一种用于铝丝的激光快速成型系统及方法与流程

本发明属于激光成型技术领域，涉及一种用于铝丝的激光快速成型系统及方法。

背景技术：

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。但是传统铝合金零件生产方法往往需要模型或者模具，生产过程费时、耗力、成本高、生产周期长，生产过程柔性差，不易于产品的更新换代。

采用激光快速成型技术可以有效解决传统铝合金零件生产中存在的问题。激光快速成型技术是近年发展起来的一门高新技术，利用激光技术，CAX技术，自动控制技术，新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术。激光快速成型技术一改传统加工"去除"成型加工工艺，而采用"堆积"成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义。

针对铝合金的激光快速成型，一般是采用铝合金粉末作为原料进行加工成型。而对于粉末原料要求较高，除了具备良好的可塑性，还要求粒径小、球形度高、流动性好、松装密度高，此外采用粉末原料存在以下问题：(1)成型效率低，加工成本高，易引进杂质；(2)材料利用率低，粉末回收利用再循环困难；(3)易飘散，对环境有污染；(4)送粉量和均匀性控制困难；(5)无法在微重力环境下加工。基于以上分析，本发明提出利用铝合金丝材进行激光快速成型，选用丝材作为原料具有以下优势：(1)成本低，成型效率高，节能环保；(2)材料利用率几乎为100％；(3)对环境无污染；(4)易实现精确控制；(5)适用于微重力环境。因此使用铝合金丝材进行激光快速成型，必将拥有广泛的市场前景。

然而由于铝合金对激光反射率较高，导致能量利用率低，成型效率低。一般的解决方法多是增大激光功率，导致加工成本增加。图2为铝合金吸收谱，从图中可以看出，在700-900nm吸收率有一峰值。基于此分析，本发明特提出利用700-900nm波段的激光器进行激光快速成型。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于铝丝的激光快速成型系统及方法，利用700-900nm波段的激光器对铝及铝合金丝材进行激光快速成型，实现高效优质的铝及铝合金丝材激光快速成型，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于铝丝的激光快速成型系统，该系统包括激光光源、激光传输聚焦组件、可调温热丝送丝系统、保护气体系统、基板、数控系统；

所述激光光源用于提供波长为700nm-900nm激光束；

所述激光传输聚焦组件用于将产生的激光束传输聚焦并照射在基板上形成熔池；

所述可调温热丝送丝系统用于为成型系统供给铝丝；

所述保护气体系统用于在成型系统工作时注入保护气。

进一步，所述的铝丝包括纯铝、铝合金、铝基复合材料丝材。

进一步，所述铝丝横截面为圆形和方形，其中圆形铝丝直径为0.01-10mm，方形铝丝厚度为0.1-10mm，宽度为0.1-10mm。

进一步，所述波长为700nm-900nm激光束为连续激光，或为脉冲激光，或为准连续激光。

进一步，所述的激光光源采用半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。

进一步，所述激光传输聚焦组件包括用于实现激光传输的光学镜片或光纤，以及用于实现激光聚焦的聚焦透镜。

进一步，所述保护气体系统分为有成型腔室和无成型腔室两种情况：有成型腔室包括用于工件取出的成型腔门，用于目视观察的观察窗口，用于激光输入的激光入射窗口，以及实现气体循环和气氛控制的气体流通口，当有成型腔室时，进行抽真空，真空压力低于100Pa或者根据需要往成型室内充入保护气体；当无成型腔室时，保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出。

进一步，所述可调温热丝送丝系统包括送丝机构、送丝管、矫直机构、加热装置、微结构制备装置、剪丝机构、专用夹具；其中所述的送丝机构用于实现铝丝送给；所述的加热装置，有电阻加热和感应加热两种方式，可将铝丝端部加热到0-600℃；所述的微结构制备装置，可在加热后的铝丝表面制备抗反射微结构；所述的剪丝机构，可在每道成形之后剪去丝端部的液态小球；所述的夹具，可实现激光和铝丝之间角度与位置自由调整。

进一步，所述的数控系统分为有机械手和无机械手两种情况：当有机械手时，基板静止，由机械手带动激光和导丝嘴相对运动实现成型；当无机械手时，激光和导丝嘴做3自由度直角坐标运动，金属基板升降。

可控温基板可实现基板温度-100℃-600℃温度控制，此外，使用基板为钢板时，在钢板表面涂抹涂料，实现铝制品成型件与钢基板之间形成脆性化合物，方便成型件与基板分离。

本发明还提供了一种用于铝丝的激光快速成型方法，该方法包括以下步骤：

1)利用计算机建立几何模型，规划扫描路径，编制成型程序输入到计算机数控系统，调节扫描速度为2-100mm/s；

2)启动保护气体系统，当有成型腔室时，进行抽真空，真空压力小于100Pa或者根据需要往成型室内充入保护气体氩气或氦气。当无成型腔室时，保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，气体流量为0.2-30L/min；

3)启动基板控温系统，调节温度为-100℃-600℃；启动波长为700-900nm激光器，调节激光功率为200～5000W、离焦量为-3～3mm、铝丝与激光束间夹角0～90°、激光焦点与铝丝落丝点间距即光丝间距为0～5mm。

4)启动可调温热丝送丝系统供给铝丝，铝丝依次经过矫直机构和加热装置加热，调节预热温度为0-600℃，送丝速度为0.2～20m/min，利用激光快速熔化铝丝进行成型；

5)成型完毕，将成型件与金属基板分离。

本发明的有益效果在于：本发明选用铝合金丝材作为原料，同时使用700-900nm波段激光器进行激光快速成型，既解决了使用粉末作为原料带来的问题又显著提高了激光能量利用率和成型效率，有效降低成本，极大的推动了铝合金激光快速成型技术的发展，应用前景极其广阔。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为6061铝合金丝材激光吸收图谱；

图3为用于铝丝激光快速成型系统的整体结构示意图，图3(a)为有成形腔室，图3(b)为无成形腔室；

图4为可调温热丝送丝系统中加热装置原理示意图，图4(a)为电阻加热，图4(b)为感应加热。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本方法包括以下步骤：1)利用计算机建立几何模型，生成扫描路径；2)提供真空或者保护气体加工环境，启动基板预热；3)启动送丝系统供给铝丝，利用波长为700～900nm激光熔化铝丝；4)判断加工是否完成，否，重复步骤3)，是，结束扫描，进入步骤5)；5)成型完毕，将成型件与金属基板分离，取出产品。

图3为用于铝丝激光快速成型系统的整体结构示意图，图3(a)为有成形腔室，图3(b)为无成形腔室；图4为可调温热丝送丝系统中加热装置原理示意图，图4(a)为电阻加热，图4(b)为感应加热。

实施例一：

本实施例制作宽50mm、厚10mm、高60mm的方形铝合金试样，具体制造步骤如下：

1)选用直径为0.6mm的ER2319铝焊丝，成型基板为10mm厚6061铝板，将基板固定在成型台面上；

2)利用三维建模软件建立几何模型，并利用切片软件对该三维模型进行切分，每层剖分高度设定为0.6mm，根据切分结果规划扫描路径，编制成型程序输入到计算机数控系统，调节扫描速度为40mm/s；

3)有成型腔室，对密闭成型腔进行抽真空作业，在抽真空压力达到10Pa到100Pa范围时，停止抽真空；

4)启动基板控温系统，将底板加热到200℃，启动可调温热丝送丝系统，将铝丝端部加热到300℃，设置送丝速度为3m/min，离焦量为0，光丝间距为0.5mm，激光束和铝丝夹角60°；

5)开启激光器，选用波长为808nm半导体激光器，输出功率400W，光斑直径0.8mm，利用激光熔化铝丝；

6)逐层成型，成型结束后将成型件和基板分离，取出成型件；

实施例二：

本实施例制作内径50mm、外径80mm、高100mm的圆筒形铝合金试样，具体制造步骤如下：

1)选用直径为0.6mm的ER2319铝焊丝，成型基板为10mm厚Q235钢板，钢板表面涂抹含有氧化铝和氮化硼的涂料，将基板固定在成型台面上；

2)利用三维建模软件建立几何模型，并利用切片软件对该三维模型进行切分，每层剖分高度设定为0.6mm，根据切分结果规划扫描路径，编制成型程序输入到计算机数控系统，调节扫描速度为40mm/s；

3)无成型腔室，保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，气体流量为10L/min；

4)启动底板加热系统，将底板加热到200℃，启动可调温热丝送丝系统，将铝丝端部加热到300℃，设置送丝速度为3m/min，离焦量为0，光丝间距为0.5mm，激光束和铝丝夹角60°；

5)开启激光器，选用波长为808nm半导体激光器，输出功率400W，光斑直径0.8mm，利用激光熔化铝丝；

6)逐层成型，成型结束后将成型件和基板分离。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。