激光增材与激光微纳加工一体化装置与方法与流程

该申请将可能作为后续专利申请(包括，但不限于，中国发明专利申请、中国实用新型申请、pct申请、基于巴黎公约的国外申请)的优先权基础。

本发明属于3d打印和精细加工制造领域，特别涉及一种激光增材与激光微纳加工一体化的装置与方法。

背景技术：

增材制造由于其复杂的结构及个性化制造方面的独特优势，在航空航天、生物医疗等领域引起了越来越多的关注。但目前的增材制造技术主要关注的问题是零件的成形，很难兼顾零件表面的功能，如：润湿性能、光学性能、电磁性能的需求。当对零件表面功能有特殊要求时，通常需要在增材制造结束后，通过离线后处理的方式对零件表面进行特殊功能化处理。但现有技术存在难以精准定位、效率较低、工序复杂、成本较高等技术问题没有解决。

激光微纳加工是制造功能性表面的重要方法之一，但其加工的主要对象是实物无遮挡的表面，对于复杂结构的表面及内侧的加工，由于受限于空间而具有极大的难度。

为了解决上述技术问题，本发明将激光微纳加工结合到增材制造的分层制造技术中，提出了创新的技术方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种激光增材制造与激光微纳加工一体化装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种激光增材制造与激光微纳加工一体化装置，所述一体化装置包括双光束同轴动态聚焦扫描系统，气体控制系统，粉末铺设系统，机械运动系统，激光选区熔化系统，激光微纳加工系统和软件控制系统；

所述气体控制系统用于所述一体化装置的打印机腔体抽真空及通入保护气体；所述粉末铺设系统用于在所述打印机腔体内铺设粉末材料；所述机械运动系统通过控制升降台的升降和刮粉装置的运行来控制所述一体化装置中其它系统的机械运动；

所述双光束同轴动态聚焦扫描系统用于将两束不同作用的激光束进行调控；所述激光选区熔化系统包括所述双光束同轴动态聚焦扫描系统和激光选区熔化用激光器，用于对所述粉末材料进行分层成形，获得成形零件；所述激光微纳加工系统包括所述双光束同轴动态聚焦扫描系统和激光微纳加工用激光器，用于对所述成形零件侧壁及表面加工形成预定的图案化微纳结构；

所述软件控制系统用于控制整个一体化过程，包括控制所述抽真空、通入保护气体及氧含量的监控；控制所述粉末铺设系统摊铺所述粉末材料及所述粉末材料层厚度的设置；控制所述激光选区熔化系统预定扫描路径的规划及扫描参数的设置；控制所述激光微纳加工系统预定结构化图案及加工参数的设置。

进一步，所述双光束同轴动态聚焦扫描系统可以将两条光路上的激光分别经扩束镜扩束后再由动态聚焦镜聚焦，然后所述两束激光再经过二向色镜进行合束，最后经过二维扫描振镜实现扫描。

进一步，所述激光选区熔化系统还包括第一水冷机和第一光学组件。

进一步，所述激光选区熔化用激光器为连续激光或脉宽大于1us以上的脉冲激光器，激光选区熔化用激光的波长范围为300nm-10.6μm。

进一步，所述激光微纳加工系统还包括第二水冷机和第二光学组件。

进一步，所述激光微纳加工用激光器为脉宽为大于1fs和小于100ns的脉冲激光器，激光微纳加工用激光的波长范围为13.5nm-1080nm。

进一步，所述激光选区熔化预定扫描路径的规划及扫描参数的设置包括激光选区熔化用激光功率、扫描速度和扫描间距；所述激光微纳加工预定结构化图案及加工参数的设置包括激光微纳加工用激光功率、脉冲宽度、脉冲作用时间、速度和间距。

本发明的目的还在于提供一种激光增材制造与激光微纳加工一体化的方法。为实现目的，其技术方案为：

一种激光增材制造与激光微纳加工一体化的方法，包括以下步骤：

s100:将粉末材料装入储粉器中，根据实体零件，建立其几何模型，并对所述几何模型切片使其离散化，生成stl格式文件；

s102:根据所述切片的结果规划激光选区熔化或烧结的第一扫描路径，以及激光微纳加工结构化图案的第二扫描路径；

s104:对成形腔体抽真空，然后通入保护性气体；

s106:在所述成形腔体内的基板上进行铺设粉末材料，形成粉末层；

s108:利用激光选区熔化或烧结所述粉末材料，对所述粉末层按照所述第一扫描路径进行扫描成形，获得初步成形零件；

s110:利用脉冲激光按照所述第二扫描路径对所述初步成形零件进行单层侧壁的结构化处理，并在所述初步成形零件的顶层对整个所述初步成形零件的表面进行结构化处理，使所述初步成形零件获得表面功能；

s112:在所述粉末层的基础上，降低一层粉末的厚度，重复步骤上述步骤s106–s110，直至获得侧壁具有微纳结构的完全成形零件；

s114:利用所述脉冲激光对所述完全成形零件的上表面按所述第二扫描路径进行所述激光微纳结构加工。

本发明所述的一体化是基于分层制造，将粉末成形的选区激光熔化/烧结与表面功能化的激光微纳加工交替进行。

进一步，所述一体化的方法是基于分层制造，交替进行所述步骤s108和所述步骤s110。

进一步，所述粉末材料为金属粉末、塑料粉末、聚合物粉末、陶瓷粉末、玻璃粉末中的一种或多种。

进一步，所述粉末材料为直径1μm-500μm的球形颗粒；所述步骤106的铺设粉末材料的厚度为20μm-1000μm。

进一步，所述激光微纳加工的结构尺寸为1nm-1000μm；所述表面功能包括特殊的表面润湿性能、光学性能和/或电磁性能。

进一步，所述表面润湿性能包括(超)疏水、(超)亲水、(超)疏油、(超)亲油、疏水亲油、亲水疏油、疏水疏油、亲水亲油、防结冰和/或防雾特性；所述光学性能包括增强光吸收、减小光反射、结构色和/或超表面结构特性；所述电磁性能包括电磁吸收和/或电磁屏蔽特性。

本发明有益效果

本发明的技术方案旨在发展激光增材制造与激光微纳加工的复合技术，尽量最大化各自的优势。同时，该一体化技术有利于推动增材制造以及微纳加工技术更广泛的应用。主要体现在以下几个方面：第一，激光增材与表面结构化处理同时在线进行，一体化解决零件的成形和表面功能化问题，简化了工序；第二，由于本复合制造中，增材和微纳加工均是基于分层技术在二维平面上进行的(如图2所示)，整个加工过程处于开放空间中，可以不受实体三维空间的限制，且设计及操作均较简单；第三，本发明设计的同轴动态聚焦扫描系统实现了增材制造与微纳加工处于同一个坐标系，可以进行精准定位及操控；第四，同轴动态聚焦扫描系统实现了增材制造与微纳加工均使用激光，具有较好的兼容性，易于调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为激光增材制造与激光微纳加工一体化方法流程图。

图2为激光增材制造与激光微纳加工一体化过程示意图。

图3为激光增材制造与激光微纳加工一体化装置示意图。

图4为打印件表面的结构及性能图。

附图中各数字代表的零部件名称汇总：

1.激光选区熔化用激光器；2.第一扩束镜；3.第一动态聚聚镜；4.激光微纳加工用激光器；5.第二扩束镜；6.第二动态聚聚镜；7.合束镜；8.x-y扫描振镜；9.储粉器；10.刮粉器；11.粉末床；12.打印工件；13.升降台；14.光学腔体；15.抽真空接口；16.通入惰性气体接口；17.打印腔体；18.计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示。一种激光增材制造与激光微纳加工一体化方法包括以下步骤：

(1)根据实体零件，建立其几何模型，并对几何模型切片使其离散化，生成stl(stereolithography,立体光刻)格式文件(s100)；

(2)规划选区激光熔化/烧结的扫描策略(包含，例如，扫描路径)及激光微纳加工图案化的策略(s102)。

(3)对成形腔体(也可以被称为“打印腔体”)内抽真空，然后通入保护性气体(s104)；

(4)利用铺粉装置进行铺粉(s106)；

(5)利用选区激光熔化/烧结对粉末层按照步骤s102规划的扫描路径进行扫描成形，获得当前成形层(s108)；

(6)对前成形层侧壁，利用脉冲激光按步骤s102规划的图案化策略进行微纳结构加工(s110)；

(7)将升降装置降低一层粉末的厚度，重复步骤s106-s110，直至获得侧壁具有图案化微纳结构的三维实体零件(即“成形零件”)；

(8)利用脉冲激光对成形零件的上表面进行微纳结构加工。

如图2所示。本发明中一体化过程是以分层成形技术为基础，并且通过(i)选区激光熔化/烧结与(ii)功能化表面激光微纳加工交替进行来完成的。

本发明中粉末为金属粉末塑料粉末、聚合物粉末、陶瓷粉末、玻璃粉末材料中的一种或多种混合粉末材料；粉末为直径1μm-500μm的球形颗粒；铺粉的厚度为20μm-1000μm

本发明中激光微纳加工的结构尺寸为1nm-1000μm，其功能包括特殊的表面润湿性能、光学性能、电磁性能。

本发明中表面润湿性能包括(超)疏水、(超)亲水、(超)疏油、(超)亲油、疏水亲油、亲水疏油、疏水疏油、亲水亲油；光学性能包括光吸收、结构色、超结构特性；电磁性能包括电磁吸收。

实施例2

如图3所示。一种激光增材制造与激光微纳加工复合的装置包括双光束同轴动态聚焦扫描系统(图3：2、3、5-8)，气体控制系统(图3:15，16)、粉末铺设系统(图3:9-11)、机械运动系统(图3:10、13)、激光选区熔化系统(图3:1-3、7、8)、激光微纳加工系统(图3:4-8)、软件控制系统(图3:18)。

(1)气体控制系统，所述气体控制系统对打印腔体17抽真空及通入保护气体(例如，氮气)；

(2)粉末铺设系统，用于铺设粉末；

(3)机械运动系统，用于控制升降台13的升降和刮刀(也可以被称为“刮粉器”)10的运行；

(4)双光束同轴动态聚焦扫描系统，用于将两束不同作用的激光束聚焦，合束及扫描；

(5)激光选区熔化/烧结系统，包括激光选区熔化用激光器1、水冷机及光学组件，用于对粉末材料分层成形；

(6)激光微纳加工系统，包括激光微纳加工用激光器4，水冷机及光学组件，用于对粉末材料分层成形后的材料表面加工形成预定的图案化微纳结构；

(7)软件控制系统，用于控制整个复合加工过程，包括上述对打印腔体17抽真空、通入保护气体及氧含量的监控；控制对摊铺粉末及粉末层厚度的设置；控制激光选区熔化预定扫描路径的规划以及扫描参数的设置(例如，激光功率、扫描速度、扫描间距)；控制激光微纳加工预定结构化图案及加工参数(例如，激光功率、脉冲宽度、脉冲作用时间、速度、间距)的设置。

本发明中的双光束同轴动态聚焦扫描系统：两条光路上的激光分别被扩束镜(2、5)扩束后经过动态聚焦镜(3、6)聚焦，然后两束激光经过二向色镜进行合束，最后经过二维扫描振镜8(即，x-y扫描振镜)实现扫描。

本发明中所述的激光选区熔化/烧结的激光器1为连续激光或脉宽>1us以上的脉冲激光，波长范围为300nm-10.6μm；激光微纳加工用激光器4为1fs<脉宽<100ns的脉冲激光器。

实施例3

结合图1-3，本实施例用激光增材制造与激光微纳加工一体化方法将制作直径为15mm，高度为5mm的表面具有不同光学和表面润湿性能的圆柱体，具体步骤如下：

首先，选择将直径为30-50μm的球形颗粒钛粉装入储粉器9中；运用cad软件建立4个圆柱体模型，其直径为15mm，高度为5mm；然后利用切片软件对这些模型进行切片；根据切分结果规划激光选区熔化的路径及激光微纳加工的路径，编程相关程序输入计算机软件控制系统18；然后对打印机腔体17进行抽真空并通入氮气，使打印机腔体17氧气含量低于0.1％即可；然后运用刮粉装置10(也可以被称为“刮粉刀”、“刮粉器”)在基板上进行铺粉，粉的厚度为50μm；接下来开启用于激光选区熔化的激光器1，对粉末进行选区成形，其参数为：激光功率200w、光斑尺寸为95μm、波长为1070nm、扫描速度500mm/s、行间距为120μm。待激光成形结束后，开启用于激光微纳加工的激光器4按照规划的扫描策略进行单层侧壁的结构化处理，其参数设置为功率50w、脉冲宽度10ns、频率200khz、光斑尺寸为45μm、波长为532nm。待该层激光微纳加工结束后，再将升降台13下降50um后铺粉，重复上面的操作直到获得完整的三维实体零件。最后再利用脉冲激光对成形零件的上表面加工不同尺度的微沟槽。此处微沟槽的行间距分别为100μm，200μm、300μm。最终成形件表面结构及其性能如图4所示，其表面展示出，例如，不同的结构色和润湿性能(结构色和润湿性能均属于功能表面的一种)。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。