CN108081605A - 激光能量管理装置和方法，增材制造系统 - Google Patents

Abstract

一种激光能量管理装置包括：分光装置、至少一个微弯装置和控制器。所述分光装置用于将来自激光发生器的输入激光束分成多个激光分束，且其包括用于分别传输所述多个激光分束的多个分光传输通道。所述至少一个微弯装置用于使所述多个分光传输通道产生微弯曲，以使该分光传输通道传输的相应激光分束发生衰减从而得到多个输出激光束。所述控制器用于控制所述每个分光传输通道的微弯曲程度。

Description

激光能量管理装置和方法，增材制造系统

技术领域

本发明公开的实施例涉及用于激光能量管理的装置和方法，以及增材制造系统。

背景技术

对于激光能量的管理和控制是在激光增材制造技术中的重要环节，现有的激光增材制造方法中，通常使用一个激光束以“点对点”的方式来对材料进行处理，这样的方式存在扫描速度慢、制造效率低的问题。

另外，现有技术中通过改变激光束投射角度来使激光束的投射光斑在铺着材料的平台上移动。当激光束与平台之间的夹角越小时，投射光斑的能量密度越低，所以，该方法对于制造物体的尺寸也存在较大的限制。

因此，有必要提供新的激光能量管理的装置和方法，以及增材制造系统，来解决上述的至少一个问题。

发明内容

一种激光能量管理装置包括：分光装置、至少一个微弯装置和控制器。所述分光装置用于将来自激光发生器的输入激光束分成多个激光分束，且其包括用于分别传输所述多个激光分束的多个分光传输通道。所述微弯装置用于使所述多个分光传输通道产生微弯曲，以使该分光传输通道传输的相应激光分束发生衰减从而得到多个输出激光束。所述控制器用于控制所述每个分光传输通道的微弯曲程度。

一种激光能量管理方法包括：将输入激光束分成多个激光分束；用多个分光传输通道分别传输所述多个激光分束；用至少一个微弯装置使所述多个分光传输通道产生微弯曲，来使该分光传输通道传输的相应激光分束发生衰减，以得到多个输出激光束；及控制每个分光传输通道的微弯曲程度。

一种增材制造系统包括：平台、激光发生器、激光能量管理装置和激光头。所述平台用于铺放材料；所述激光发生器用于生成输入激光束；所述激光能量管理装置用于接收所述输入激光束，并输出多个输出激光束；所述激光头用于将所述多个输出激光束投射到平台的材料上，并驱动所述多个输出激光束相对于所述材料作往复运动，以逐层打印目标物体。其中，所述激光能量管理装置包括：分光装置、至少一个微弯装置和控制器。所述分光装置用于将所述输入激光束分成多个激光分束，且其包括用于分别传输所述多个激光分束的多个分光传输通道；所述微弯装置用于使所述多个分光传输通道产生微弯曲，以使其传输的相应激光分束发生衰减从而得到所述多个输出激光束；所述控制器用于控制所述每个分光传输通道的微弯曲程度。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明一具体实施例的激光能量管理装置的示意图；

图2为根据本发明一具体实施例的分光装置的示意图；

图3为根据本发明另一具体实施例的分光装置的示意图；

图4为根据本发明一具体实施例的微弯装置的示意图；

图5为根据本发明另一具体实施例的微弯装置的示意图；

图6为根据本发明一具体实施例的增材制造系统的示意图；及

图7为根据本发明一具体实施例的激光能量管理方法的流程示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所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。本说明书以及权利要求书中所使用的“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“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”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，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

一方面，本发明的实施例涉及一种激光能量管理装置，其可广泛地用于激光设备中，能够对激光的能量进行灵活地控制和管理。

图1为根据本发明一具体实施例的激光能量管理装置100的示意图。参见图1，激光能量管理装100包括分光装置110、至少一个微弯装置120及控制器130。

分光装置110用于将来自激光发生器200的输入激光束210分成多个激光分束220。如图1所示，分光装置200包括分光输入通道111和多个分光传输通道112，分光输入通道111用于接收来自激光发生器200的输入激光束210，该多个分光传输通道112用于分别传输多个激光分束220。

由于激光发生器通常生成的是在光束截面上能量密度呈高斯分布的高斯激光束，因此，其经过分光装置110后形成的该多个激光分束220的能量也可能各不相同，这会增大后续的能量控制环节的复杂性。因此，在一些实施例中，可设置一个能量均衡装置，用于均衡输入激光束在光束截面上的能量分布，从而使之后得到的每个激光分束的能量大致相等，以便于后续对每个激光分束的能量进行控制和调节。如图2所示，分光装置110包括能量均衡装置113和分光器114。能量均衡装置113用于使输入激光束210在其光束截面上的能量平均分布，以得到平顶激光束240，分光器11将平顶激光束240分成多个激光分束220，该多个激光分束220的能量大致相等。这里提到的“平顶激光束”是指在光束截面上能量密度大致平均分布的激光束。在一些实施例中，能量均衡装置113包括光束整形器、衍射混合器或其组合。

在一些实施例中，如图3所示，分光装置150包括多个光纤耦合器，该多个光纤耦合器耦合于分光装置150的分光输入通道151和分光传输通道152之间，其用于将从分光输入通道151输入的输入激光束的能量分配至多个激光分束。具体地，该多个光纤耦合器包括第一光纤耦合器153和多个第二光纤耦合器156。第一光纤耦合器153包括与分光输入通道151相通的第一光纤输入通道154及多个第一光纤输出通道155。每个第二光纤耦合器156包括第二光纤输入通道157和多个第二光纤输出通道158。第二光纤输入通道157分别与第一光纤输出通道155耦合，第二光纤耦合器156的数量大于等于二，且小于等于第一光纤输出通道155的数量。第二光纤输出通道158与分光传输通道152相通。

分光装置150还可能包括多个第三光纤耦合器159，第三光纤耦合器159的数量大于第二光纤耦合器的数量且小于等于第二光纤输出通道158的总数量。每个第三光纤耦合器的第三光纤输入通道162分别与第二光纤输出通道158耦合，第三光纤输出通道163与分光传输通道152相通。以此类推，分光装置150还可进一步包括多个第四光纤耦合器、多个第五光纤耦合器……每一级光纤耦合器与上一级光纤耦合器之间的数量关系和连接方式，类似于第三、第二光纤耦合器之间的数量关系和连接方式，此处不再赘述。

继续参见图1，微弯装置120设置于分光传输通道112上，用于使分光传输通道112产生微弯曲，以使分光传输通道112传输的相应激光分束220发生衰减从而得到多个输出激光束230。在一些实施例中，分光传输通道112包括光纤。这里提到的“微弯曲”是指曲率半径可与分光传输通道的横截面尺寸相比拟的弯曲，这种弯曲能够使得在其内传输的激光能量发生衰减，激光能量的衰减率与微弯曲程度相关。因此，可以通过控制微弯装置120对其相应分光传输通道112的微弯曲程度来控制激光能量的衰减率，进而可以得到具有一定能量值的输出激光束230。

在本实施例中，通过控制器130来实现上述控制功能，即：控制器130用于控制每个分光传输通道112的微弯曲程度，以得到具有期望能量值的输出激光束230。具体地，控制器130根据每个输出激光束230的期望能量值来控制其对应的分光传输通道的微弯曲程度。在一些实施例中，该多个输出激光束230被排列成一阵列。该阵列中的每个激光束的能量均可根据实际需求来进行实时地控制。

在图1所示的实施例中，每个分光传输通道112上设置有一独立的微弯装置，对该分光传输通道进行独立控制。在其他实施例中，也可用一个微弯装置对多个分光传输通道进行联合控制。

图4为根据本发明一具体实施例的微弯装置120的示意图。参见图4，微弯装置120作用于相应的分光传输通道112上的一处，对该处产生微弯曲，以下将该处称为“微弯结点”。微弯装置120包括第一齿条121和第二齿条122，第一齿条121包括多个沿分光传输通道轴向排布的第一齿123，类似的，第二齿条122包括多个沿分光传输通道轴向排布的第二齿124。第一、第二齿条121、122分别位于分光传输通道112的两侧，且使第一齿123和第二齿124相对，第一、第二齿条(也即：第一、第二齿条)用于从两侧向内挤压分光传输通道112，从而使分光传输通道112产生微弯曲。第一齿123和第二齿124在大致垂直于分光传输通道112轴向的方向上相错排列，也就是说，第一齿123的齿尖与第二齿124的齿尖之间的空隙相对，第二齿124的齿尖与第一齿123的齿尖之间的空隙相对。这样，当第一、第二齿条向121、122在大致垂直于所述分光传输通道轴向的方向上挤压分光传输通道112时，可使分光传输通道112在第一齿或第二齿相邻的齿尖之间产生微弯曲。第一、第二齿条大致互相平行，当第一、第二齿条之间的距离越小，其对分光输出装置产生的微弯曲程度越大，因此，控制器130可以通过控制所述第一、第二齿条之间的距离来控制微弯曲程度。

在一些实施例中，在每个分光传输通道上设置一个微弯结点。在其他实施例中，也可在每个分光传输通道上多处分别设置多个微弯结点，这些微弯结点成串联关系，可增大激光能量的衰减率，激光能量的总衰减率为每个微弯结点所产生的衰减率的乘积。图5为根据上述实施例的微弯装置170的示意图。参见图5，分光传输通道被盘绕成螺旋形的通道圈162，通道圈162包括若干通道匝，每一通道匝大致互相平行地排布，微弯装置170设置于通道圈162上且横跨通道圈162的至少一部分通道匝，以使所述分光传输通道上的多处同时产生微弯曲。具体来说，与图2中的微弯装置120相类似的，微弯装置170包括第一齿板171和第二齿板172，第一齿板171位于通道圈162周向的外侧，第二齿板172位于通道圈162周向的内侧且与第一齿板171相对，第一、第二齿板171、172用于从周向两侧挤压至少一部分通道匝，以在每个被挤压的通道匝上产生微弯曲。每个齿板包括多个沿通道匝的周向排布的齿条，每个齿条的结构与图2中的第一或第二齿条的结构类似，其对每匝线圈的产生微弯曲的方式也与图2所示的实施例中的方式相似，此处不再赘述。

在一些实施例中，微弯装置包括振动器(未示出)，其用于以一定的频率和振幅使分光传输通道产生微弯曲。控制器用于控制所述振动器的频率、振幅或其组合，具体地，可通过控制振动器的振幅来控制对分光传输通道的微弯曲程度，可通过控制振动器的振动频率来控制激光能量管理系统对于激光能量的调节速度。在一些实施例中，振动器包括压电陶瓷、磁致伸缩材料或其组合。

本发明的另一方面涉及包括上述激光能量管理装置的增材制造系统300，该增材制造系统通过一个可控的激光阵列来对材料进行处理，可以大大提高制造效率。

参见图6，系统300包括激光发生器360、激光能量管理装置350、激光头320和平台310。平台310用于铺放材料，该材料可能为粉末状金属或液态树脂等。激光发生器360用于生成输入激光束361，激光能量管理装置350用于接收该输入激光束361，并对输入激光束361的能量进行分配和管理，以输出多个输出激光束351，该每个输出激光束351的能量是可控的，即：可以按照需求输出具有期望能量值的输出激光束。该激光能量管理装置350的具体结构与图1中所示的激光能量管理装置100相类似，此处不再赘述。

激光头320用于将所述多个能量可控的输出激光束351投射到平台310的材料上，每个输出激光束在材料上形成一个激光点或光斑，通过对该多个输出激光束的位置进行排列，使得它们在材料上形成的激光点或光斑组成一个激光阵列321，该激光阵列321可以是一维或二维的。通过该一维或二维的激光阵列321对平台上的材料进行烧结、固化或融化。该激光头320还用于驱动所述多个输出激光束(也即：激光阵列)相对于所述材料作往复运动，以逐层打印目标物体。由于激光阵列321中的每个激光点的能量均是可控的，所以该激光阵列321可在同一时刻对其覆盖区域内的材料进行同时处理，这样就能够大大缩短扫描路径，从而提高制造效率。

举例来说，参见图6，激光阵列321呈一维线性排布，且所要打印的目标物体的宽度小于等于激光阵列321的宽度。由于该激光阵列321能够对目标物体的某一层的某一行进行同时处理，在打印该行时，激光头320无需沿该行方向左右移动，在该行打印完毕后，激光头320只需沿与该行垂直的方向移动到下一行即可。在目标物体的整个打印过程中，激光头只需沿与该激光阵列大致垂直的方向做往复运动，从而大大提高了打印速度。

在一些实施例中，系统300进一步包括设置于激光头320和平台310之间的聚焦透镜340，多个输出激光束351从该聚焦透镜340透过后，再投射于平台的材料上形成激光阵列，该聚焦透镜340能使输出激光束的能量聚焦，从而增强对材料的热效应。

本发明还涉及一种激光能量管理方法，其可按照实际需求对来自激光发生器的输入激光束的能量进行高效地分配和管理。参见图7，激光能量管理方法400包括步骤410至步骤440。

在步骤410中，将来自激光发生器的输入激光束分成多个激光分束。在一些实施例中，步骤410可进一步包括能量均衡步骤，即：先让输入激光束通过一能量均衡装置，使输入激光束的能量在光束截面上平均分布，从而得到一平顶激光束；然后，再将该平顶激光束分成所述多个激光分束。

在另一些实施例中，可直接通过多个互相耦合的光纤耦合器来实现步骤410，即：用该多个光纤耦合器将所述输入激光束的能量分配至所述多个激光分束。通过这种方式，所述输入激光束的能量可能被大致平均地分配至每个激光分束。

在步骤420中，用多个分光传输通道分别传输所述多个激光分束。然后，在步骤430中，用至少一个微弯装置使所述多个分光传输通道产生微弯曲，来使其传输的相应激光分束发生衰减，以得到多个输出激光束。在一些实施例中，可通过在分光传输通道上的多处同时产生微弯曲的方式，来增加激光能量的衰减率。例如，步骤430可包括将所述分光传输通道盘绕成通道圈，然后，将所述微弯装置设置在所述通道圈上的步骤。

方法400还包括控制每个分光传输通道的微弯曲程度的步骤，如步骤440所示。具体来说，步骤440包括根据每个输出激光束的期望能量值来控制其对应的分光传输通道的微弯曲程度，从而得到的具有期望能量值的输出激光束。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，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 (15)

1.一种激光能量管理装置，包括：

分光装置，其用于将来自激光发生器的输入激光束分成多个激光分束，且其包括用于分别传输所述多个激光分束的多个分光传输通道；

至少一个微弯装置，其用于使所述多个分光传输通道产生微弯曲，以使该分光传输通道传输的相应激光分束发生衰减从而得到多个输出激光束；及

控制器，用于控制所述每个分光传输通道的微弯曲程度。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器用于根据所述每个输出激光束的期望能量值来控制其对应的分光传输通道的微弯曲程度。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述分光装置包括能量均衡装置，其用于使所述输入激光束的能量平均分布，以得到平顶激光束，所述分光装置用于将所述平顶激光束分成所述多个激光分束。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述分光装置包括多个光纤耦合器，该多个光纤耦合器耦合于所述分光装置的分光输入通道和所述分光传输通道之间，其用于将从所述分光输入通道输入的所述输入激光束的能量分配至所述多个激光分束，所述多个光纤耦合器包括：

第一光纤耦合器，其包括与所述分光输入通道相通的第一光纤输入通道及多个第一光纤输出通道，及

多个第二光纤耦合器，每个第二光纤耦合器包括第二光纤输入通道和多个第二光纤输出通道，其中，所述第二光纤输入通道分别与所述第一光纤输出通道耦合，所述第二光纤输出通道与所述分光传输通道相通。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述分光传输通道被盘绕成通道圈，所述微弯装置设置于所述通道圈上，以使所述分光传输通道上的多处同时产生微弯曲。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述微弯装置包括振动器，用于以一定频率和振幅使所述分光传输通道产生微弯曲，所述控制器用于控制所述振动器的频率、振幅或其组合。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述微弯装置包括第一齿条和第二齿条，其分别位于相应分光传输通道的两侧，用于从所述两侧挤压所述分光传输通道，所述控制器用于控制所述第一、第二齿条之间的距离。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一齿条包括多个沿所述分光传输通道轴向排布的第一齿，所述第二齿条包括多个沿所述分光传输通道轴向排布的第二齿，所述第一齿和所述第二齿在大致垂直于所述分光传输通道轴向的方向上相错排列，且用于在大致垂直于所述分光传输通道轴向的方向上挤压所述分光传输通道。

9.一种激光能量管理方法，包括：

将输入激光束分成多个激光分束；

用多个分光传输通道分别传输所述多个激光分束；

使所述多个分光传输通道产生微弯曲，来使该分光传输通道传输的相应激光分束发生衰减，以得到多个输出激光束；及

控制每个分光传输通道的微弯曲程度。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述控制的步骤包括根据所述每个输出激光束的期望能量值来控制其对应的分光传输通道的微弯曲程度。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述将所述输入激光束分成所述激光分束的步骤包括：

使所述输入激光束的能量平均分布，以得到平顶激光束；及

将所述平顶激光束分成所述多个激光分束。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述将所述输入激光束分成所述激光分束的步骤包括：用多个光纤耦合器将所述输入激光束的能量分配至所述多个激光分束。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述使激光分束衰减的步骤包括：

将所述分光传输通道盘绕成通道圈；及

将微弯装置设置在所述通道圈上，以使所述分光传输通道上的多处同时产生微弯曲。

14.一种增材制造系统，包括：

平台，用于铺放材料；

激光发生器，用于生成输入激光束；

激光能量管理装置，其用于接收所述输入激光束，并输出多个输出激光束；及

激光头，其用于将所述多个输出激光束投射到平台的材料上，并驱动所述多个输出激光束相对于所述材料作往复运动，以逐层打印目标物体；

其中，所述激光能量管理装置包括：

分光装置，其用于将所述输入激光束分成多个激光分束，且其包括用于分别传输所述多个激光分束的多个分光传输通道，至少一个微弯装置，其用于使所述多个分光传输通道产生微弯曲，以使其传输的相应激光分束发生衰减从而得到所述多个输出激光束，及

控制器，用于控制所述每个分光传输通道的微弯曲程度。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述被投射的多个输出激光束在所述材料上形成一维或二维的激光阵列。