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金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究

王晨光 沈显峰 王国伟 吴华玲 吴鸿飞 王开甲 陈金明

王晨光, 沈显峰, 王国伟, 等. 金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
引用本文: 王晨光, 沈显峰, 王国伟, 等. 金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
Wang Chenguang, Shen Xianfeng, Wang Guowei, et al. Principle device and experimental research of surface exposure selective laser melting for metal powder[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
Citation: Wang Chenguang, Shen Xianfeng, Wang Guowei, et al. Principle device and experimental research of surface exposure selective laser melting for metal powder[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221

金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
基金项目: 四川省科技计划项目(2018GZ0535)
详细信息
    作者简介:

    王晨光(1994—),男,硕士研究生,从事金属选区激光熔化增材制造方面的研究工作;wcg_0619@163.com

    通讯作者:

    沈显峰(1977—),男,博士,高级工程师,从事高能束流加工技术方面的研究工作;xianfeng_shen@163.com

  • 中图分类号: TN249

Principle device and experimental research of surface exposure selective laser melting for metal powder

  • 摘要: 与点扫描方式相比,面曝光选区激光熔化因具有成形效率高、残余应力水平低等优势,而成为极具发展前景的新一代选区激光熔化增材制造技术的发展方向。利用波长为915 nm的二极管连续激光器作为光源,结合电寻址反射式纯相位液晶空间光调制器,搭建了新一代面曝光选区激光熔化增材制造原理装置平台。获得了"○"形样式的面光斑曝光,基于光敏纸和低熔点金属粉末材料进行面曝光熔化成形并获得了样品,实现了面曝光选区激光熔化的原理性实验验证。
  • 图  1  面曝光选区激光熔化装置

    Figure  1.  Device of selective laser melting in surface exposure

    图  2  面曝光选区激光熔化原理

    Figure  2.  Principle of selective laser melting in surface exposure

    图  3  面曝光选区激光熔化工艺流程

    Figure  3.  Technological process of selective laser melting in surface exposure

    图  4  光路系统设计

    Figure  4.  Design of optical path system

    图  5  光源设计

    Figure  5.  Optical source design

    图  6  LC-SLM的原理

    Figure  6.  Principle of LC-SLM

    图  7  光束入射规则

    Figure  7.  Beam incidence rule

    图  8  面曝光选区激光熔化实验装置

    Figure  8.  Experimental device of surface exposure selective laser melting

    图  9  激光器电流-功率关系曲线

    Figure  9.  Current-power relationship curve of the laser

    图  10  预处理“○”光斑图案

    Figure  10.  Preprocessing pattern of “○” spot

    图  11  “○”相位调制图

    Figure  11.  “○” phase modulation diagram

    图  12  光敏纸面曝光熔化样品

    Figure  12.  Surface exposure melting sample of photosensitive paper

    图  13  SnBi58合金粉末面曝光熔化样品

    Figure  13.  Melting sample of SnBi58 alloy powder in surface exposure

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-30
  • 修回日期:  2020-10-15
  • 网络出版日期:  2020-10-19

金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
    基金项目:  四川省科技计划项目(2018GZ0535)
    作者简介:

    王晨光(1994—),男,硕士研究生,从事金属选区激光熔化增材制造方面的研究工作;wcg_0619@163.com

    通讯作者: 沈显峰(1977—),男,博士,高级工程师,从事高能束流加工技术方面的研究工作;xianfeng_shen@163.com
  • 中图分类号: TN249

摘要: 与点扫描方式相比,面曝光选区激光熔化因具有成形效率高、残余应力水平低等优势,而成为极具发展前景的新一代选区激光熔化增材制造技术的发展方向。利用波长为915 nm的二极管连续激光器作为光源,结合电寻址反射式纯相位液晶空间光调制器,搭建了新一代面曝光选区激光熔化增材制造原理装置平台。获得了"○"形样式的面光斑曝光,基于光敏纸和低熔点金属粉末材料进行面曝光熔化成形并获得了样品,实现了面曝光选区激光熔化的原理性实验验证。

English Abstract

王晨光, 沈显峰, 王国伟, 等. 金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
引用本文: 王晨光, 沈显峰, 王国伟, 等. 金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
Wang Chenguang, Shen Xianfeng, Wang Guowei, et al. Principle device and experimental research of surface exposure selective laser melting for metal powder[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
Citation: Wang Chenguang, Shen Xianfeng, Wang Guowei, et al. Principle device and experimental research of surface exposure selective laser melting for metal powder[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200221
  • 金属激光增材制造技术是一种以激光为能量源的增材制造技术,主要类型包括:以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化(SLM)技术和以同步送粉为技术特征的激光金属直接成形(LMDF)技术[1]。由于激光选区熔化(SLM)具有成形结构件精度高、成形零部件件不受结构复杂度限制、能直接成形零部件等优势,在航空航天等领域得到了广泛应用。

    现阶段主流增材制造技术均为点扫描方式,点扫描的成形效率取决于光斑直径和扫描速度[2],当扫描速度在一定范围时,存在成形效率低等问题。同时,点扫描工艺中多个熔池先后冷却易导致残余应力水平较高。基于激光面曝光退火去应力的思想[3],面曝光选区激光熔化技术有望解决点扫描方式成形效率低和残余应力水平高等问题。面曝光增材制造技术是一种新兴的增材制造工艺方法。该技术的原理是将激光光斑调制成切片形状,一次曝光即可完成当前层成型任务。该技术无需路径规划,无需焦点变动,各层由下而上顺次曝光,堆叠成形。具备成形速度快、加工成本低等优势[4-6]。现有面曝光增材制造技术的可成形材料主要为光敏树脂或陶瓷浆料[7],其共同特征是均采用液态材料、利用光固化原理实现成形[8]。而金属材料的面曝光由于具有广泛的应用背景,而成为面曝光增材制造的发展趋势,其关键在于实现高能量的熔融型面曝光。

    德国EOS对聚合物粉末材料的面曝光工艺展开了研究,采用近百万个二极管激光器组成阵列,最高功率可达5 kW,每一层都只激活与该部件的CAD数据匹配的二极管激光器,从而打印出精确的像素。劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)采用光寻址光阀(OALV)作为一种动态掩膜工具,通过将470 nm的光成像到透射型OALV上,同时耦合1064 nm激光,实现1064 nm激光选择性透过,一次打印整个金属粉末层[9]

    金属材料的激光熔化需要104~106 W/cm2的能量密度。因此,开展高能量熔融型面曝光技术的研究需要对近红外光、近红外光空间光调制器、面曝光光路等进行深入研究,使激光在不损伤光学器件的条件下选择性熔化成形材料。

    因为光寻址LC-SLM尚无商用化产品,且电寻址LC-SLM损伤阈值较低,国内面曝光选区激光熔化研究受到限制。为探究采用电寻址LC-SLM进行面曝光调制的可行性,测试并分析其熔化效果,设计了一种面曝光激光输出光路并搭建了实验装置;采用电寻址反射式纯相位LC-SLM对915 nm二极管激光进行调制整形;采用扩束系统和水冷系统降低液晶能量积累,提高损伤阈值;基于SnBi58合金粉末完成了面曝光选区激光熔化测试。

    • 本方法采用的是915 nm近红外激光,成形时,选区内材料受激光辐照,热量积累,进而熔化重凝。其成形装置如图1所示,激光在光斑调制系统中经过调制,圆点状光斑改变为具有切片形状的面状光斑,后经光路传输方向调整,垂直投影至基板或粉末表面,铺粉结束后,激光器开启曝光随后关闭,实现当前层一次性熔化成形。

      图  1  面曝光选区激光熔化装置

      Figure 1.  Device of selective laser melting in surface exposure

      表层粉末受激光辐照,发生如图2左侧所示现象,随着曝光时间的增加,选区粉末熔化。激光器关闭,发生如图2右侧所示现象,选区内熔化的粉末迅速冷却重凝。当前层成形任务完成,刮刀继续执行下一层的铺粉任务。

      图  2  面曝光选区激光熔化原理

      Figure 2.  Principle of selective laser melting in surface exposure

      基于面曝光的选区激光熔化增材制造工艺流程如图3所示,相比点扫描选区激光熔化增材制造工艺差别较小。面曝光方式省略了振镜系统,但增加了光束处理、光斑调制等模块。同时,加工文件的数据处理要求较点扫描方式更为复杂。

      图  3  面曝光选区激光熔化工艺流程

      Figure 3.  Technological process of selective laser melting in surface exposure

      面曝光选区激光熔化工艺步骤为:(1)三维模型数据预处理。将stl格式三维模型切片分层,然后将切片数据批量导出;(2)图案预处理。首先将切片数据全部转为二值灰度图像,选区灰度值为255,非选区灰度值为0。然后对灰度切片进行傅里叶变换生成相位调制图,依次加载至空间光调制器驱动器;(3)光束处理。采用扩束镜将光斑尺寸扩大,采用宽带偏振分光镜过滤非竖直线性偏振光,采用光阑对光斑进行视场限制,过滤边缘杂散光。(4)光斑调制。含相位信息的相位调制图转化为液晶板两侧电信号,液晶内部液晶分子受电压驱动从而发生选择性偏转,反射光斑呈现已加载图案形状。(5)面曝光打印。反射光斑投射在当前层粉末表面,选区内粉末受激光辐照,发生熔化,激光器关闭,熔化区域凝固。成形台下降一层,刮刀再次铺粉,空间光调制器加载下一层图案数据,随后激光器完成开关光动作,实现曝光。此过程循环至模型打印完成。

    • 图4所示为面曝光成形所使用的光学系统,包括二极管激光器、光纤、准直套件、扩束镜、线性薄膜偏振片或格兰-泰勒棱镜、圆形光阑,另需电源系统、冷却系统等。

      图  4  光路系统设计

      Figure 4.  Design of optical path system

      光路设计中的重要指标包括:光斑尺寸、光束偏振态、光斑边缘质量、极小反射角、像平面位置等。实现光斑调制需要对光束进行以下处理:扩束、偏振态选择、杂散光滤除、光斑形状信息加载与调制、光路方向调整与缩束。

      实验采用了915 nm激光器作为光源。激光光源由6支中心波长为915 nm的LD单管光源耦合而成,采用被冷式散热,输出波长为915 nm±5 nm,可实现峰值功率45 W的高效率耦合输出,亮度达7.3 MW/(cm2·sr)。激光器采用芯径100 μm/NA0.22的光纤耦合输出,配备标准SMAQ接头与准直器(标准型号为64-766,主要参数为焦距f=15.25 mm,NA0.16,近红外波段)连接,如图5所示。光源采用连续模式,输出光束直径5 mm,剩余发散角为6 mrad。

      图  5  光源设计

      Figure 5.  Optical source design

      光斑尺寸是能否较好实现光斑调制的重要因素之一,如果入射到SLM上的光斑过小,则点阵每个点会相对较大,图像分辨率则较低,显示模糊,因此需要尽可能覆盖更多的SLM像素,必须进行扩束,将直径为5 mm的初始光斑扩束至直径8.5 mm。扩束系统采用1~2倍连续可调消色差伽利略宽带扩束器,工作波段为650~1050 nm。

      纯相位液晶空间光调制器是由多层平行向列液晶构成的。当周围没有电场作用时,液晶分子处于平行分布状态,当施加电场后,液晶分子会向电场方向偏转。将光束传播方向定义为z轴,起偏器P1的偏振方向与液晶分子光轴夹角定义为$ {\varphi }_{1} $,检偏器P2的偏振方向与液晶分子光轴夹角定义为$ {\varphi }_{2} $,当光路中无检偏器时,$ {\varphi }_{2}=0 $。在电场的作用下,液晶分子向电场方向偏转角度为$ \theta $,如图6所示。

      图  6  LC-SLM的原理

      Figure 6.  Principle of LC-SLM

      由于在向列液晶介质中传播的任意光波,通常可分解为波矢方向相同,振动方向相互正交的线偏振光寻常光(o光)和非常光(e光)。由于双折射效应的存在,偏转后的液晶分子对寻常光和非寻常光的折射率不同,非寻常光的折射率$ {n}_{\rm{e}} $与液晶分子的偏转角度$ \theta $有关,其关系如下式[10]

      $$ \frac{1}{{n}_{{\rm{e}}\left(\theta \right)}^{2}}=\frac{{\cos}^{2}\theta }{{n}_{{\rm{e}}}^{2}}+\frac{{\sin}^{2}\theta }{{n}_{{\rm{o}}}^{2}} $$ (1)

      式中:$ {n}_{{\rm{e}}\left(\theta \right)} $是液晶分子转角为$ \theta $时非寻常光对应的折射率。

      利用琼斯矩阵[11-12]对LCSLM的调制特性进行分析,可得出射光束的强度反射率为

      $$ T = \frac{1}{4}{\{ {\cos \left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) - \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right) + {\rm{cos}}\beta [{\rm{cos}}\left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) + \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right)]} \}^2} + \frac{1}{4}{\sin ^2}\beta {\left[ {\cos \left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) + \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right)} \right]^2} $$ (2)

      其中β为双折射系数,假设液晶层厚度为d,入射光波的波长为λ,则双折射系数的表达式为

      $$ \beta ={\text{π}}d({n}_{{\rm{e}}\left(\theta \right)}-{n}_{{\rm{o}}})/\lambda $$ (3)

      进一步还可以推导出光束的相位延迟量为

      $$ \delta = \beta + {\tan ^{ - 1}}\frac{{\sin \beta \left[ {\cos \left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) + \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right)} \right]}}{{\cos \left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) - \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right) + \cos \beta \left[ {\cos \left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right) + \cos \left( {{\varphi _2} - {\varphi _1}} \right)} \right]}} $$ (4)

      $ {\varphi }_{1} $$ {\varphi }_{2} $都等于0时,即P1与P2的偏振方向平行于液晶分子光轴时,LC-SLM 的强度反射率T=1,而相位延迟量为

      $$ \delta =2{\text{π}}d({n}_{{\rm{e}}\left(\theta \right)}-{n}_{{\rm{o}}})/\lambda $$ (5)

      此时LC-SLM对光束进行纯相位调制。因此,对于纯相位型液晶空间光调制器,若想让调制效率极大化,则必须保持光束偏振方向与液晶分子光轴平行。基于此,当采用斜入射方式时,在保证偏振方向与液晶分子光轴共面的同时,应使用尽可能小的入射角,如图7所示,入射角为入射光束与液晶板法线之间夹角$ \gamma $,该夹角应小于6°。

      图  7  光束入射规则

      Figure 7.  Beam incidence rule

      光斑边缘杂散光采用圆孔光阑进行滤除,光阑小孔直径设置为8 mm,以保证在滤除杂散光的同时,满足光斑投射到液晶表面时的最大覆盖要求。

      像平面位置为基础设计参数,根据系统布局及需求确定。实验将像平面位置确定为距离液晶板中心215 mm处。为了便于搭建粉床熔融部件,需调整光路方向,故增加光路反射元件。同时为提高功率密度,采用透镜组进行缩束。透镜C1焦距为215 mm,安装在像平面位置,透镜C2焦距为100 mm,透镜C3焦距为60 mm,C2与C3间距为160 mm,使焦点重合。

      测试平面中心与液晶板中心在相同高度,调节硬件位置,使液晶板中心与测试平面中心距离为215 mm,测试平面与反射光路垂直。

    • 根据光路设计要求与方案,搭建面曝光选区激光熔化增材制造实验装置如图8所示。主要功能器件包括:915 nm波长的二极管激光器、1×~2×连续可调扩束镜、偏振分光棱镜、可调圆孔光阑、反射式纯相位液晶空间光调制器,其中核心器件为二极管激光器和空间光调制器。

      图  8  面曝光选区激光熔化实验装置

      Figure 8.  Experimental device of surface exposure selective laser melting

      根据空间光调制器液晶损伤阈值100 W/cm2对激光器电源系统进行限制,电流可调范围0.6~10 A,采用恒流直流控制,电压在1~11 V之间自适应调节。电流与激光功率关系的测试结果如图9所示,电流与激光功率呈较好线性函数关系,可通过调节电流控制激光功率变化。

      图  9  激光器电流-功率关系曲线

      Figure 9.  Current-power relationship curve of the laser

      为实现对激光器输出功率的便捷控制,防止后续实验过程中元件被激光蚀伤,对本装置激光功率的阶段损失进行了定量研究。对各阶段所测得电流及功率值进行拟合获得各阶段处电流与功率的线性函数

      $$ {P}_{\rm{l}}=-2.476\;2+4.299\;4\times I $$ (6)
      $$ {P}_{\rm{p}}=-0.865\;1+1.494\;0\times I $$ (7)
      $$ {P}_{\rm{s}}=-0.70\;4+1.188\;4\times I $$ (8)
      $$ {P}_{\rm{ms}}=-0.599\;8+0.976\;4\times I $$ (9)

      各阶段损失比例为

      $$ {\mu }_{1}=1-\frac{{P}_{\rm{p}}}{{P}_{\rm{l}}} $$ (10)
      $$ {\mu }_{2}=1-\frac{{P}_{\rm{ms}}}{{P}_{\rm{s}}} $$ (11)
      $$ {\mu }_{3}=1-\frac{{P}_{\rm{ms}}}{{P}_{\rm{l}}} $$ (12)

      式中:P1为激光器出射光束功率;Pp为偏振光功率;Ps为测试平面原始光斑功率;Pms为测试平面调制光斑功率;μ1为偏振分光损失比;μ2为调制与缩束损失比;μ3为全程损失比。

      测算阶段损耗比例及全局损耗比例为,偏振分光损失约68.1%,空间光调制器与缩束透镜组共同损失约17.8%,全程损失约78.4%。根据阶段损失比与全程损失比,可以在各元件损伤阈值内确定激光器合适加工参数。

    • 为探究该热熔化型面曝光选区激光熔化原理装置能否熔化粉末材料,并实现面曝光成形,基于红外光光敏纸和低熔点金属粉末材料进行面曝光选区激光熔化试验。

      设计“○”光斑样式的预处理图案,如图10所示。预处理图案尺寸为200像素×200像素,选区为直径为100像素的圆环。图形为灰度图,选区灰度设为255,非选区灰度设为0。

      图  10  预处理“○”光斑图案

      Figure 10.  Preprocessing pattern of “○” spot

      首先由计算机对原图进行二维傅里叶变换,计算“○”光斑图案的相位调制图。根据设计指标中的像平面位置参数,调节透镜相位参数使焦距f=215 mm,此时对应透镜相位参数值131,最终呈现如图11所示相位调制图。

      图  11  “○”相位调制图

      Figure 11.  “○” phase modulation diagram

      将上述经傅里叶变换处理的相位调制图加载至LC-SLM驱动模块,驱动器根据相位调制图中的相位信息调节液晶板外部电压,选择性控制液晶板内部液晶分子偏转状态,实现对激光光斑形状的调制。

      激光器采用连续激光模式,根据式(6)~(12),将电流调节至7 A,此时激光器以27.62 W功率工作。测试平面以红外光敏纸作为被测试材料,获得面曝光熔化样品,如图12所示。圆环外径约9.2 mm,随机取5处圆环宽度获得平均圆环宽为1.20 mm,面曝光熔化面积为16.2 mm2

      图  12  光敏纸面曝光熔化样品

      Figure 12.  Surface exposure melting sample of photosensitive paper

      将电流提升至11 A,此时激光器以44.82 W功率工作,以SnBi58合金粉末作为被测试材料,获得面曝光熔化样品,如图13所示。圆环外径约7.2 mm,以相同的方法随机取5处圆环宽度获得平均圆环宽为1.15 mm,面曝光熔化面积为11.96 mm2

      图  13  SnBi58合金粉末面曝光熔化样品

      Figure 13.  Melting sample of SnBi58 alloy powder in surface exposure

    • 本文基于电寻址反射式纯相位液晶空间光调制器,设计了近红外激光光束整形光学系统,完成了面曝光选区激光熔化增材制造原理装置的搭建。利用液晶空间光调制器的液晶分子双折射效应及其相位调制原理,实现了可控近红外光光斑形状调制及其高功率曝光;采用SnBi58低熔点合金粉末,制备了圆环形面曝光选区熔化样品。这为面向金属粉末材料的面曝光选区激光熔化增材制造技术的开发奠定了技术基础。

      致 谢 感谢中国工程物理研究院机械制造工艺研究所黄姝珂和中国工程物理研究院应用电子学研究所郭林辉、蒋全伟给予的指导和帮助。

参考文献 (12)

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