[发明专利]一种增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法

说明书

本发明涉及一种增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法，属于材料技术领域。运用超快脉冲激光直写及诱导技术在空间增材制造用丝材的表面制备出多尺度的微纳米复合结构。超快脉冲激光直写产生的宏观微结构致使光在其内部多重散射而形成“光阱”，入射的光被其捕获而降低其反射；同时，在微结构表面诱导的有序周期性金属纳米结构可以激发表面等离激元，形成的局域表面等离激元共振也会降低光的反射。该多尺度微纳复合结构的双重“减反”功效可以高效增强丝材对激光能量的吸收，从而使得激光熔丝成型技术在太空增材制造应用中最大化利用激光能量，从而降低“功耗”。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法。

背景技术

空间增材制造(太空3D打印)技术是智能制造领域具有颠覆性引领性质的重大研究方向之一。相比于传统的地面建材制造后运输至太空的方式，空间在轨增材制造(如：在轨航天器的维修和零部件替换等)在减少运输、备件数量、空间补给保障和及时性等方面均具有明显的优势。太空与地面最大的不同在于其微重力环境，失重的工作环境是空间增材制造面临的一系列挑战之一。地面增材制造中常用粉末或液体，在太空微重力环境下会漂浮在空中，难以附着成型，只有使用丝材的熔融沉积成型(FDM)技术与电子束自由成型(EBF3)技术较易于实现，这也正是目前国际上主要开展这两种太空3D打印技术研究的原因所在。

空间站舱内资源有限，空间在轨增材制造受到诸多因素的约束，比如：原材料、重量、空间尺寸及功耗等。目前，金属材料空间增材制造技术受限的最大原因是设计出来的设备难以满足上述约束条件。因此，针对太空激光熔丝成型技术，如何最大化地利用激光能量？是降低功耗这一难题的关键之一。常规提高材料吸收率的手段主要是在材料的表面涂覆上吸光物质或镀上减反膜。然而，具有强吸收的涂层材料与基材成分不同，会降低打印件的性能而不能满足太空使用需求；金属和自由空间之间存在光学阻抗失配，在金属表面制备减反射层也存在着巨大的挑战。因此，吸收涂层和减反膜这两种常规增强吸收的方法并不适用于金属丝材的太空3D打印。

本发明提出运用超快脉冲激光微纳加工技术在丝材表面制备“减反”结构阵列来提升材料对激光能量的吸收效率。这些表面的宏观微结构作为“光阱”可以减少激光反射；同时，有序的周期性金属纳米结构可以激发表面等离激元，形成的局域表面等离激元共振也会降低光的反射。因此，具有这种微纳复合结构的丝材表面可以发挥双重“减反”功效，达到有效增强其吸收激光能量的目的，从而大幅度地降低空间增材制造的能量需求。

目前，增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法还未有相关报道；另外，超快激光微纳加工技术只是针对平面材料进行加工，还未有曲面或柱面加工的报道,因此，该方法和技术都具有原创性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法，该方法高效、简单、无污染，可以宽波段、大幅度增强金属丝材对光的吸收。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种增强空间增材制造丝材激光能量吸收效率的方法，将空间增材制造的金属丝材用自紧式夹头固定在旋转电机的中心轴上，并将旋转电机安装在一维电动平移台上，实现丝材的精密转动和平移；

激光束从超快脉冲激光器发出后，经过系列光学元件将激光束聚焦到固定在旋转-平移台上的金属丝表面；

激光束经过的光学元件依次为反射镜一、反射镜二、光阑、格兰-泰勒棱镜、电子快门、潜望镜、反射镜三和凸透镜二；加工过程由同轴的光电探测器进行在线监测；

反射镜一和反射镜二改变光束传播方向；

光阑控制入口光斑大小；

格兰-泰勒棱镜调节脉冲激光功率和能量；

电子快门控制激光启停和脉冲数；