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技術(shù)前沿

技術(shù)解析 | 淺析三大激光同軸送絲技術(shù)類型及應(yīng)用

來源:WLAM激光送絲增材2024-03-18 我要評論(0 )   

激光送絲增材制造(Wire Laser Additive Manufacturing) 的工作原理是利用激光加熱和熔化金屬合金絲,然后將其精確定位在基板或前一層上,逐層堆積3D 金屬部件。通常采用...

激光送絲增材制造(Wire Laser Additive Manufacturing) 的工作原理是利用激光加熱和熔化金屬合金絲,然后將其精確定位在基板或前一層上,逐層堆積3D 金屬部件。通常采用旁軸送絲方式, 加工平臺搭建便捷, 但由于送絲具有方向性,材料受熱不均勻, 難以保證在各個方向上熔覆層尺寸和性能的一致性。另外, 旁軸送絲模式下激光與送絲的耦合性差, 對兩者相對位置有嚴(yán)格要求。當(dāng)成形路徑較為復(fù)雜多變時,旁軸送絲系統(tǒng)的控制復(fù)雜度也將隨之增加。

同軸送絲方式能較好地解決旁軸送絲的自由度受限問題。在電弧和電子束增材制造領(lǐng)域, 同軸送絲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)件成形, 能獲得性能更優(yōu)、組織形態(tài)更均勻的增材件。相較于電弧和電子束熱源, 激光熱源具有光束可整形等特性,因此更容易實(shí)現(xiàn)光絲同軸制造。
現(xiàn)階段常見的三類光絲同軸增材技術(shù)分別是分三光束光內(nèi)同軸技術(shù)(a)、多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)(b)、分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)(c)。

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分三光束光內(nèi)同軸技術(shù)

  

分三光束光內(nèi)同軸技術(shù)通過單一激光束經(jīng)過三棱鏡分裂為三個均勻分布的周向激光束,這些激光束圍繞一個中心空間布置,形成了一個適合金屬絲送入的中空區(qū)域。金屬絲通過導(dǎo)絲管引導(dǎo)進(jìn)入這個中心空間,與三激光束實(shí)現(xiàn)同軸分布。這種配置允許激光焦點(diǎn)聚集于工件表面,實(shí)現(xiàn)精確的加工和材料沉積。該技術(shù)以其光路設(shè)計簡單、實(shí)施容易著稱,但由于光絲同軸頭體積較大,調(diào)整光路和送絲精度存在一定挑戰(zhàn),可能影響加工質(zhì)量和效率。

蘇州大學(xué)自主研制的新型三光束光內(nèi)送絲噴頭,將原始圓形激光束整形為周向均勻分布的三個扇形光斑,三個光斑光通量均沿著z軸方向呈"尖頂狀"分布,絲材能夠被三個光斑均勻包裹,實(shí)現(xiàn)光絲耦合。

德國coaxworks的wireM 激光焊接頭采用三束同軸激光束將線材均勻熔化,用于激光焊接及增材修復(fù)。堅固的三光束柔性定向焊接設(shè)計,使得無論激光焊接頭在工件上移動的方向如何,焊縫的形狀都相同。

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(德國Coaxworks的Laserschwei?kopf wireM)

多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)


多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)采用環(huán)列式激光頭布局,激光頭固定在工作平臺上方,各路激光束與豎直方向的夾角相等,共同聚焦于工件表面,形成一個環(huán)列式的熱源。這種配置能在工件表面形成均勻分布的多光束加熱區(qū),通過調(diào)整各激光頭的角度和功率,可以精細(xì)控制熱源的能量分布,從而提高加工的均勻性和質(zhì)量。雖然這種技術(shù)能提供高質(zhì)量的加工效果,但其對激光頭的裝配精度和穩(wěn)定性要求極高,是其主要挑戰(zhàn)之一。

重慶大學(xué)開發(fā)環(huán)列式多激光束熔絲增材制造技術(shù)消除了激光束方向性帶來的影響,實(shí)現(xiàn)各向同性,并在熔覆道和薄壁件成形工藝優(yōu)化研究中,通過設(shè)置圓角和重合角度分別解決了成形過程中拐角和熔覆道首尾熔合差等問題,完成三種典型樣件的穩(wěn)定成形。

西班牙Meltio公司依托多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)開發(fā)的核心產(chǎn)品Meltio M450 3D打印機(jī)能夠生產(chǎn)高密度金屬零部件,市場銷售額近400臺。

融速科技自研的六激光同軸送絲金屬3D打印設(shè)備Laser One于2024年1月全新發(fā)布,設(shè)備配置Matrix陣列激光控制器,獨(dú)立控制調(diào)節(jié)每束激光,能量分布更均勻,打印件表面粗糙度最高可達(dá)5μm。

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(融速科技Laser One六激光同軸送絲打印頭)


分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)


分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)通過將單一激光束經(jīng)過特制的錐透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形光束,然后通過棱鏡分割為兩個半環(huán)形光束,以便金屬絲可以垂直穿過并送入加工區(qū)域。這兩個半環(huán)形光束隨后通過另一棱鏡重新組合為完整的環(huán)形光束,并通過聚焦透鏡聚焦于工件表面,形成直徑約2到4毫米的環(huán)形加熱區(qū)。這種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)金屬絲的均勻加熱及其垂直于加工表面的送進(jìn),適用于360度全方位的加工。盡管分環(huán)形光束技術(shù)提供了優(yōu)異的加工質(zhì)量和靈活性,但其光路設(shè)計復(fù)雜,對光學(xué)元件的要求高,可能導(dǎo)致成本上升和維護(hù)困難。

華中科技大學(xué)自主設(shè)計了基于四分光光路的光內(nèi)同軸送絲激光熔敷頭,并以此為基礎(chǔ),設(shè)計搭建了激光熔敷成形試驗(yàn)平臺,滿足高精度、高效率、全方位的激光送絲熔敷成形需求。 

Precitec的激光送絲熔覆頭的環(huán)形光束直接聚焦到絲材和工件表面之間的交匯處,且送絲不會遮擋到光束,實(shí)現(xiàn)多方向送絲增材制造工藝。

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(Precitec CoaxPrinter激光熔覆加工頭)

資料參考

[1]陳源,姜夢,陳曦,等.光絲同軸激光增材制造研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工藝, 2022(002):030.
[2]Coaxworks官網(wǎng):https://coaxworks.de/de/
[3]吉紹山,劉凡,傅戈雁,等.三光束光內(nèi)同軸送絲激光熔覆成形新方法研究[J].表面技術(shù), 2019, 48(4):9.DOI:CNKI:SUN:BMJS.0.2019-04-042.
[4]朱進(jìn)前.環(huán)列式多激光束熔絲增材制造工藝特性研究[D].重慶大學(xué)[2024-03-12].
[5]融速科技官網(wǎng):https://www.rongsu.com/
[6]許翔.激光送絲熔敷成形技術(shù)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究[D].華中科技大學(xué)[2024-03-12].
[7]激光送絲熔覆頭CoaxPrinter實(shí)現(xiàn)同軸3D打印.普雷茨特精密技術(shù)上海有限公司[2018-08-10].


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技術(shù)解析激光同軸送絲技術(shù)
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