1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
2 北京工业大学北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
3 中国人民解放军61646部队, 北京 100089
选区激光熔化成形过程中的加工参数对其制件的性能有重要的影响, 因此, 研究了选区激光熔化加工过程中不同扫描速度和不同激光功率对成形的Ti6Al4V合金制件的性能的影响, 主要包括制件的断裂行为, 并从其微观组织结构着手, 研究了Ti6Al4V合金制件的断裂机制。试验结果表明: 在不同的加工参数下, 制备的Ti6Al4V合金制件的断口形貌有显著差异; 通过选择不同的扫描速度和激光功率, 可有效调控Ti6Al4V合金制件断口处金属晶粒的大小、内部孔洞缺陷等。通过对选区激光熔化成形Ti6Al4V合金制件的断口形貌分析, 得到最优化的加工参数为: 激光功率240 W、扫描速度1 200 mm/s、铺粉层厚0.03 mm及扫描间距0.14 mm。此时, Ti6Al4V合金制件的抗拉强度达到1 177 MPa。
选区激光熔化 断口形貌 力学性能 selective laser melting Ti6Al4V Ti6Al4V fracture morphology mechanical property
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京工业大学北京市激光应用技术工程研究中心, 北京 100124
通过实验研究了超快激光诱导亚波长周期结构表面形貌的变化和调控, 利用1 064 nm皮秒激光和800 nm飞秒激光辐照金属钛, 通过改变脉冲个数和激光辐照方式, 研究孵化效应在亚波长表面周期结构产生过程中的影响。研究发现: 1)亚波长周期结构区域、烧蚀区域和亚波长表面结构周期均随着皮秒激光脉冲个数的增加而增大, 但是增加相同的脉冲个数, 因孵化效应的作用使其增幅不同; 2)改变激光辐照方式可有效增大亚波长表面周期结构面积的同时可制备更精细的亚波长周期结构: 亚波长周期结构区域和烧蚀区域直径在辐照方式为N=500+1000和N=1000+500情况下均有增大, 同时前序脉冲个数较少后序脉冲个数较多的情况下(如N=500+1000), 增幅更大; N=500+1000和N=1000+500辐照情况下其亚波长表面周期小于N=1500的情况。由此可知, 综合考虑脉冲个数、激光辐照方式和孵化效应的影响, 通过分序两步法可有效调控亚波长表面周期结构的形貌, 提高亚波长表面周期结构的制备效率和质量, 可高效制备高质量大面积一致性亚波长表面结构。
超快激光 亚波长表面周期结构 孵化效应 脉冲个数 激光辐照方式 ultra-fast Laser sub-wavelength ripples incubation effects pulse number irradiation modes
1 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
2 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
针对目前制作特发性脊柱侧凸支架存在加工周期长, 在患者身上涂泥取模, 加工流程冗长等问题, 一些措施应该被采取来解决这些问题。将选择性烧结3D打印技术运用到特发性脊柱侧凸支架的整体制造中, 经过试验测试, 选择性烧结技术可以极大地缩短支架加工时间, 减少加工步骤, 并且对支架形态进行测试方面有着一定的优势, 提高特发性脊柱侧凸支架制造的效率。主要借助手持式扫描仪对患者进行身体扫描, 并根据扫描结果建立分块式脊柱侧凸矫正支架。结合Geomagic和Rhino软件, 通过ANSYS Workbench进行仿真及拓扑优化设计, 基于模型的拓扑优化结果, 对remove部分进行蜂窝形孔洞填充, 减轻重量。并对模型进行工程受力验证, 对比优化前后支架承受载荷能力。测试结果表明, 创新地提出的分块式脊柱侧凸支架在设定一定约束的条件下和保证支架矫正功能的情况下, 拓扑优化结构可以达到轻量化的功能, 减重达到8.36%, 拓扑优化后前胸板承受载荷能力为原始结构的97.61%, 后背板为96.62%。
选择性激光烧结 脊柱侧凸 医疗护具 拓扑优化 数值模拟 selective laser sintering scoliosis medical care topology optimization numerical simulation
选区激光熔化成形过程中, 熔道与单层的成形特点在很大程度上决定了成形零件的性能。实验探究了熔道的成形特点随激光功率与扫描速度的变化规律, 分析了适合成形的熔道类型。在单层实验中, 从扫描线长度出发, 探究了在搭接过程中熔道间热影响与成形面质量联系。总结了成形熔道高度的分布规律。通过三维轮廓仪观察实验结果并与工艺相对成熟的成形结果进行对比获得了设备的工艺参数。介绍了一种填充策略, 实验验证可以有效提高成形面质量。
选区激光熔化 熔道 多道搭接 扫描线长度 selective laser melting single track multi-track lap track length
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京工业大学 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HAP)是广泛应用于临床骨缺损修复的支架材料, 但传统方法不易使其成型形状复杂的个人定制化人工骨植入物, 因此, 有必要将3D打印技术应用于HAP陶瓷成型。以HAP粉末和光敏树脂为原料, 通过粘度测试, 制备HAP质量比为30%的混合物, 用于光固化面曝光3D打印技术成型陶瓷坯体。根据热重(Thermogravimetric, TG)和差热(Differential Scanning Calorimetry, DSC)分析结果, 发现光敏树脂分解的主要温度区间为300 ℃至500 ℃, 由此确定坯体的烧结工艺参数, 包括烧结的温度范围和升温速度, 烧制得到的成型件, 体积收缩约为65.2%, 通过X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析其物相组成。实验结果证明, 利用光固化面曝光3D打印技术能够成型陶瓷坯体, 通过适当的高温处理, 可去除原料中的光敏树脂, 得到陶瓷制件。
3D打印 羟基磷灰石 陶瓷成型 3D printing hydroxyapatite ceramic molding
Author Affiliations
Abstract
Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
During the formation of sub-wavelength ripples, the initial surface plasmon (SP)-laser interference plays an important role. In this Letter, the effects of grating structures on the distribution of the absorbed laser intensity, SP-laser coupling, free electron distributions, and ablation shapes are investigated by the plasma model, taking into consideration both the laser wave-particle duality and the transient localized changes of material properties. The simulation results show that the grating structures can strongly enhance the energy absorption and SP-laser coupling, which makes the fabrication of sub-wavelength ripples more efficient. It is also found that the ablation shapes, in terms of ablation depths and sub-wavelength ripples periods, are strongly related to the grating structures, which can be used to control micro/nanostructures precisely and uniformly.
140.3390 Laser materials processing 220.4241 Nanostructure fabrication 320.7090 Ultrafast lasers Chinese Optics Letters
2016, 14(1): 011404
利用自主开发的选区激光熔化设备以钴铬合金为成型材料，在进行了系统的工艺优化研究的基础上，对选区激光熔化(SLM)制件成型过程中表面粗糙度演化、微观形貌、致密度以及硬度之间的内在联系进行了研究。研究发现：成型过程中粉层的熔化收缩以及厚度的累积是造成成型质量变差的重要原因；较小的表面粗糙度累积效应，可大大减少成型件内部的孔隙数量从而提高致密度，粉层厚度的降低是减小表面粗糙度累积效应和提高致密度的关键；制件的宏观硬度比显微硬度对制件致密度存在更显著的依赖关系：致密度越大，宏观硬度越大。通过优化工艺制得的工件致密度达到98.04%，宏观硬度为40HRC，符合美国材料实验协会(ASTM)标准。
光学制造 选区激光熔化 表面粗糙度 致密度 硬度 中国激光
2015, 42(11): 1103006
Author Affiliations
Abstract
1 NanoManufacturing Fundamental Research Joint Laboratory of National Science Foundation of China, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
3 Key Laboratory of Cluster Science, Ministry of Education, School of Chemistry, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
4 State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China
5 Department of Electrical Engineering, University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, NE 68588-0511, USA
We present a doping method to improve the femtosecond laser ablation rate and promote ablation selectivity. Doping transition metal ions, Co2+ or Cu2+, in silicate glass apparently change absorption spectroscopy and induce resonant absorption at wavelengths of 600 and 800 nm, respectively. Comparing with femtosecond laser processing of the same glass without doping, we find that the threshold fluence decreases and the ablation rate increases in resonant absorption in doped silicate glass. Resonant absorption effectively increases multiphoton ionization for seed-free electron generation, which in turn enhances avalanche ionization.
140.7090 Ultrafast lasers 220.4610 Optical fabrication Chinese Optics Letters
2014, 12(12): 121402
Author Affiliations
Abstract
The manipulation of the subpulse number, pulse delay, and pulse energy distribution of an ultrafast laser enables electron dynamics control by changing absorptions, excitations, ionizations, and recombinations of electrons, which can result in smaller, cleaner, and more controllable structures. This letter experimentally reveals that ablation sizes and recasts can be controlled by shaping femtosecond pulse trains to adjust transient localized electron dynamics, material properties, and corresponding phase change mechanisms.
140.3390 Laser materials processing 320.7130 Ultrafast processes in condensed matter, including semiconductors 320.5540 Pulse shaping Chinese Optics Letters
2013, 11(4): 041403
