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激光选区烧结技术(SLS)

激光选区烧结技术(SLS)

  它是快速成型技术的一种,具有可加工材料范围广且可制作任意复杂三维形状的独特优势。目前,人们尝试用SLS 工艺进行微机械的制造。在SLS工艺中,首先在计算机上完成符合需要的三维CAD模型,再用分层软件对其进行分层得到各层截面,采用自动控制技术,使激光有选择地烧结出与计算机内零件截面相对应部分的粉末,使粉末经烧结融化冷却凝固成型。完成一层烧结后再进行下一层烧结,且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积,结果烧结部分恰好是与CAD 原型一致的实体,而未烧结部分则是松散粉末,可以起到支撑的作用,并在最后很容易清理掉。烧结系统的精度受以下因素的影响:激光功率、激光焦斑直径、扫描速度、粉末颗粒直径、粉末的各向异性以及烧结过程中的温度控制等。用SLS 工艺进行三维成形,还可以在一个微结构内集成多种材料完成一定的功能。

  其他激光微加工技术

  脉冲激光刻蚀成型是激光技术的一个新的研究领域,它采用短波长的倍频激光或皮秒、飞秒激光结合高精度数控机床,刻蚀加工各种材料。用短脉冲在这些材料表面刻蚀,再将材料去除,其表面形成的微结构的质量比用长脉冲加工高得多。2001 年德国HEIDELBERG INSTRUMENTS采用三倍频(波长354.7nm),获得最小可达5mm的聚焦光斑,最小可加工特征尺寸为10mm,精度为1mm。图5 为脉冲激光刻蚀在WC/Co 上加工的三维形状。激光焦斑直径5mm,x,y 方向进给5mm。每层去除1.3mm,平均表面粗糙度为0.16mm。激光微切割成形,原理上与激光刻蚀相同,也是采用倍频或飞秒激光为光源,对光束精细聚焦,精确控制能量的输入,热影响小,进行微细去除切割成形。

  三、超短脉冲激光在微加工技术的最新进展

  CO2激光和YAG激光是连续和长脉冲激光,主要靠聚焦形成高能量密度,从而在局部产生高温来烧蚀材料,基本上属于热加工范畴,加工精度有限。准分子激光则依靠其短波长(紫外)与材料进行光化学相互作用,其特征尺度可达到微米量级,但准分子激光器所需的气体是腐蚀性的,难以操控,而且,高强紫外激光对加工系统的光学元件容易造成损伤,其应用因而受到限制。随着对激光领域的深入研究,激光脉冲的时域宽度被压缩得越来越短,从纳秒(10-9s)量级到了皮秒(10-12s)量级直至飞秒(10-l5s)量级。

  飞秒脉冲激光具有以下两个特点:(1)脉冲持续时间短。飞秒脉冲的持续时间可以短至几个飞秒,而光在1fs内仅仅传播0.3μm,比大多数细胞的直径还要短;(2)峰值功率极高。飞秒激光将脉冲能量集中在几个至几百个飞秒的极短时间内,因此其峰值功率很高。例如,将lμJ的能量集中在几个飞秒时间内并会聚成10μm的光斑,其光功率密度可达到1018W/cm2,将其换算成电场强度则为2×1012V/m,为氢原子中库仑场强(5×1011V/m)的4倍,这就有可能将电子从原子中直接剥离出来。

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