為了完成激光3D打印實(shí)體試樣和對激光等離子體進(jìn)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(shè)計(jì)了激光3D打印實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shè)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(fù)頻率300Hz，最大脈沖寬度30.0ms，單脈沖最大能量100J，采用能量負(fù)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(shí)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(zhuǎn)軸，可以實(shí)現(xiàn)在X方向或者Y方向的旋轉(zhuǎn)。數(shù)控操作文件可以使用操作臺內(nèi)置電腦編寫，也可以在其他計(jì)算機(jī)上采用專門的軟件編寫完成后導(dǎo)入。加工時(shí)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(dāng)一個(gè)低溫物體（與等離子體的溫度相比較而言）伸入等離子體時(shí)，會在該物體與等離子體的接觸面上形成一個(gè)帶負(fù)電位的區(qū)域，這個(gè)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(diǎn)位為負(fù)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(xué)者認(rèn)為等離子體鞘層產(chǎn)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(fù)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(yùn)動，并在空間之中向四周擴(kuò)散。通常認(rèn)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(zhì)量遠(yuǎn)小于正離子的質(zhì)量，所以自由電子平均熱運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于正離子的平均熱運(yùn)動速度。下面以噴嘴為例進(jìn)行說明，由于電子平均熱運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于正離子的平均熱運(yùn)動速度，所以單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)噴嘴頂端的電子數(shù)量遠(yuǎn)大于正離子，這樣在噴嘴前方電子不斷聚集，并隨著負(fù)電荷不斷積累，產(chǎn)生了負(fù)電勢。在此負(fù)電勢作用下，帶負(fù)電的電子運(yùn)動速率逐漸降低，帶正電的正離子運(yùn)動速率逐漸增加。該過程最終達(dá)到平衡后，負(fù)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(gè)小區(qū)域出現(xiàn)正離子聚集區(qū)，從而形成等離子體鞘層。

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