CN106216832B - 一种多光束阵列振镜扫描系统 - Google Patents

一种多光束阵列振镜扫描系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多光束阵列振镜扫描系统，包括振镜框体结构，所述振镜框体结构内部设有X轴阵列振镜系统和Y轴振镜系统，X轴阵列振镜系统或Y轴振镜系统为多个轴心线相互平行的振镜组成，经扩束镜扩束后的激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，光束到达X轴阵列振镜系统被平分为n束光强相同的平行光束，n束平行光束在X轴各个振镜偏转带动下实现在X方向任意移动，并投射到Y轴振镜系统上，在Y轴振镜偏转反射带动下，n组光束在Y方向上移动，最后该n组光束经过出光口并被F‑θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑。通过本发明的技术方案，加工效率将会成倍增长，增长的倍数与振镜的阵列数目相同，极大的降低加工时间和加工成本。

Description

一种多光束阵列振镜扫描系统
技术领域
本发明涉及一种激光选区熔化/烧结成型3D零件过程中，特别涉及一种多光束阵列振镜扫描系统。
背景技术
激光选区熔化/烧结成型过程是以一定功率的激光扫描成型平面，并逐层叠加形成实体的加工过程。经过聚焦的激光光斑以预设路径扫描成型平面的金属粉末，被光斑扫描到的金属或者聚合物粉末瞬间熔化和冷凝形成实体，随后成型平面下降一定的高度，并重新铺粉以形成新的成型平面，激光在新的成型平面上继续进行扫描，如此循环往复直至成型件加工完毕。加工过程中，激光扫描的路径是通过扫描振镜系统来控制，振镜系统的扫描效果将直接影响着最终的成型效果。
目前，在激光选区熔化/烧结成型设备中双振镜扫描系统适用范围最广。这种双振镜扫描系统主要由两个转轴相互垂直的反射镜构成，两个转轴由电机控制旋转，分别控制光束在x轴和y轴方向上的运动。扩束镜扩束后的激光经过振镜的两次反射并通过F-θ镜聚焦到成型平面，聚焦后的光斑直径越小，成型精度越高。然后目前采用单光束成形方式，因此当成型件尺寸较大且加工精度要求较高时，这种单光束的双振镜扫描系统加工效率将会大大降低。为解决这一问题，部分设备采用了多组振镜系统同时扫描的多光束扫描系统，但需要同时配备多个激光器。这种方式虽然提高了加工的效率，但是成本将极大的提高，而且多组振镜之间的搭接也存在一定整形问题，因此并没有得到普及。
因此在激光选区熔化/烧结成型过程中，需要提供一种既能够有效提高扫描效率，且能够极大降低成本的振镜扫描系统。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多光束阵列振镜扫描系统，该扫描系统在不增加激光器数量的情况下可实现多光束扫描的效果，有效的解决了单光束扫描效率低的问题，同时也具有结构简单、成本较低的优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种多光束阵列振镜扫描系统，包括振镜框体结构，所述振镜框体结构上设有进光口和出光口，所述振镜框体结构内部设有X轴阵列振镜系统和Y轴振镜系统，所述X轴阵列振镜系统或Y轴振镜系统为多个轴心线相互平行的振镜组成，经扩束镜扩束后的激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，光束到达X轴阵列振镜系统被平分为n束光强相同的平行光束，n束平行光束在X轴各个振镜偏转带动下实现在X方向任意移动，并投射到Y轴振镜系统上，在Y轴振镜偏转反射带动下，n组光束在Y方向上移动，从而实现n组光束在X方向位置可控运动，在Y方向同步运动，最后该n组光束经过出光口并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑。
作为优选的技术方案，所述X轴阵列振镜系统为多组镜，Y轴振镜系统为单振镜，经扩束镜扩束后的激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，X轴阵列振镜系统为n面反射率和透射率不同的振镜组成，光束到达X轴阵列振镜系统后会被均分为n束光强相同的平行光束并被反射到Y轴振镜系统上，Y轴振镜系统反射的n束激光经过出光口并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑。
作为优选的技术方案，激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，在通过X轴阵列振镜系统时，首先经过X轴阵列振镜系统第一振镜上，第一振镜将反射过来的激光一部分透射到第二振镜上，另一部分光在第一振镜偏转带动下反射Y轴振镜系统上，并在Y轴振镜系统偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成光束1，同样第二振镜接收的光，一部分透射到第三振镜上，一部分光在第二振镜偏转带动下反射Y轴振镜系统上，并在Y轴振镜系统偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成光束2，如此类推，X轴阵列振镜系统有几组镜片，每次偏转反射光均为总能量的几分之一，在成形平面上也将形成几组光束。
作为优选的技术方案，所述Y轴振镜系统为多组镜，X轴阵列振镜系统为单振镜，经扩束镜扩束后的激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，经过X轴阵列振镜系统反射到Y轴振镜系统上，Y轴振镜系统为n面反射率和透射率不同的振镜组成，光束到达Y轴振镜系统后会被均分为n束光强相同的光束，n束光强相同的光束经过出光口并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑。
作为优选的技术方案，激光通过进光口进入阵列振镜扫描系统内部，在通过X轴阵列振镜系统时，在X振镜偏转带动下反射Y振镜组第一振镜上，第一振镜将反射过来的激光一部分透射到第二振镜上，另一部分光在第一振镜偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成分光束1，同样第二振镜接收的光，一部分透射到第三振镜上，一部分光在第二振镜偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成分光束2，同理Y轴振镜系统有几组镜片，每次偏转反射光均为总能量的几分之一。
作为优选的技术方案，每一面振镜均由电机驱动且可进行一定弧度的转动，振镜具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率随振镜排列顺序的变化而变化；阵列振镜的间距可调，每面振镜的驱动电机采用同步驱动或异步驱动的方式。
作为优选的技术方案，当阵列振镜数目为n时，沿光路方向的第一面振镜将反射1/n倍光束能量，其余光量均透射到第二面振镜，第二面振镜将反射剩余光束能量的1/((n-1))并透射其余光量，以此类推，光路的最后一面振镜为全反射镜，将接受到剩余的1/n倍光量并全部反射，其中n为大于1的正整数。
作为优选的技术方案，所述Y轴振镜系统由电机驱动可进行小弧度的旋转，其转轴方向与X轴阵列振镜系统的轴心线垂直，所述Y轴振镜系统为当X轴或者Y轴振镜系统为单振镜时，单振镜为全反射镜片，将接收到的Y轴振镜系统接收到经X轴阵列振镜系统反射的等光强平行光束组并全部反射。
作为优选的技术方案，出光口位于阵列扫描振镜系统底部，外接F-θ镜，由Y轴振镜系统反射的n束等光强平行光束通过出光口并经F-θ镜聚焦，在成型平面上形成了一组个数为n的阵列光斑。
作为优选的技术方案，该系统适用于以激光为能量源的激光选区熔化/烧结、激光选区烧结成型以及激光打标的技术中。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明由于采用以上方案，使得这种多光束阵列振镜扫描系统有效提高了激光扫描的效率并且大幅度降低了技术成本。具有透射和反射功能的阵列振镜，通将不同反射率和透射率的镜片按一定规律排列在入射光路上，很好的实现了均匀分光的功能。由激光器产生的大功率激光经过阵列振镜并被均匀分成多束低功率等光强的平行光束，再经过F-θ镜聚焦到成型平面上形成满足需要的一组阵列光斑。这种阵列扫描振镜系统在X轴方向(或Y轴方向)上为多光束扫描，因此与传统的双振镜单光束扫描振镜系统相比，其加工效率将会成倍增长，增长的倍数与振镜的阵列数目相同，这将极大的降低加工时间和加工成本。
附图说明
图1是本发明中多光束阵列振镜扫描系统上视图。
图2是本发明中多光束阵列振镜扫描系统正视图。
图3是本发明中多光束阵列振镜扫描系统的轴视图。
图4是本发明中多光束阵列振镜扫描系统案例图。
图5(a)-图5(c)是本发明相同扫面区域中三光束阵列振镜扫描系统的三种不同重合度光斑的扫描效果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1至4所示,本发明设计的一种多光束阵列振镜扫描系统包括进光口1、X轴阵列振镜系统2、Y轴振镜系统3、出光口4和振镜框体结构5，所述振镜框体结构5内部设有X轴阵列振镜系统2和Y轴振镜系统3，所述X轴阵列振镜系统2或Y轴振镜系统3为多个轴心线相互平行的振镜组成，经扩束镜扩束后的激光通过进光口1进入阵列振镜扫描系统内部，光束到达X轴阵列振镜系统2或Y轴振镜系统3被分为n束光强相同的平行光束，该平行光束经过出光口4并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑。X轴阵列振镜系统有两方面的作用：(1)将光束能量平分；(2)每个振镜运动是单独电机控制的偏转角度，平分光束在振镜单元偏转后，光束会发生一定的偏转，从而控制光束在X方向的位置。经过X轴振镜分光及X轴振镜偏转带动下在X方向移动的光束，投射到Y轴振镜上，在Y轴振镜偏转带动下，光束在Y方向上移动。因此本系统实现功能是光束是X轴振镜分光并在分光束分别在各个振镜偏转带动下实现在X方向任意移动，并投射到Y轴振镜，在Y轴振镜偏转反射带动下，N组光束在Y方向上移动，从而实现N组光束在X方向位置可控运动，在Y方向同步运动。分光之间的距离在X轴振镜控制，但是在Y轴行进的距离和长度是同步的。在X轴振镜控制上，分光也可以实现光合并，如在单独X振镜控制下，分光1，分光2合并一束，分光3，分光4在X轴位置一样，那么光束也可以实现合并，这样4束分光可以变为两束。如控制在X轴位置一样的话，四束分光又可以变为一束。在Y方向上起止点只能同步。本实施例以X轴阵列振镜系统2为多组镜，Y轴振镜系统为单振镜进行阐述，而Y轴振镜系统3为多组镜，X轴阵列振镜系统为单振镜的原理与之相同。XY振镜调换(X为单振镜，Y为阵列振镜系统)，也就可以实现Y方向分束，X方向运动同步。
如图1至图4所示，进光口1外接扩束镜，激光器发出的激光经过扩束镜扩束后，以一定直径的平行光束通过进光口，进入阵列扫描振镜系统内部。
如图1至图4所示，所述X轴阵列振镜系统2由多个轴心线相互平行的振镜组成，是本扫描振镜系统的核心结构，每一面振镜均由电机驱动可进行一定弧度的转动，振镜具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率随振镜排列顺序的变化而变化，当阵列振镜数目为3时，沿光路方向的第一面振镜2-1将反射1/3倍光束能量，其余光量均透射到第二面振镜2-2，第二面振镜将反射剩余光束能量1/2并透射其余光束能量，光路的最后一面振镜2-3为全反射镜，将接受到剩余的1/3倍光量并全部反射。
如图1至图4所示，Y轴振镜系统3由电机驱动可进行小弧度的旋转，其转轴方向与X轴阵列振镜系统2的轴心线垂直，Y轴振镜系统3为全反射镜片，Y轴振镜系统3接收到经X轴阵列振镜系统2反射的等光强平行光束组并全部反射。
如图1至图4所示，出光口4位于阵列扫描振镜系统底部，外接F-θ镜，由Y轴振镜系统3反射的3束等光强平行光束通过出光口并经F-θ镜聚焦，在成型平面上形成了一组个数为3的阵列光斑。
如图1至图4所示，X轴阵列振镜系统2和Y轴振镜系统3分别控制成型平面上阵列光斑在X方向和Y方向上的运动，扫描体统中X轴和Y轴是等价的，可以互换，阵列振镜的间距可变，可以通过改变阵列振镜间距来调整成型平面上光斑的间距，下图示出了相同扫面区域中三光束阵列振镜扫描系统的三种不同重合度光斑的扫描效果：
图5(a)图中的光斑重合度为0，熔道宽度为l1，扫描次数为3；图5(b)图中的光斑重合度为50％，熔道宽度为l2，扫描次数为4.3；图5(c)图中的光斑重合度为100％，熔道宽度为l3，扫描次数为9，三种扫描方式的熔道宽度之间的关系为：
l1＝1.5l2＝3l3
三种扫描方式中，熔道搭接率均为0，通过改变阵列振镜的间距可实现不同加工环境下激光扫描效率的最大化。
如图1至图4所示，振镜框体结构5为不透光并密封的箱体结构。
如图1至图4所示，这种多光束阵列振镜扫描系统适用于以激光为能量源的激光选区熔化/烧结(SLM)、激光选区烧结(SLS)成型以及激光打标技术中。
综上所述，阵列扫描振镜系统在X轴方向(或Y轴方向)上为多光束扫描，因此与传统的双振镜单光束扫描振镜系统相比，其加工效率将会成倍增长，增长的倍数与振镜的阵列数目相同，这将极大的降低加工时间和加工成本，可较好地实现本发明。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，包括振镜框体结构(5)，所述振镜框体结构上设有进光口(1)和出光口(4)，所述振镜框体结构(5)内部设有X轴阵列振镜系统(2)和Y轴振镜系统(3)，所述X轴阵列振镜系统(2)由多个轴心线相互平行的振镜组成，Y轴振镜系统为单振镜，经扩束镜扩束后的激光通过进光口(1)进入阵列振镜扫描系统内部，光束到达X轴阵列振镜系统(2)被平分为n束光强相同的平行光束，n束平行光束在X轴各个振镜偏转带动下实现在X方向任意移动，并投射到Y轴振镜系统(3)上，在Y轴振镜偏转反射带动下，n组光束在Y方向上移动，从而实现n组光束在X方向位置可控运动，在Y方向同步运动，最后经过Y轴振镜系统反射该n组光束经过出光口(4)并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑；具体的，其中X轴阵列振镜系统(2)为n面反射率和透射率不同的振镜组成，激光通过进光口(1)进入阵列振镜扫描系统内部，在通过X轴阵列振镜系统(2)时，首先经过X轴阵列振镜系统(2)第一振镜，第一振镜将反射过来的激光一部分透射到第二振镜上，另一部分光在第一振镜偏转带动下反射到Y轴振镜系统(3)上，并在Y轴振镜系统(3)偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成光束1，同样第二振镜接收的光，一部分透射到第三振镜上，一部分光在第二振镜偏转带动下反射到Y轴振镜系统(3)上，并在Y轴振镜系统(3)偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成光束2，如此类推，X轴阵列振镜系统(2)有几组镜片，每次偏转反射光均为总能量的几分之一，在成形平面上也将形成几组光束。
2.根据权利要求1所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，所述X轴阵列振镜系统(2)的每一面振镜均由电机驱动且可进行一定弧度的转动，振镜具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率随振镜排列顺序的变化而变化；阵列振镜的间距可调，每面振镜的驱动电机采用同步驱动或异步驱动的方式。
3.根据权利要求1所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，所述Y轴振镜系统(3)由电机驱动可进行小弧度的旋转，其转轴方向与X轴阵列振镜系统(2)的轴心线垂直，所述的Y轴振镜系统(3)的单振镜为全反射片，将Y轴振镜系统(3)接收的经X轴阵列振镜系统(2)反射的等光强平行光束组并全部反射。
4.根据权利要求1所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，出光口(4)位于阵列扫描振镜系统底部，外接F-θ镜，由Y轴振镜系统(3)反射的n束等光强平行光束通过出光口(4)并经F-θ镜聚焦，在成型平面上形成了一组个数为n的阵列光斑。
5.根据权利要求1所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，该系统适用于以激光为能量源的激光选区熔化、激光选区烧结成型以及激光打标的技术中。
6.一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，包括振镜框体结构(5)，所述振镜框体结构上设有进光口(1)和出光口(4)，所述振镜框体结构(5)内部设有X轴振镜系统(2)和Y轴阵列振镜系统(3)，所述Y轴阵列振镜系统(3)由多个轴心线相互平行的振镜组成，X轴振镜系统为单振镜，经扩束镜扩束后的激光通过进光口(1)进入阵列振镜扫描系统内部，经过X轴振镜系统(2)反射到Y轴阵列振镜系统(3)上，Y轴阵列振镜系统(3)由n面反射率和透射率不同的振镜组成，光束到达Y轴阵列振镜系统(3)后会被均分为n束光强相同的光束，n束光强相同的光束经过出光口(4)并被F-θ镜聚焦到成型平面上形成一组个数为n的光斑；具体的：其中Y轴阵列振镜系统(3)为n面反射率和透射率不同的振镜组成，激光在通过X轴振镜系统(2)时，在X振镜系统(2)偏转带动下反射到Y振镜组第一振镜上，第一振镜将反射过来的激光一部分透射到第二振镜上，另一部分光在第一振镜偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成分光束1，同样第二振镜接收的光，一部分透射到第三振镜上，一部分光在第二振镜偏转带动下反射经过F-θ镜聚焦到成型平面上，形成分光束2，同理Y轴阵列振镜系统(3)有几组镜片，每次偏转反射光均为总能量的几分之一，在成形平面上也将形成几组光束。
7.根据权利要求6所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，当阵列振镜数目为n时，沿光路方向的第一面振镜将反射1/n倍光束能量，其余光量均透射到第二面振镜，第二面振镜将反射剩余光束能量的1/ (n-1)并透射其余光量，以此类推，光路的最后一面振镜为全反射镜，将接受到剩余的1/n倍光量并全部反射，其中n为大于1的正整数。
8.根据权利要求6所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，所述Y轴阵列振镜系统(3)由电机驱动可进行小弧度的旋转，其转轴方向与X轴振镜系统(2)的轴心线垂直，所述X轴振镜系统为单振镜时，单振镜为全反射镜片。
9.根据权利要求6所述的一种多光束阵列振镜扫描系统，其特征在于，该系统适用于以激光为能量源的激光选区熔化、激光选区烧结成型以及激光打标的技术中。
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