為了完成激光3D打印實體試樣和對激光等離子體進行檢測,研究不同送粉參數(shù)和激光參數(shù)下的激光等離子體行為,設計了激光3D打印實驗系統(tǒng)和等離子體檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光器、三維數(shù)控平臺、電信號采集系統(tǒng)、圖像信息檢測系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)組成,以下進行具體說明。
激光器采用深圳聯(lián)贏公司HWLW-600A型Nd:YAG激光器,激光波長1.064μm,可以對外輸出脈沖波形,波形可以根據(jù)加工需求設置為不同形狀的波形,最大額定功率600W,最大單脈沖峰值功率10kW,最大脈沖重復頻率300Hz,最大脈沖寬度30.0ms,單脈沖最大能量100J,采用能量負反饋模式,聚焦透鏡焦距120mm。
操作平臺采用與激光器配套的三維數(shù)控平臺,可以實現(xiàn)數(shù)控編程,四軸聯(lián)動,X方向最大移動距離1200mm,Y方向最大移動距離600mm,Z方向最大移動距離800mm,W方位為旋轉軸,可以實現(xiàn)在X方向或者Y方向的旋轉。數(shù)控操作文件可以使用操作臺內置電腦編寫,也可以在其他計算機上采用專門的軟件編寫完成后導入。加工時激光噴嘴固定不動,通過工作臺移動來完成激光與工作臺的相對位移。
等離子體鞘層理論描述的是當一個低溫物體(與等離子體的溫度相比較而言)伸入等離子體時,會在該物體與等離子體的接觸面上形成一個帶負電位的區(qū)域,這個區(qū)域的厚度在數(shù)值上等于德拜長度(Debye length)。等離子體整體是呈電中性的,但在與外界物體的接觸面上的點位為負電位,所以對外表現(xiàn)為具有可測量的電壓。根據(jù)研究,眾多的學者認為等離子體鞘層產生的原因是這樣的:在等離子體中,存在著大量的帶電粒子,包括帶負電的電子和帶正電的金屬離子,這些粒子做著無規(guī)則的熱運動,并在空間之中向四周擴散。通常認為等離子體中的電子和正離子的溫度是相同的,但是電子的質量遠小于正離子的質量,所以自由電子平均熱運動速度遠大于正離子的平均熱運動速度。下面以噴嘴為例進行說明,由于電子平均熱運動速度遠大于正離子的平均熱運動速度,所以單位時間內到達噴嘴頂端的電子數(shù)量遠大于正離子,這樣在噴嘴前方電子不斷聚集,并隨著負電荷不斷積累,產生了負電勢。在此負電勢作用下,帶負電的電子運動速率逐漸降低,帶正電的正離子運動速率逐漸增加。該過程最終達到平衡后,負電勢區(qū)域動態(tài)平衡不再減少。最終噴嘴端面處出現(xiàn)電子聚集區(qū),噴嘴前方一個小區(qū)域出現(xiàn)正離子聚集區(qū),從而形成等離子體鞘層。