3-47 金属粉末选区激光烧结设备开发

杨家林 王 洋 李尚政

　　快速成型技术主要有分层实体制造、选区激光烧结、熔丝沉积制造、三维印刷。目前，快速成型技术主要用于制作非金属样件。从20世纪90年代初开始，探索直接快速制造金属零件的方法已成为研究热点，其中选区激光烧结技术是实现金属零件直接快速成型的较好方法。高功率激光器和选区激光烧结快速成型设备是实现金属粉末直接烧结的必要条件。考虑将现有选区激光烧结快速成型机和高功率激光加工机进行系统集成，为开展金属零件直接成型创造必要条件。

　　(1) 可行性分析。激光快速自动成型机和高功率激光加工机均为数控设备，具有设备开发和系统集成的接口，为二者系统集成提供了可能；而且激光有易于传输的优势，可以很方便地将高功率激光引入低功率激光快速自动成型机内，利用成型机的软硬件进行金属粉末的直接激光烧结，在原理上是可行的。

　　(2) 光路系统设计与改造。由于高功率激光器的功率为2kW，低功率快速成型机的光路系统(如光学元件)承受不了如此高的激光能量，为此重新设计了成型机内、外光路系统。主要包括更换高速扫描器和动态聚焦系统；增加两个光路转换器，以便选择高功率激光与低功率激光。

　　(3) 机械结构设计与改造。将预热装置功率由原来的3kW增加到4kW，粉末预热温度可达到250℃以上，以有效干燥金属粉末，去除其中水分等杂质；增加惰性气体保护装置，设计了一种特殊的保护方式，使其能对成型区域进行有效保护，防止金属粉末在高温下氧化；将成型室改为常压下密封，进一步提高金属粉末烧结时的保护效果。

　　(4) 机电控制系统设计与改造。机电控制系统的合理设计与改造是低功率快速成型机与高功率激光加工机系统集成能否成功的关键之一，为了使设备各部件能协调一致动作，在原有成型机内增加了一块控制板，用三位转换开关，一方面控制对各激光器供电，另一方面向两新增光路转换器和保护气体开关输出控制信号，以气动装置实现光路转换和保护气体的开与关。

　　(5) 快速成型系统控制软件的改进。考虑到金属粉末烧结的工艺特点，在原有系统控制软件的基础上，结合系统集成需求，重新设计了控制软件，使改进后的系统控制软件具备激光器选择、高功率激光功率调节、光闸开关、惰性气体开关控制、光路转换器位置检测等功能。

　　系统集成后，对设备进行了试运行和测试。结果表明，快速成型机能对整个光路系统、机电系统、高功率激光器功率和光闸开关进行控制，能顺利地进行金属粉末的激光烧结，达到了预期目的。系统集成后的激光快速成型机，在不影响低功率激光快速成型机和高功率激光加工机性能的基础上，既能快速成型非金属零件，又能直接烧结金属粉末，为开展金属零件直接快速成型技术研究创造了条件。