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技術前沿

技術解析 | 淺析三大激光同軸送絲技術類型及應用

來源:WLAM激光送絲(si) 增材2024-03-18 我要評論(0 )   

激光送絲(si) 增材製造(Wire Laser Additive Manufacturing) 的工作原理是利用激光加熱和熔化金屬合金絲(si) ,然後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...

激光送絲增材製造(Wire Laser Additive Manufacturing) 的工作原理是利用激光加熱和熔化金屬合金絲,然後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, 加工平台搭建便捷, 但由於送絲具有方向性,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格要求。當成形路徑較為複雜多變時,旁軸送絲係統的控製複雜度也將隨之增加。

同軸送絲(si) 方式能較好地解決(jue) 旁軸送絲(si) 的自由度受限問題。在電弧和電子束增材製造領域, 同軸送絲(si) 技術已被廣泛應用於(yu) 複雜構件成形, 能獲得性能更優(you) 、組織形態更均勻的增材件。相較於(yu) 電弧和電子束熱源, 激光熱源具有光束可整形等特性,因此更容易實現光絲(si) 同軸製造。
現階段常見的三類光絲(si) 同軸增材技術分別是分三光束光內(nei) 同軸技術(a)、多光束集成光內(nei) 同軸技術(b)、分環形光束光內(nei) 同軸技術(c)

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分三光束光內(nei) 同軸技術

  

分三光束光內(nei) 同軸技術通過單一激光束經過三棱鏡分裂為(wei) 三個(ge) 均勻分布的周向激光束,這些激光束圍繞一個(ge) 中心空間布置,形成了一個(ge) 適合金屬絲(si) 送入的中空區域。金屬絲(si) 通過導絲(si) 管引導進入這個(ge) 中心空間,與(yu) 三激光束實現同軸分布。這種配置允許激光焦點聚集於(yu) 工件表麵,實現精確的加工和材料沉積。該技術以其光路設計簡單、實施容易著稱,但由於(yu) 光絲(si) 同軸頭體(ti) 積較大,調整光路和送絲(si) 精度存在一定挑戰,可能影響加工質量和效率。

蘇州大學自主研製的新型三光束光內(nei) 送絲(si) 噴頭,將原始圓形激光束整形為(wei) 周向均勻分布的三個(ge) 扇形光斑,三個(ge) 光斑光通量均沿著z軸方向呈"尖頂狀"分布,絲(si) 材能夠被三個(ge) 光斑均勻包裹,實現光絲(si) 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,用於(yu) 激光焊接及增材修複。堅固的三光束柔性定向焊接設計,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Laserschweißkopf wireM)

多光束集成光內(nei) 同軸技術


多光束集成光內(nei) 同軸技術采用環列式激光頭布局,激光頭固定在工作平台上方,各路激光束與(yu) 豎直方向的夾角相等,共同聚焦於(yu) 工件表麵,形成一個(ge) 環列式的熱源。這種配置能在工件表麵形成均勻分布的多光束加熱區,通過調整各激光頭的角度和功率,可以精細控製熱源的能量分布,從(cong) 而提高加工的均勻性和質量。雖然這種技術能提供高質量的加工效果,但其對激光頭的裝配精度和穩定性要求極高,是其主要挑戰之一。

重慶大學開發環列式多激光束熔絲(si) 增材製造技術消除了激光束方向性帶來的影響,實現各向同性,並在熔覆道和薄壁件成形工藝優(you) 化研究中,通過設置圓角和重合角度分別解決(jue) 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定成形。

西班牙Meltio公司依托多光束集成光內(nei) 同軸技術開發的核心產(chan) 品Meltio M450 3D打印機能夠生產(chan) 高密度金屬零部件,市場銷售額近400台。

融速科技自研的六激光同軸送絲(si) 金屬3D打印設備Laser One於(yu) 2024年1月全新發布,設備配置Matrix陣列激光控製器,獨立控製調節每束激光,能量分布更均勻,打印件表麵粗糙度最高可達5μm。

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(融速科技Laser One六激光同軸送絲(si) 打印頭)


分環形光束光內(nei) 同軸技術


分環形光束光內(nei) 同軸技術通過將單一激光束經過特製的錐透鏡轉變為(wei) 環形光束,然後通過棱鏡分割為(wei) 兩(liang) 個(ge) 半環形光束,以便金屬絲(si) 可以垂直穿過並送入加工區域。這兩(liang) 個(ge) 半環形光束隨後通過另一棱鏡重新組合為(wei) 完整的環形光束,並通過聚焦透鏡聚焦於(yu) 工件表麵,形成直徑約2到4毫米的環形加熱區。這種技術能實現金屬絲(si) 的均勻加熱及其垂直於(yu) 加工表麵的送進,適用於(yu) 360度全方位的加工。盡管分環形光束技術提供了優(you) 異的加工質量和靈活性,但其光路設計複雜,對光學元件的要求高,可能導致成本上升和維護困難。

華中科技大學自主設計了基於(yu) 四分光光路的光內(nei) 同軸送絲(si) 激光熔敷頭,並以此為(wei) 基礎,設計搭建了激光熔敷成形試驗平台,滿足高精度、高效率、全方位的激光送絲(si) 熔敷成形需求。 

Precitec的激光送絲(si) 熔覆頭的環形光束直接聚焦到絲(si) 材和工件表麵之間的交匯處,且送絲(si) 不會(hui) 遮擋到光束,實現多方向送絲(si) 增材製造工藝。

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(Precitec CoaxPrinter激光熔覆加工頭)

資料參考

[1]陳源,薑夢,陳曦,等.光絲同軸激光增材製造研究進展[J].材料科學與工藝, 2022(002):030.
[2]Coaxworks官網:https://coaxworks.de/de/
[3]吉紹山,劉凡,傅戈雁,等.三光束光內同軸送絲激光熔覆成形新方法研究[J].表麵技術, 2019, 48(4):9.DOI:CNKI:SUN:BMJS.0.2019-04-042.
[4]朱進前.環列式多激光束熔絲增材製造工藝特性研究[D].重慶大學[2024-03-12].
[5]融速科技官網:https://www.rongsu.com/
[6]許翔.激光送絲熔敷成形技術的基礎及應用研究[D].華中科技大學[2024-03-12].
[7]激光送絲熔覆頭CoaxPrinter實現同軸3D打印.普雷茨特精密技術上海有限公司[2018-08-10].


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