CN100414345C - 快速成形激光二极管能量源及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明的快速成形激光二极管能量源，包括光源激光二极管LD，其特点是还有柱面镜组与扩束器、及支架或者壳体；柱面镜组包含快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束。其设备包括由激光二极管能量源、指向器、合光器、耦合扩束器、动态聚焦模块、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜等组成的光学系统，工作台，支架及壳体。具有体积小、可靠性好、寿命长、光谱可选等优点。成形材料范围宽，成形精度和质量高，设备可小型化。

Description

快速成形激光二极管能量源及其设备

一、技术领域

本发明属于机械工程学科快速成形技术领域，主要涉及快速成形设备激光二极管能量源。

二、技术背景

自1988年世界上第一台商业化快速成形机问世以来，快速成形技术(RPT)有了很大发展，目前世界上已投入应用的主要设备和工艺方法有以下几种：选择性光固化(SLA，也称立体印刷法)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体法(LOM，也称切纸法)和选区喷塑法(FDM)。上述四种常用的快速成形(RP)工艺方法各有优点和不足，适合于不同的加工对象和条件。前三种工艺都使用激光作为能量源，因此也称为激光快速成形技术。

●LOM法可成形大中型零件，不变形，成形时间短，但尺寸精度较低，且材料损耗大，废料不易清除。激光光源一直使用CO₂气体激光器(λ＝10.6μm)，如Synrad公司、Coheren公司等的50W和30W的CO₂激光器。

●SLS法可制作中小型零件，成形材料广泛，使用SLS法可直接烧结金属粉末材料制造产品结构件。精度较高，但是SLS法不能加工大型工件。

●SLA法使用光敏树脂材料，可直接制造中、小型塑料件，表面粗糙度好，尺寸精度高，被认为是一种应用最广、技术最成熟、精度最高的RPT，因而成为研究热点，但制造中有物相变化，变形较大，液体中成形零件需要支撑。

目前，SLA法烧结树脂粉末时激光光源也是使用50W的CO₂气体激光器，烧SLS法结金属粉末材料一般使用千瓦级CO₂气体激光器。总之，现有激光快速成形系统使用的激光光源都是气体激光器，如在选择性激光烧结快速成形(SLSRP)、分层实体制造快速成形(LOM RP)系统中使用CO₂气体激光器，在光固化快速成形(SLA RP)系统中一般使用He-Cd气体激光器。这些气体激光器体积大、可靠性差、寿命短、光谱固定而不可选。

三、发明内容

本发明的目的是克服现有激光快速成形系统使用的激光光源存在的缺点和不足，以红外、紫外激光二极管为光源并辅助以光学元件集成为模块，构成激光快速成形设备使用的激光二极管能量源。充分利用和发挥了激光二极管具有的体积小、可靠性好、寿命长、光谱可选等优点，有利于拓宽适用材料范围，有利于提高成形精度和质量，易于实现激光快速成形设备小型化，使激光快速成形设备真正成为一种桌面式三维打印系统。

激光二极管LD为近红外激光二极管则可用于SLS、LOM快速成形设备；激光二极管LD为紫外激光二极管则可用于SLA快速成形设备。

就上述目的本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种快速成形激光二极管能量源，包括光源激光二极管LD，柱面镜组与扩束器；柱面镜组包含快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束；特征在于：所述的光源激光二极管LD为近红外或紫外激光二极管LD，近红外激光二极管的波长为：λ＝808μm。

一种快速成形设备，包括能量源、指向器、合光器、耦合扩束器、动态聚焦模块、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜组成的光学系统，工作面，支架及壳体；其特征在于：所述的光学系统中的耦合扩束器(7)是用于调整激光二极管能量源发出光束的直径，并使光束的直径与动态聚焦模块入孔的直径相同；所述的能量源是快速成形激光二极管能量源；能量源中的光源为近红外或紫外激光二极管LD，近红外激光二极管LD的波长为：λ＝808μm。

发明涉及的快速成形激光二极管能量源主要元件激光二极管LD的光束特性分析如下：

激光二极管LD的输出孔径为一狭缝，因此其光束远场图像是单缝夫琅和费衍射图像，是狭缝孔径上的复振幅分布的傅里叶变换。

$\tilde{E}\left(P\right)=C\frac{1}{f}\exp \left[\mathrm{ik}(f+\frac{x^2+y^2}{2f})\right]\∫{\∫}_{\mathrm{\Σ}}{A}^{\′}\exp [-\mathrm{ik}(\frac{x}{f}{x}_1+\frac{y}{f}{y}_1)]{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1$

式中，

为观察平面上P点的复振幅分布， $C=\frac{1}{\mathrm{i\λ}},A^{\′}=\tilde{E}(x_1+y_1)$ 是孔径平面x₁y₁内的复振幅分布，当平面波垂直照射孔径时，

为常数A′。

对于矩孔衍射，P点的光强分布为 $I={\left|\tilde{E}\right|}^2=I_0{\left[\frac{\sin \frac{\mathrm{kla}}{2}}{\frac{\mathrm{kla}}{2}}\right]}^2{\left[\frac{\sin \frac{\mathrm{k\ωb}}{2}}{\frac{\mathrm{k\ωb}}{2}}\right]}^2$

式中，I₀为观察平面中心P₀点的光强，a，b为矩孔的长、宽，l，ω为P点光线的方向余弦。

当矩孔的长、宽符合b＞＞a时，矩孔成单缝。单缝衍射在x轴上的光强分布为

$I=I_0{\left(\frac{\sin \frac{\mathrm{kla}}{2}}{\frac{\mathrm{kla}}{2}}\right)}^2$

激光二极管LD光束具有以下特点：振幅分布为高斯函数，完全类似于许多气体激光器的TEM₀₀模式。光束具有像散、不对称、高发散等空间特性，光束截面形状如椭圆。光束扩展的半幅值宽度大约为30°×40°；如图1所示，发散小的方向称为慢轴方向(a图)，发散大的方向称为快轴方向(b图)。

激光二极管LD光束的这种空间特性很不利于它的应用，一般都需要进行改善。改善方法包括准直与扩束，其目的是使这种高发散的像散光束变成圆的平行光束。

发明涉及的快速成形激光二极管能量源，其突出的实质性特点和显著的技术进步是：

1、比CO₂，He-Cd气体激光器寿命长、工作可靠，且体积小易于实现装置小型化，使激光快速成形设备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现实。

2、激光二极管LD在低电压下工作，有利于设备的安全操作；其电光转换效率比CO₂，He-Cd气体激光器高很多，有利于节能。

3、随着高功率近红外激光二极管LD和紫外激光二极管LD的市场化，其价格也越来越便宜。快速成形激光二极管能量源可直接与现有激光快速成形系统集成，可较大幅度地降低系统成本。

4、由于激光二极管LD在近红外、紫外波段内可有多种波长选择，适合于不同改性树脂材料(在SLS RP和SLA RP中)的吸收特性，因此，有利于拓宽适用材料范围。

5、近红外激光二极管LD的波长(0.808μm)比CO₂激光的波长(10.6μm)小十几倍，因此，焦斑直径可以做得很小，有利于提高成形精度和质量。另外，对于金属粉末来说，短波长激光比长波长激光的热效应高，有利于提高成形效率。

四、附图说明

图1为激光二极管光束慢、快轴(准直后)高斯光束振幅(高斯)分布图；

图2为快速成形激光二极管能量源图；

图3为快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜示意图；

图4为两个相同的棱镜组成的扩束器示意图；

图5为激光二极管能量源的快速成形装置的光学系统图；

五、具体实施方式

以下结合附图说明本发明(实用新型)具体实施方式。

如图2所示，为快速成形激光二极管能量源；光源为激光二极管LD101，激光二极管LD光源输出的像散光束由柱面镜组102准直成为平行光束，再由扩束器103将慢轴平行光束进行扩束，激光二极管光源输出的像散光束经过准直与扩束变为圆的平行光束。所述的光源激光二极管LD为近红外或紫外激光二极管，近红外激光二极管LD的波长为：λ＝808μm。

其中：所述的柱面镜组包含快轴准直柱面镜1021与慢轴准直柱面镜1022，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直，在激光二极管LD光源慢轴平面内，快轴准直柱面镜相当于一片平行玻璃板，对光不起折射作用，而慢轴准直柱面镜相当于一个球面透镜，将光束准直成平行光束；同样，在激光二极管LD光源快轴平面内，慢轴准直柱面镜相当于一片平行玻璃板，对光不起折射作用，而快轴准直柱面镜相当于一个球面透镜，光束经快轴准直柱面镜准直后也成为平行光束；准直后的光束在快、慢轴两个方向上的光束直径并不相等，需要对慢轴方向上的光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样。

对于这种像散光束有多种准直方法，如使用复杂透镜组或单片非球面透镜，而使用柱面透镜的方法更为简单。将两个焦距不等、母线相互垂直的平凸柱面透镜的焦平面调到与激光二极管LD的发光面重合，光束通过两柱面透镜时，只在径向发生折射，在母线方向不发生折射，从而分别实现对慢轴和快轴方向发散光束的准直。

如图3所示，从像差角度考虑，安装时平凸柱面透镜的平面应面对激光二极管LD的发光面，使平行光束从凸面输出。

准直后的光束在快、慢轴两个方向上的光束直径并不相等，需要对慢轴方向上的光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样。这种单方向的扩束技术也有多种方法。如使用两个母线相互平行的平凸柱面透镜组成望远系统，只对慢轴方向上的光束进行扩束。

更为简单的方法是使用棱镜组，如图4所示，两个相同的棱镜按布儒斯特角∠B安装，这对于属于线偏振光的激光二极管LD光束，具有最小的反射损失。棱镜组只对纸平面即慢轴平面内的光束进行扩束，在与纸平面垂直的另一个方向上即快轴平面内的光束直径不变。改变两棱镜的夹角，可得到不同的扩束比β＝D/d。

本发明的快速成形激光二极管能量源，还包括用于支撑、固定光源激光二极管LD、柱面镜组、及扩束器的支架或者壳体。使用支架或者壳体将固定光源激光二极管LD、柱面镜组、及扩束器等元器件集成组装在一起，构成用于快速成形加工设备的新能量源部件。或者称之为新能量源模块。支架或者壳体的结构可以由一般工程设计完成(本领域普通的技术人员)，这里没有给出示意图。

如图5所示，为使用本发明的快速成形激光二极管能量源开发的快速成形设备的光学系统。该快速成形设备的光学系统除了激光二极管能量源1和耦合扩束器7外，扩束器7是用于调整激光二极管能量源发出光束的直径，并使光束的直径与动态聚焦单元入孔的直径相同(耦合)，其余部分是现有快速成形设备的已有技术，其中：

光学系统含有指向器2、合光器3、动态聚焦模块4、x轴扫描振镜51、y轴扫描振镜52；此外快速成形设备还有工作面6、支架及壳体等等。快速成形设备所利用的现有技术有：

●激光二极管能量源1发出的近红外或紫外光谱是不可见的(近红外激光二极管LD的波长为0.808μm)，设置指向器2，将它们的光轴调至同轴，便可用红光的路径来代表近红外或紫外光的路径，以便于系统调试，并可在加工中观察到它们的扫描路径。

●合光器3使LD光源模块和指向器光轴调至同轴。

●动态聚焦单元4对平行光束聚焦，并可纠正系统的轴向聚焦误差，使在工作面上得到尺寸一致的激光焦斑，提高加工质量。

●x轴和y轴扫描振镜将激光焦斑送到工作面上任何指定位置，工作面代表承载成形材料的加工平面。

由本发明激光快速成形激光二极管能量源构成的快速成形设备，可广泛应用于包括汽车工业在内的机械、石油化工、电子、计算机、生物医学工程、工艺品和玩具制造等领域。其特殊的应用优势表现在以下方面：

●可以加工各种模具，包括用于精密铸造的消失模；

●新产品开发和设计中的原型制造，以供评价和修改，可以缩短开发周期，降低开发成本；

●制作那些难以机械加工的复杂零件和一些单件生产的零部件。如汽车工业提出的解决轿车的中、小铸件，包括涡轮增压器、排气歧管、制动盘和曲轴等铸件的质量问题，使用RPT制造铸模非常有利于这些问题的解决；

●电子产品、工艺品、儿童玩具等产品的开发速度快，更新换代周期短，利用RP与RE的集成技术可加快这些美学造型要求高的新产品的开发周期。

●使用SLA快速成形工艺和生物亲和材料制造人造器官及人造骨骼，由于这些产品形状特别复杂，其他加工手段难以满足，而RPT有着无与伦比的优势。

本发明上除了以上优势以外，因其系统体积小易于实现装置小型化、桌面化，因此，特别适合于设计原型和小型零件的制造。加上激光二极管光源寿命长、系统工作可靠、适用材料范围宽、成型精度高等优点，必定会有更广阔的应用前景。

Claims (2)

1. 一种快速成形激光二极管能量源，包括光源激光二极管LD(101)，柱面镜组(102)与扩束器(103)；柱面镜组包含快轴准直柱面镜(1021)与慢轴准直柱面镜(1022)，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束；特征在于：所述的光源激光二极管LD为近红外或紫外激光二极管，近红外激光二极管的波长为：λ＝808μm。

2. 一种快速成形设备，包括能量源(1)、指向器(2)、合光器(3)、耦合扩束器(7)、动态聚焦模块(4)、x轴扫描振镜(51)、y轴扫描振镜(52)组成的光学系统，工作面(6)，支架及壳体；其特征在于：所述的光学系统中的耦合扩束器(7)是用于调整激光二极管能量源发出光束的直径，并使光束的直径与动态聚焦模块入孔的直径相同；所述的能量源是快速成形激光二极管能量源；能量源中的光源为近红外或紫外激光二极管LD，近红外激光二极管LD的波长为：λ＝808μm。

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