监控,目前逐渐被广泛地应用到自动化激光精密清洗过程中。文中分析和总结了声波监测法、光谱监测法和图像监测法等激光清洗监测技术的工作原理及研究进展,展望了激光清洗监测技术的未来发展趋势。     

分布式曲面设计和快速原型制造中的模型描述

在分析分布式曲面设计和快速原型制造特点的基础上,建立了曲面协同设计和快速原型制造的基础信息框架.针对自由曲面的设计要求和快速原型制造的特点,提出了采用三角网格模型作为曲面的描述方式.此描述方法分别采用自定义数据格式T和CMESH作为系统格式和网络传输格式,采用STL格式作为快速原型制造的数据格式.在设计了三种数据的转换方法后,通过实验验证了文中所提模型描述方法,实验表明,采用此方法可以使网络数据传输量减少为1/12,满足分布式曲面设计和快速原型制造的要求.     

五轴框架式机器人激光加工系统轨迹算法研究

在集成化智能激光加工系统工作原理的基础上提出了五轴机器人的激光加工轨迹算法。将三维离散数据点集拟合为空间参数曲面 ,在此参数曲面上规划五轴激光加工的等距轨迹。给出了冲压模具激光强化加工实例 ,取得了理想的加工效果。     

新型材料InGaNAs的生长与应用前景

详细介绍了一种新型半导体材料(InGaNAs)的生长特点及其在制作高特征温度的长波长量子阱激光器、长波长垂直腔面发射激光器、长波长光泵垂直外腔面发射激光器、半导体可饱和吸收镜和长波长谐振腔增强探测器方面的优势。     

高能激光单晶硅反射镜纳米精度控形控性制造技术

单晶硅反射镜是高能激光系统中的重要元件,其加工质量直接影响着高能激光系统的整体性能指标。针对单晶硅反射镜加工过程中产生的各类缺陷问题,本研究团队提出了采用超精密切削、浸没式抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密加工方法来提升单晶硅元件的加工质量,并开展了相关研究。本文主要综述了本团队近几年在单晶硅制造技术领域取得的研究进展,包括单晶硅纳米精度表面控形制造技术、单晶硅纳米精度本征表面控性生成方法、纳米精度控形控性组合工艺等一系列关键技术。通过探讨高能激光单晶硅元件制造的现状与关键技术,为实现单晶硅元件纳米精度控形控性制造提供技术支撑。     

激光熔覆金属粉末直接制造砂型铸造模具的探讨

探讨了激光熔覆金属粉末快速原型技术直接制造砂型铸造用金属模具的问题.介绍了这种技术的工作原理及其特点;通过分析砂型铸造用金属模具的结构和工况特征,论证了激光熔覆金属粉末快速原型技术适用于这种模具的制造,能降低模具制造成本、缩短工期;提出了在应用中进一步轻量化、低耗化的对策.最后预计,随着各种相关技术的发展及其综合、集成度的提高,激光熔覆金属粉末制造铸造模具的轻量化、低耗化将逐步实现.