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增材制造

激光源在增材制造中的重要性

文/Dick Rieley，Ophir-Spiricon公司

增 材制造（AM）是对 3D 打 作表面的。如果所需要的功率不是所 个非常安全的功率密度水平。
传递的功率，则该工艺可能不能按照
印更为准确的描述，因为
操作人员进行了一系列测试，
它描述了一种与去除材料 期望执行，并且存在产生粉末材料熔 包括以 100W 增量增加激光功率 ；
的传统方法完全不同的生产方法。增 合不足的可能性，导致在制造部件过 100W、200W 直到 500W，在每个步
材制造不是从现有的一大块固体材料 程中出现缺陷。 骤中记录操作人员输入的功率，以及
中铣削出工件，而是通过粉末材料， 激光控制器上相应的功率设置，然后
一层一层地构建组件。增材制造可以 设置：功率测量 利用位于激光器工作表面的 500W 探
使用多种不同的材料，从塑料到金属、 为了进行该测试，需要对激光光 头，对实际的功率输出进行最终测量。
甚至是复合材料。 学头进行定位，使得 Ophir 500W 风
增材制造工艺依赖于激光热源的 扇冷却热探头上的光束直径，保持功 结果：光功率
精确输送以产生材料沉积，通常通过 率密度低于吸收盘的损伤阈值。在光 图 2 所示为结果曲线（X 轴为探
熔化可预测厚度的粉末原料，以完全 斑尺寸为 5mm 的情况下，光束的功 头上的激光功率，Y 轴为相对输入设
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熔融的方式一层一层地沉积材料。在 率密度（或辐照度）约为 2546W/cm ， 置的百分比）。第一个测量表明，正
这个材料熔融沉积的过程中，激光源 对应于探头损伤阈值的 33%，这是一 如预期的那样，输送到零件的实际功
的关键特性，包括激光束功率、激光 率小于设定值。然而，有趣的是，我
束光斑尺寸和焦点，都是决定该过程 们注意到，与较高功率设置相比，在
的关键参数。在上述三个激光变量中， 低功率下明显有着更大的满量程百分
任何一个未被适当地测量和控制，都 比差异。图 2 中，蓝线表示激光器应
不可能生产出符合要求的零件。 当运行的每个水平上的设定值 ；红线
在宾夕法尼亚州立大学的直接数 是激光控制器上的显示输出 ；而绿线
字沉积创新材料加工中心（CIMP-3D）， 是实际输送到工作表面上 500W 探头
有一项最新的应用，在该应用中，在 处的功率。
其中一台激光器上运用完整的光束诊
断程序，用于开展增材制造研究。被
评估的激光系统是 IPG 公司的一台
500W 的光纤激光器，具有 50μm 芯纤。
该激光器配有定制的透镜组件，能够
将约 50μm 的焦斑传递到加工点，以便
图1：图中所示为实验装置。从图中可以看到光学
能够在沉积期间制造非常精细的特征。 头和铜环，500 W风扇冷却探头位于光学传感器的
正下方，Ophir Vega数字显示表头（用作每次测量
该测试的第一部分包括验证由操 的读数设备）直接位于探头的右侧。在生产环境
作者输入、并由激光电源控制的所选 中，Ophir Juno将用于替代Vega表头。因为Juno允 图2：蓝线表示激光器应当运行的每个水平上的设
许探头直接连接到PC，从而能实时将数据馈送到 定值；红线是激光控制器上的显示输出；而绿线是
功率水平，该功率是确实被传送到工 监视控制器或PC。 实际输送到工作表面上500W探头处的功率。

26 Jan/ Feb 2017 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界