專利名稱：基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于低功率激光在金屬基底材料上排布金屬顆粒的裝置 和方法，屬于激光微加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)送粉排布方式，是指使用送粉頭，利用載氣將粉末加速到一定速度 之后卸除載氣，使粉末顆粒依靠慣性飛出送粉頭后落在基底材料上，實現(xiàn)粉 末的傳送。在粉末被送到基底材料的同時，送粉頭以所需繪制的圖案為軌跡 運動，即可完成粉末顆粒的鋪粉排布。其缺點是噴射出送粉頭的粉末動量很 大，造成粉末顆粒撞擊基底材料后飛濺，無法實現(xiàn)對排布圖案的精細控制。 另一方面，當(dāng)所使用的粉末直徑小到數(shù)幾微米時，顆粒之間出現(xiàn)團聚現(xiàn)象， 使得送粉頭送出的粉末不能均勻的分布在基底材料上，這就限制了該方法在 對細微粉末送粉上的使用。而激光送粉方式是對傳統(tǒng)技術(shù)的一次重大改進。
現(xiàn)有的激光粉末送粉排布方式是基于激光光鑷技術(shù)，通過將激光束聚焦 在透明顆粒上，使聚焦中心產(chǎn)生由梯度力形成的"光阱"，實現(xiàn)對透明顆粒的 操縱。這種排布方式因能夠?qū)崿F(xiàn)對亞微米級的透明顆粒的精確控制，在生物 學(xué)實驗室中被廣泛使用。但是這種激光排布方式主要針對透明的介電顆粒， 對于高反射率的金屬材料不能控制。工藝原理對激光光斑的能量密度提出了 嚴格要求，能量密度過大會破壞正在被移動的顆粒，能量密度過小又不能使 顆粒移動。同時控制系統(tǒng)也受到限制，激光束移動速度過慢會破壞顆粒，激 光束移動速度過快會使瞬時能量密度降低，丟失正在被移動的顆粒。而且該 方法只能依次操控單個顆粒，效率低，對環(huán)境變化敏感，不能用于實際生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是實現(xiàn)金屬粉末的快速精細送粉和圖形排布，利用金屬顆粒 吸收激光后溫度快速上升這一性質(zhì)，提出一種新型激光粉末的送粉方法，可以實現(xiàn)微細金屬粉末的精細傳送，同時不降低生產(chǎn)效率，設(shè)備簡單，成本低。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將金屬粉末與有機溶劑混合，均勻涂抹于透明 材料上。有機溶劑的附著力使得金屬粉末粘在透明材料上。粘有金屬粉末的 透明材料置于激光輻照之下，金屬顆粒吸收激光后溫度上升，使其周圍的有 機物汽化或直接破壞作為黏附基礎(chǔ)的透明材料，從而使金屬顆粒下落到基底 材料上，實現(xiàn)鋪粉。本發(fā)明所使用的低功率激光器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出激光束的 功率密度嚴格限制，保證送粉排布過程中金屬粉末不被熔化。由控制系統(tǒng)依 所需圖形控制激光掃描軌跡，即可實現(xiàn)金屬顆粒的排布。
一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置，該裝置包括輸出控制信 號的計算機和發(fā)射激光束的激光器、與計算機相連接的聚焦掃描系統(tǒng)、設(shè)置 在聚焦掃描系統(tǒng)下方的二維移動平臺、放置在二維移動平臺上的基底材料、 放置在基底材料上的透明材料、放置在透明材料上的透明玻璃板。透明材料 面向基底材料的一面附著有有機溶劑和金屬粉末的混合物。 所述的激光器是連續(xù)激光器或者脈沖激光器。 所述聚焦掃描系統(tǒng)是振鏡掃描系統(tǒng)或者數(shù)控激光加工頭。 基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置進行金屬粉末的送粉排布方 法，其特征在于，該方法包括以下步驟
1 )將和有機溶劑和金屬粉末的混合物均勻涂敷在透明材料上；
2) 將透明材料鋪平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材 料，在透明材料上平放透明玻璃板。若所使用的透明材料是硬質(zhì)材料，可以
不使用玻璃板；
3) 通過調(diào)整二維移動平臺將透明材料移至聚焦掃描系統(tǒng)正下方，使聚 焦掃描系統(tǒng)對準基底材料上需要送粉的區(qū)域；
4) 調(diào)整二維移動平臺高度，使金屬粉末處于激光焦點位置；
5) 根據(jù)鋪粉或排布兩種不同目的，繪制不同的掃描圖形
若以均勻鋪粉為目的，則在聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件內(nèi)生成與基底材料形同形狀的圖形，并緊密填充；
若以顆粒排布為目的，則在計算機中生成所要排布的圖形，并轉(zhuǎn)化
成聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件能夠識別的文件；
6) 根據(jù)粉末顆粒和透明材料的特性調(diào)整激光器的輸出功率和掃描速度， 打開激光器，聚焦掃描系統(tǒng)按照計算機生成的圖形進行掃描；
7) 掃描結(jié)束后，將透明材料垂直抬起，基底材料上留下金屬粉末或金屬 顆粒圖案。
所述的有機溶劑為膠水、乙醇或丙酮。 所述的透明材料為玻璃、水晶、塑料片、薄膜或膠片。 所述的激光器的為光纖激光器、固體激光器或氣體激光器。 所述激光器可以是是連續(xù)激光器或者脈沖激光器，聚焦掃描系統(tǒng)可以是 振鏡掃描系統(tǒng)或者數(shù)控激光加工頭。
本發(fā)明的工作原理是激光器發(fā)射出的激光穿過透明材料，照射在金屬 粉末上， 一部分激光能量被金屬顆粒吸收并轉(zhuǎn)化成自身的熱量。激光束的高 能量密度使金屬顆粒在短時間內(nèi)吸收大量能量，從而使其溫度迅速上升。金 屬粉末周圍的有機溶劑非常容易揮發(fā)，在高溫下迅速汽化，使粘在它下方的 金屬顆粒失去黏性束縛，在重力作用下降落到基底材料上。若作為附著基礎(chǔ) 的透明材料是由低熔點物質(zhì)制成，無法承受金屬顆粒的高溫，就會很快融化 或汽化，使粘在它下方的金屬顆粒失去附著的基礎(chǔ)，同樣在重力作用下降落 到基底材料上。通過調(diào)整有機溶劑的成分和含量，可以調(diào)整粘在透明材料的 金屬粉末的多少，因而可以對降落在基底材料上的金屬粉末量進行精確控制。 聚焦掃描系統(tǒng)由計算機控制，使得激光按照預(yù)先設(shè)計的二維圖形軌跡掃 描透明材料。本發(fā)明所使用的低功率激光器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出激光束功率密度 的嚴格限制，保證送粉排布過程中金屬粉末不被熔化。當(dāng)作為附著基礎(chǔ)的透
明材料是硬質(zhì)材料時，可以不使用透明玻璃板。激光以1000mm/s以上的高速 掃過就可以使粉末顆粒沉降，所以生產(chǎn)效率很高。經(jīng)過聚焦的激光光斑直徑可以達到50um以下，因而本裝置可以使微米級金屬顆粒實現(xiàn)高精度的圖形排 布。


圖1為本發(fā)明的金屬粉末送粉排布系統(tǒng)示意圖 圖2為本發(fā)明的原理示意圖
圖中1、計算機，2、激光器，3、聚焦掃描系統(tǒng)，4、 二維移動平臺，5、 基底材料，6、透明玻璃板，7、透明材料，8、金屬粉末層，9、激光束， 10、激光在透明材料上的軌跡圖案，11、基底上生成的粉末圖層。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明
如圖1所示，該裝置包括輸出控制信號的計算機1、發(fā)射激光束的激光器
2、與計算機1相連接的聚焦掃描系統(tǒng)3、設(shè)置在聚焦掃描系統(tǒng)3下方的二維 移動平臺4、放置在二維移動平臺4上的基底材料5、放置在基底材料5上的 透明材料7、放置在透明材料上的透明玻璃板6。透明材料7面向基底材料5 的一面附著有有機溶劑和金屬粉末的混合物。其中，激光器2可以是連續(xù)激 光器，也可以是脈沖激光器，其作用是發(fā)射激光光束。聚焦掃描系統(tǒng)3可以 是振鏡掃描系統(tǒng)或者數(shù)控激光加工頭，其作用是對激光器1發(fā)射出來的激光 光束進行聚焦并控制出射光束的運動軌跡，二維移動平臺4的作用是使待加 工的基底材料5和粘有金屬粉末的透明材料7對準聚焦掃描系統(tǒng)3的出光口 ， 計算機l的作用是對激光器2、聚焦掃描系統(tǒng)3、 二維移動平臺4進行控制并 傳遞數(shù)據(jù)，透明玻璃板6的作用是將透明材料壓平。當(dāng)所使用的透明材料7 為硬質(zhì)材料時，可以不使用透明玻璃板6。
使用上述基于低功率激光器的金屬粉末送粉排布的裝置進行金屬粉末的 送粉排布，具體步驟如下
1) 將有機溶劑和金屬粉末的混合物均勻涂在黏性透明材料7上；
2) 將透明材料7鋪平放置在基底材料5上，使粘有粉末的一面朝向基底材料，在透明材料上平放透明玻璃板6。若所使用的透明材料7是硬質(zhì)材料，可 以不使用玻璃板6;
3)通過調(diào)整二維移動平臺4將透明材料7移至聚焦掃描系統(tǒng)3的正下方， 使
聚焦掃描系統(tǒng)對準基底材料5上需要送粉的區(qū)域；
4) 調(diào)整二維移動平臺高度4，使粘有金屬粉末的透明材料7處于激光焦 點位置；
5) 根據(jù)鋪粉或排布兩種不同目的，繪制不同的掃描圖形
若以鋪粉為目的，則在聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件內(nèi)生成與基底材料形 同形狀的圖形，并緊密填充；
若以顆粒排布為目的，則在計算機中生成所要排布的圖形，并轉(zhuǎn)化 成聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件能夠識別的文件；
6) 根據(jù)粉末顆粒和透明材料的特性調(diào)整激光器2輸出功率和掃描速度， 打開激光器，聚焦掃描系統(tǒng)3系統(tǒng)按照計算機1生成的圖形進行掃描；
7) 掃描結(jié)束后，將透明材料7垂直抬起，基底材料5上留下金屬粉末層 或金屬顆粒圖案。
有機溶劑可以選擇膠水、乙醇或丙酮。 透明材料可以選擇玻璃、水晶、塑料片、薄膜或膠片。 激光器可以選擇光纖激光器、固體激光器或氣體激光器。 本實施例的工作原理參見圖2。激光器發(fā)射出的激光束9穿過透明玻璃板 6和透明材料7，照射在金屬粉末層8上， 一部分激光能量被金屬顆粒吸收并 轉(zhuǎn)化成自身的熱量。激光束的高能量密度使金屬顆粒在短時間內(nèi)吸收大量能 量，從而使其溫度迅速上升。金屬粉末層中的有機溶劑非常容易揮發(fā)，在高 溫下迅速汽化，使粘在它下方的金屬顆粒失去黏性束縛，在重力作用下降落 到基底材料5上。若作為附著基礎(chǔ)的透明材料7是由低熔點物質(zhì)制成，無法 承受金屬顆粒的高溫，就會很快融化或汽化，使粘在它下方的金屬顆粒失去附著的基礎(chǔ)，同樣在重力作用下降落到基底材料5上。基于上述原理，激光
束9按照預(yù)先設(shè)計的二維圖形軌跡12掃描透明材料，從而在基底材料5上形 成金屬粉末圖形11。
通過調(diào)整有機溶劑的成分和含量，可以調(diào)整金屬粉末層8的厚度，也就 是粘在透明材料7的金屬粉末的多少，因而可以對降落在基底材料5上的金 屬粉末量進行精確控制。當(dāng)作為附著基礎(chǔ)的透明材料7是硬質(zhì)材料時，可以 不使用透明玻璃板6。激光束9以1000mm/s以上的高速掃過就可以使粉末顆 粒沉降，所以生產(chǎn)效率很高。經(jīng)過聚焦的激光光斑直徑可以達到50um以下， 因而本裝置可以使微米級金屬顆粒實現(xiàn)高精度的圖形排布。
以下根據(jù)鋪粉與排布兩種不同目的和軟質(zhì)與硬質(zhì)兩種透明材料，分別采 用透明黏性膠帶作為附著基礎(chǔ)透明材料，其黏性成分作為有機溶劑，和普通 玻璃作為附著基礎(chǔ)透明材料，無水乙醇為有機溶劑的兩種方案，20W脈沖調(diào) 制光纖激光器作為激光源，400目鐵粉作為粉末材料，lmm厚不銹鋼板作為 基底材料，給出不同的應(yīng)用實例
應(yīng)用實例l:
1. 將400目鐵粉均勻涂敷在透明黏性膠帶上。使粘有粉末的一面朝下并 抖動透明膠帶以去除多余鐵粉；
2. 將透明膠帶鋪平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材料， 在透明材料上平放透明玻璃板；
3. 通過調(diào)整二維移動平臺將透明膠帶移至聚焦掃描系統(tǒng)正下方，使聚焦 掃描系統(tǒng)對準基底材料中心區(qū)域；
4. 調(diào)整二維移動平臺高度，使透明膠帶處于激光焦點位置；
5. 在聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件內(nèi)生成正方形圖案，以15um緊密填充；
6. 調(diào)整激光器的參數(shù)，使輸出功率為3-4W，掃描速度為80-100mm/s， 重復(fù)頻率為20kHz，光斑直徑為40-60um打開激光器，聚焦掃描系統(tǒng)按照 計算機生成的圖形進行掃描；7.掃描結(jié)束后，將透明膠帶垂直抬起，基底材料上留下正方形鐵粉層。 應(yīng)用實例2:
1. 將無水乙醇均勻涂抹在作為附著物的透明玻璃上。
2. 將400目鐵粉均勻鋪展在涂有無水乙醇的玻璃板上，用刮板刮平，向 下抖落多余鐵粉。
3. 將玻璃板鋪平放置在基底材料上，使粘有粉末的一面朝向基底材料。
4. 通過調(diào)整二維移動平臺將透明膠帶移至聚焦掃描系統(tǒng)正下方，使聚焦 掃描系統(tǒng)對準基底材料中心區(qū)域；
5. 調(diào)整平臺高度，使金屬粉末曾處于激光焦點位置；
6. 在計算機中英文字母E圖形，并轉(zhuǎn)化成聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件能夠識 別的文件；
7. 調(diào)整激光器的參數(shù)，使輸出功率為3-4W，掃描速度為20-40mm/s，重 復(fù)頻率為20kHz，光斑直徑為20-40um打開激光器，聚焦掃描系統(tǒng)按照計 算機生成的圖形進行掃描；
8. 掃描結(jié)束后，將透明膠帶垂直抬起，基底材料上英文字母E的鐵粉圖 案。
有必要在此指出的是本實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能 理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)
明的內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布方法，其特征在于將金屬粉末與有機溶劑混合，均勻涂抹于透明材料上；將透明材料置于激光輻照之下，金屬顆粒吸收激光后溫度迅速上升，使其周圍的有機物汽化或直接破壞作為黏附基礎(chǔ)的透明材料，從而使金屬顆粒失去束縛，下落到基底材料上，實現(xiàn)鋪粉或者圖形排布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1設(shè)計的一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置，該 裝置包括輸出控制信號的計算機(1)和發(fā)射激光束的激光器(2)，其特征在 于還包括與計算機(1)相連接的聚焦掃描系統(tǒng)(3)、設(shè)置在聚焦掃描系統(tǒng)(3)下方的二維移動平臺(4)、放置在二維移動平臺(4)上的基底材料(5)、 放置在基底材料(5)上的透明材料(7)，透明材料(7)面向基底材料(5) 的一面附著有有機溶劑和金屬粉末的混合物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置，其特征 在于還包括有放置在透明材料上的透明玻璃板(6)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置，其特征 在于所述的激光器(2)是連續(xù)激光器或者脈沖激光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置，其特征 在于.*所述聚焦掃描系統(tǒng)(3)是振鏡掃描系統(tǒng)或者數(shù)控激光加工頭。
6、 使用權(quán)利要求2所述的基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置進行金屬 粉末的送粉排布方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1) 將有機溶劑和金屬粉末的混合物均勻涂在透明材料(7)上；2) 將透明材料(7)鋪平放置在基底材料(5)上，使粘有粉末的一面朝 向基底材料(5)，在透明材料上平放透明玻璃板(6);若所使用的透明材料(7)是硬質(zhì)材料，不使用透明玻璃板(6);3) 通過調(diào)整二維移動平臺(4)平臺將透明材料(7)移至聚焦掃描系統(tǒng) (3)的正下方，使聚焦掃描系統(tǒng)對準基底材料(5)上需要送粉的區(qū)域；4) 調(diào)整二維移動平臺(4)的高度，使粘有金屬粉末的透明材料(7)處于激光焦點位置；5) 根據(jù)鋪粉或排布兩種不同目的，繪制不同的掃描圖形 若以鋪粉為目的，則在聚焦掃描系統(tǒng)控制軟件內(nèi)生成與基底材料相同形狀的圖形，并緊密填充；若以顆粒排布為目的，則在計算機中生成所要排布的圖形，并轉(zhuǎn)化成聚 焦掃描系統(tǒng)控制軟件能夠識別的文件；6) 根據(jù)粉末顆粒和透明材料的特性調(diào)整激光器(2)輸出功率和掃描速度， 打開激光器，聚焦掃描系統(tǒng)(3)系統(tǒng)按照計算機(1)生成的圖形進行掃描;7) 掃描結(jié)束后，將透明材料(7)垂直抬起，基底材料(5)上留下金屬粉 末層或金屬顆粒圖案。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所述的一種基于低功率激光的金屬粉末送粉 排布方法，其特征在于所述的有機溶劑為膠水、乙醇或丙酮。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所述的一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布方法，其特征在于所述的透明材料為玻璃、水晶、塑料片、薄膜或膠 片。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布方法，其 特征在于所述的激光器的為光纖激光器、固體激光器或氣體激光器。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于低功率激光的金屬粉末送粉排布裝置和方法，屬于微加工領(lǐng)域。包括計算機、激光器、聚焦掃描系統(tǒng)、二維移動平臺、基底材料、透明玻璃板和粘有粉末顆粒的透明材料。將透明材料平鋪于基底材料上，根據(jù)不同的粉末特性、基底特性、透明材料的特性、金屬粉末對透明材料的黏性，以及排布圖形的特性，來調(diào)整照射在金屬粉末上的激光的功率參數(shù)和掃描參數(shù)。激光照射在金屬顆粒上，由于顆粒對激光的吸收產(chǎn)生巨大的熱量，將黏性束縛去除，使得金屬顆粒沉降在基底材料上，實現(xiàn)可控排布。本發(fā)明采用低功率激光器作為光源、粘粉透明材料作為送粉機構(gòu)，采用聚焦掃描系統(tǒng)的方法，排布速度快，對鋪粉圖案控制精確，而且設(shè)備簡單、成本低。
文檔編號C23C24/00GK101413120SQ20081022768
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者呂鵬飛, 威 楊, 陳繼民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)