CN103358555A

CN103358555A - 用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统及方法

Info

Publication number: CN103358555A
Application number: CN2012100913148A
Authority: CN
Inventors: 李延民; 郭锐; 谭文; A.伊克勒夫; 陈晓宾; 蔡国双; 彭志学; 徐文龙; 李鹏
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-23
Also published as: US20140198365A1; DE102013103096A1; NL2010493B1; NL2010493A

Abstract

本发明涉及一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统及方法，该系统包括激光器，用于产生一束初始激光；激光分束器，用于将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；第一扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第一激光按照预设的方向发射；及第二扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第二激光按照预设的方向发射。

Description

用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光扫描系统及方法，特别涉及一种使用于激光快速成型加工设备上的激光扫描系统及方法。

背景技术

目前，激光快速成型加工设备越来越广泛的应用在制造立体产品或模型上。例如，使用一束紫外激光扫描并选择聚合的一种单体(即，固化一种液状塑料)，从而从一个预先确定的零件模型逐层、逐线地构筑出一个原型。具体地，激光被聚焦在一个液体树脂池的一部分上从而在激光焦点接触(即，入射到)液体的状态下使液体聚合(或固化)。这种技术使一个零件能够被快速生产出来，否则，如通过铸模方法要花费较长的时间。

另外一个例子，同样采用一束紫外激光执行选择性的粉末激光烧结(或熔化)来进行快速成型加工。其中，烧结是一种采用激光加热将一种粉末状材料的温度提高到其软化点的方法，由此造成在加热区域中的粉末微粒熔合在一起。该选择性激光烧结设备主要包括激光器、扫描单元、粉末加工床及控制单元。激光器与扫描单元一起组成了一个激光扫描系统用于提供加工所需要的激光束。

在具体的激光烧结过程中，通过扫描单元调整后的激光按照预定的程序入射至该粉末加工床上的粉末进行逐层烧结，在每层烧结完成后，粉末传送系统将下一层粉末推入到加工活塞上，同时，加工活塞向下移动一层距离，依此往复。如此，由程序设定的产品模型将被加工成型。尽管传统的激光快速成型加工设备能一定程度上加速产品的制造，但传统的激光快速成型加工设备中的激光扫描系统仅仅通过一束激光进行加工，故工作效率还是相对不高，尤其对较大尺寸的产品来说。

所以，需要提供一种新的激光扫描系统及方法解决至少上述问题。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统，该系统包括：

激光器，用于产生一束初始激光；

激光分束器，用于将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

第一扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第一激光按照预设的方向发射；及

第二扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第二激光按照预设的方向发射。

本发明的另一个方面在于提供一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统，该系统包括：

激光器，用于产生一束初始激光；

第一激光分束器，用于将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

第二激光分束器，用于将该束第一激光分束为一束第三激光及一束第四激光；

第三激光分束器，用于将该束第二激光分束为一束第五激光及一束第六激光；

第一扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第三激光按照预设的方向发射；

第二扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第四激光按照预设的方向发射；

第三扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第五激光按照预设的方向发射；及

第四扫描单元，在控制信号的控制下调整该束第六激光按照预设的方向发射。

本发明的再一个方面在于提供一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描方法，该方法包括：

产生一束初始激光；

将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

在控制信号的控制下调整该束第一激光按照预设的方向发射；及

在控制信号的控制下调整该束第二激光按照预设的方向发射。

产生一束初始激光；

将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

将该束第一激光分束为一束第三激光及一束第四激光；

将该束第二激光分束为一束第五激光及一束第六激光；

在控制信号的控制下调整该束第三激光按照预设的方向发射；

在控制信号的控制下调整该束第四激光按照预设的方向发射；

在控制信号的控制下调整该束第五激光按照预设的方向发射；及

在控制信号的控制下调整该束第六激光按照预设的方向发射。

通过应用本发明多束激光扫描系统及方法，可在加工产品时仅应用一个激光器即可同时产生多束激光进行加工，由此可成倍的提高工作效率。另外，对于加工大尺寸产品来说，由于每一束激光加工的范围变小了，故可避免由单一激光进行整体加工时引起的光线漂浮问题。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明多束激光扫描系统的较佳实施方式应用于一激光快速成型加工设备的示意图。

图2为本发明多束激光扫描系统的另一较佳实施方式与一粉末加工床的组合示意图。

图3为传统X射线诊断设备对一物体进行X射线扫描的简易示意图。

图4为图3中准直器的立体示意图。

图5为应用本发明多束激光扫描系统加工图4所示准直器的简易示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，为本发明多束激光扫描系统的较佳实施方式20应用于一激光快速成型加工设备10的示意图。这里的激光快速成型加工设备10以选择性的粉末激光烧结加工设备为例进行说明，但其仅是为说明本发明多束激光扫描系统20的工作过程而举的一个例子，实际使用时并不局限于选择性的粉末激光烧结加工设备，也可以是液体聚合/固化用等加工设备。该本发明多束激光扫描系统可通过一个激光器同时产生多束激光，以分别快速加工待加工产品的不同部分，从而可成倍的提高工作效率。

继续参考图1，除了该多束激光扫描系统20之外，该激光快速成型加工设备10可能还包括粉末加工床12及控制单元14。该粉末加工床12包括加工系统16及粉末传送系统18。该加工系统16包括一个加工活塞162。该粉末传送系统18包括一个传送活塞182及一个滚筒186。用于加工的粉末182位于该传送活塞182上。该滚筒186用于将粉末184推入该加工活塞162上，上述控制可通过该控制单元14控制加工活塞162及传送活塞182按照预定程序沿图示箭头方向运动实现。该控制单元14可以是计算机、微控制器等具有编程控制功能的设备。

该多束激光扫描系统20包括一个激光器22、一个激光分束器24、一个反射镜25、一个第一扫描单元26及一个第二扫描单元27。在非限定的实施方式中，该第一扫描单元26及第二扫描单元27各自包括一对可被控制旋转的扫描镜片(未标号)。

该激光器22用于产生一束初始激光222。该激光分束器24用于将该束初始激光222分束为一束第一激光223及一束第二激光224。在本实施方式中，该束第一激光223与初始激光222的传播方向相同，而该束第二激光224与初始激光222的传播方向垂直，并且该第一激光223及第二激光224的功率相同。在其他实施方式中，也可控制该第一激光223及第二激光224沿其他方向进行传播，并可控制两者的功率不同，都可根据实际加工的需要设定，而不局限于某一种形式。

本实施方式中，该初始激光222被分束之后，该束第二激光224进一步通过该反射镜25进行反射，以使该束第二激光224的传播方向与该束第一激光223的传播方向相同。在其他实施方式中，也可不调整第二激光224的传播方向，或调整其朝不与第一激光223的传播方向相同的其他方向传播，均可根据实际加工需要进行设定。而当不调整第二激光224的传播方向时，该反射镜25就可省去。

随后，该平行的第一激光223与第二激光224分别被传播至该第一扫描单元26及该第二扫描单元27。该第一扫描单元26用于调整该束第一激光223按照预设的方向发射至加工系统16进行加工，例如可通过该控制单元14进行实时控制。同样，该第二扫描单元27用于调整该束第二激光224按照预设的方向发射至加工系统16进行加工。由此，该多束激光扫描系统20可应用一个激光器22即可同时发射两束按照预定方向发射的激光。故而，相较于传统方法可基本提高效率两倍。

在后续加工过程中，通过第一扫描单元26及第二扫描单元27调整后的激光223、224按照预定的程序入射至该加工系统16上的粉末进行逐层烧结，在每层烧结完成后，粉末传送系统18将下一层粉末推入到加工活塞162上，同时，加工活塞162向下移动一层距离，依此往复。如此，由程序设定的产品模型19将被加工成型。在非限定的实施方式中，在激光223、224传输的路径上还可以设置开关元件，用于根据程序切断或打开传输的路径。

请参考图2，为本发明多束激光扫描系统的另一较佳实施方式30与图1所示粉末加工床12的组合示意图，控制单元14未示出。该多束激光扫描系统30包括一个激光器32、一个第一激光分束器33、一个第二激光分束器34、一个第三激光分束器35、一个第一反射镜36、一个第二反射镜37、一个第一扫描单元38、一个第二扫描单元39、一个第三扫描单元40及一个第四扫描单元41。

与图1的实施方式相似，在图2中，该激光器32用于产生一束初始激光322。该第一激光分束器33用于将该束初始激光322分束为一束第一激光323及一束第二激光324。在本实施方式中，该束第一激光323与初始激光322的传播方向相同，而该束第二激光324与初始激光322的传播方向垂直，并且该第一激光323及第二激光324的功率相同。

该第二激光分束器34用于将该束第一激光323进一步分束为一束第三激光325及一束第四激光326。在本实施方式中，该束第三激光325与第一激光323的传播方向相同，而该束第四激光326与第一激光323的传播方向垂直，并且该第三激光325及第四激光326的功率相同。该第一激光323被分束之后，该束第四激光326进一步通过该第一反射镜36进行反射，以使该束第四激光326的传播方向与该束第三激光325的传播方向相同。

该第三激光分束器35用于将该束第二激光324进一步分束为一束第五激光327及一束第六激光328。在本实施方式中，该束第六激光328与第二激光324的传播方向相同，而该束第五激光327与第二激光324的传播方向垂直，并且该第五激光327及第六激光328的功率相同。该第二激光324被分束之后，该束第六激光328进一步通过该第二反射镜37进行反射，以使该束第六激光328的传播方向与该束第五激光327的传播方向相同。

随后，该平行的第三至第六激光325、326、327、328分别被传播至该第一至第四扫描单元38、39、40、41。该第一扫描单元38用于调整该束第三激光325按照预设的方向发射至粉末加工床12进行加工，例如可通过该控制单元14进行实时控制。同样，该第二至第四扫描单元39、40、41分别用于调整该束第四至第六激光326、327、328按照预设的方向发射至粉末加工床12进行加工。由此，该多束激光扫描系统30可应用一个激光器32即可同时发射四束按照预定方向发射的激光。故而，相较于传统方法可基本提高效率四倍。上述两个实施方式仅仅是具的两个例子，实际加工过程中，可根据需要增加或减少出射激光的数量，以最大化的提升工作效率。

在一个实施方式中，作为一个例子，本发明多束激光扫描系统可用于加工医疗成像设备(如CT扫描仪)上所使用的二维准直器(2D collimator)。为说明方便，图3示意出了传统X射线诊断设备对一物体3进行X射线扫描的简易示意图。该物体3位于一个X射线管的管焦点1和一个探测器面7之间。该管焦点1可看作是一个近似点状的X射线源。由X射线源的焦点1发射出的X射线2沿朝着X射线探测器的方向直线传播并穿透物体3。撞击到探测器面7上的一次射线2a从X射线源1发出后直线穿过物体3，然后在探测器面7上提供一个局部可分辨出的有关物体3的衰减值分布，一部分由X射线焦点1发出的X射线2在物体3内被散射。所产生的散射射线2b没有有助于形成所期望的图像信息，并且在撞击到探测器7上时明显地恶化了信噪比状况。因此为了改善图像品质，将一个准直器4(或叫散射光栅)设置在探测器7之前。

请继续参考图4，为该准直器4的立体示意图。该准直器4具有通孔5和吸收射线区6。通孔5朝向管焦点1定向，以便让射入的一次射线2a沿直线路径通过后撞击到探测器表面上。不沿这个方向射入的射线，尤其是散射射线2b则被射线吸收区阻挡或被显著减弱。但是，应用传统激光快速成型加工技术来制造该准直器4，仅能提供一束激光进行加工，加工效率较低。

请继续参考图5，为应用本发明多束激光扫描系统30加工图4所示准直器4的示意图。其中，用于加工该准直器4的粉末材料被放置于一个加工活塞162上，该加工活塞162定位于可沿y轴方向运动的粉末加工床12上。在存储有加工模型13的控制单元14的控制下，该多束激光扫描系统30同时发射该第三至第六激光325、326、327、328沿着x轴及z轴预设的方向扫描加工活塞162上的粉末材料。当粉末的第一层15烧结好之后，该粉末加工床12在控制单元14的控制下下降一层高度，然后将烧结粉末的第二层17，以此类推，最后一个完整的准直器4将被加工出来。由于使用本发明多束激光扫描系统可同时发射多束激光进行同步加工，如此可大大提高加工效率。

需要说明的是，上述加工准直器4仅仅是为了方便描述所举的一个例子，本发明多束激光扫描系统还可加工其他产品，只是对于像准直器4这样成规则排布的产品来说，使用本发明多束激光扫描系统更容易进行加工。另外，若要加工大尺寸产品的话，使用本发明多束激光扫描系统进行加工可明显提高工作效率，例如应用不同的激光束分别加工大尺寸产品的不同部位。并且，对于加工大尺寸产品，本发明多束激光扫描系统可解决单一激光加工时所引起的光线漂浮问题(beam floating issue)。这是由于多个激光将集中局部小面积进行扫描，由此不会或很少存在光线漂浮问题。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统，其特征在于，该系统包括：

激光器，用于产生一束初始激光；

2.如权利要求1所述的多束激光扫描系统，其中该多束激光扫描系统还包括反射镜，用于在该束第二激光调整前进行一次反射操作。

3.如权利要求2所述的多束激光扫描系统，其中该反射镜反射该束第二激光，并使该束第二激光的传播方向与该束第一激光的传播方向相同。

4.如权利要求1所述的多束激光扫描系统，其中该束第一激光与该束第二激光的功率相同。

5.如权利要求1所述的多束激光扫描系统，其中该多束激光扫描系统用于加工二维准直器。

6.一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描系统，其特征在于，该系统包括：

激光器，用于产生一束初始激光；

7.如权利要求6所述的多束激光扫描系统，其中该多束激光扫描系统还包括：

第一反射镜，用于在该束第四激光调整前进行一次反射操作；及

第二反射镜，用于在该束第六激光调整前进行一次反射操作。

8.如权利要求7所述的多束激光扫描系统，其中该第一反射镜反射该束第四激光，并使该束第四激光的传播方向与该束第三激光的传播方向相同；该第二反射镜反射该束第六激光，并使该束第六激光的传播方向与该束第五激光的传播方向相同。

9.如权利要求6所述的多束激光扫描系统，其中该第三至第六激光的功率相同。

10.一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描方法，其特征在于，该方法包括：

产生一束初始激光；

将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

11.如权利要求10所述的多束激光扫描方法，其中该多束激光扫描方法还包括：在该束第二激光调整前进行一次反射操作。

12.如权利要求11所述的多束激光扫描方法，其中该反射操作使该束第二激光的传播方向与该束第一激光的传播方向相同。

13.如权利要求10所述的多束激光扫描系方法，其中该束第一激光与该束第二激光的功率相同。

14.一种用于激光快速成型加工设备的多束激光扫描方法，其特征在于，该方法包括：

产生一束初始激光；

将该束初始激光分束为一束第一激光及一束第二激光；

将该束第一激光分束为一束第三激光及一束第四激光；

将该束第二激光分束为一束第五激光及一束第六激光；

15.如权利要求14所述的多束激光扫描方法，其中该多束激光扫描方法还包括：

在该束第四激光调整前进行一次反射操作；及

在该束第六激光调整前进行一次反射操作。

16.如权利要求15所述的多束激光扫描方法，其中该反射操作使该束第四激光的传播方向与该束第三激光的传播方向相同；该反射操作使该束第六激光的传播方向与该束第五激光的传播方向相同。

17.如权利要求14所述的多束激光扫描方法，其中该第三至第六激光的功率相同。