CN108405860A - 一种双光束增材制造方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种双光束增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一，让两束激光同时作用在加工平面上进行作业，其中，第一束激光在加工平面形成较小光斑，第一束激光的较小光斑将加工平面处的粉末烧结熔化；第二束激光在加工平面上形成较大光斑，第二束激光只对加工平面处的粉末加热，第二束激光的较大光斑的温度低于粉末烧结熔化温度，不使粉末烧结熔化；本发明采用一束光对粉末进行加工，另一束光对粉末进行加热，可减小温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于提高零件的加工质量。

Description

一种双光束增材制造方法及设备
技术领域
本发明涉及一种双光束增材制造方法，属于增材制造技术领域，适用于铺粉式增材制造。
背景技术
增材制造技术是一种将材料依据所需加工产品的三维数字模型进行添加、融合制备的工艺技术。与传统加工方式的主要区别在于，是通过将材料层层叠加的方式实现加工。其中，铺粉式3D打印技术是目前较为成熟的、主要的3D打印成形技术之一。当加工时，在加工平面上均匀地铺一层材料粉末，粉末厚度往往根据加工工艺决定。其后，控制系统控制激光器输出激光，经由振镜在粉层上扫描加工图形。扫描后的部分即熔化，后又重新与粉层下方的零件一起凝固为实体，而其余部分仍为粉末状态。通过以一层层粉末层不断的熔化、凝固，逐渐叠加，最终成形为所需产品。
传统增材制造方法，通常采用单个光束加工，或者采用多个光束分别加工，由于激光光束形成的熔池处温度极高，熔池与周围常温的粉末之间形成了非常高的温度梯度，导致被加工零件内部的应力极大，极易导致零件的变形。
本发明提供一种双光束增材制造方法，其中一束光对粉末进行加工，另一束光对粉末进行加热，可减小温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于提高零件的加工质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种双光束增材制造方法及设备，在增材制造时预先对粉末进行加热，以减小温度梯度，进而降低零件内部的应力。
一种双光束增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，让两束激光同时作用在加工平面上进行作业，其中，第一束激光在加工平面形成较小光斑，第一束激光的较小光斑将加工平面处的粉末烧结熔化；第二束激光在加工平面上形成较大光斑，第二束激光只对加工平面处的粉末加热，第二束激光的较大光斑的温度低于粉末烧结熔化温度，不使粉末烧结熔化；
步骤二，工作时，第一束激光和第二束激光同时工作，其中，第二束激光形成的较大光斑覆盖在第一束激光形成的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑的内部；
步骤三，当第一束激光的较小光斑移动时，第二束激光的较大光斑复盖较小光斑并随小光斑移动，并使第二束激光的较大光斑始终复盖在第一束激光的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑始终在第二束激光的较大光斑的内部。
所述的第一束激光和第二束激光是经过同一个振镜使第一束激光和第二束激光的光轴重叠，工作时，使第一束激光和第二束激光同时移动。
所述的第一束激光和第二束激光也可以是方向不同的两束激光，工作时，第一束激光和第二束激光同时射向工作面，并使其光斑在加工平面上重合在一起，其中第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑内部。
所述的第一束激光的波长大于、等于或小于第二束激光的波长相同。
工作时，所述的第一束激光的光斑在第二束激光的光斑内的中心位置。
所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的1.5～50倍。
所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的5～20倍。
一种双光束增材制造设备，包括第一台激光器101，其特征在于，还包括第二台激光器201；其中，第一台激光器101的光路经过第一扩束准直镜102后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜301，再经振镜401反射，在加工平面501上形成微小光斑，第二台激光器201的光路与第一台激光器101的光路成90度角，第二台激光器201的光路经过第二扩束准直镜202后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，汇聚光经双色镜301反射后，与第一台激光器101的汇聚光共轴，再经振镜401反射，在加工平面501上形成较大光斑；第一台激光器101在加工平面501上形成的微小光斑在第二台激光器201的较大光斑内部。
所述的第一台激光器101、第一扩束准直镜102、第一动态聚焦系统103、第二台激光器201、第二扩束准直镜202、第二动态聚焦装置203和振镜401相对位置固定不变，并能够同时在水平面移动，使第一台激光器101的微小光斑和第二台激光器201的较大光斑同时在加工平面501上移动。
所述的加工平面501能够在水平面移动，使第一台激光器101的微小光斑和第二台激光器201的较大光斑在加工平面501上形成轨迹。
本发明的有益效果：由于增材制造过程中，激光形成的熔池处温度极高，熔池与周围常温的粉末之间形成了非常高的温度梯度，导致被加工零件内部的应力极大，极易导致零件的变形。本发明采用一束光对粉末进行加工，另一束光对粉末进行加热，可减小温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于提高零件的加工质量。
附图说明
图1、本发明设备结构示意图；
图2、本发明加工平面上双光束形成的光斑示意图；
图3、本发明加工平面上双光束加工过程示意图。
101为第一台激光器，102为第一扩束准直镜，103为第一动态聚焦装置103，201为第二台激光器，202为第二扩束准直镜，203为第二动态聚焦装置，301为双色镜，401为振镜，501为加工平面。
具体实施方式
一种双光束增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，让两束激光同时作用在加工平面上进行作业，其中，第一束激光在加工平面形成较小光斑，第一束激光的较小光斑将加工平面处的粉末烧结熔化；第二束激光在加工平面上形成较大光斑，第二束激光只对加工平面处的粉末加热，第二束激光的较大光斑的温度低于粉末烧结熔化温度，不使粉末烧结熔化；
步骤二，工作时，第一束激光和第二束激光同时工作，其中，第二束激光形成的较大光斑覆盖在第一束激光形成的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑的内部；
步骤三，当第一束激光的较小光斑移动时，第二束激光的较大光斑复盖较小光斑并随小光斑移动，并使第二束激光的较大光斑始终复盖在第一束激光的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑始终在第二束激光的较大光斑的内部。
所述的第一束激光和第二束激光是经过同一个振镜使第一束激光和第二束激光的光轴重叠，工作时，使第一束激光和第二束激光同时移动。
所述的第一束激光和第二束激光也可以是方向不同的两束激光，工作时，第一束激光和第二束激光同时射向工作面，并使其光斑在加工平面上重合在一起，其中第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑内部。
所述的第一束激光的波长大于、等于或小于第二束激光的波长相同。
工作时，所述的第一束激光的光斑在第二束激光的光斑内的中心位置。
所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的1.5～50倍。
所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的5～20倍。
一种双光束增材制造设备，包括第一台激光器101，其特征在于，还包括第二台激光器201；其中，第一台激光器101的光路经过第一扩束准直镜102后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜301，再经振镜401反射，在加工平面501上形成微小光斑，第二台激光器201的光路与第一台激光器101的光路成90度角，第二台激光器201的光路经过第二扩束准直镜202后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，汇聚光经双色镜301反射后，与第一台激光器101的汇聚光共轴，再经振镜401反射，在加工平面501上形成较大光斑；第一台激光器101在加工平面501上形成的微小光斑在第二台激光器201的较大光斑内部。
所述的第一台激光器101、第一扩束准直镜102、第一动态聚焦系统103、第二台激光器201、第二扩束准直镜202、第二动态聚焦装置203和振镜401相对位置固定不变，并能够同时在水平面移动，使第一台激光器101的微小光斑和第二台激光器201的较大光斑同时在加工平面501上移动。
所述的加工平面501能够在水平面移动，使第一台激光器101的微小光斑和第二台激光器201的较大光斑在加工平面501上形成轨迹。
本发明其主要特征在于双光束同时进行增材制造，两束光同轴，其中一束光对粉末进行加工，另一束光对粉末进行加热。
本发明的双光束增材制造方法，同时采用两束光直接作用于加工平面。一台波长为A的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜，再经振镜系统反射，在加工平面上形成微小光斑，将加工平面处的粉末烧结熔化。与此同时，另一台波长为B的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光经双色镜反射后，与第一路波长为A的汇聚光共轴，再经振镜系统反射，在加工平面上形成较大光斑，可对加工平面处的粉末加热。波长为B的激光光斑数倍于波长为A的光斑，主要目的是对波长为A的光斑周围区域进行预热，减小温度梯度。
所述双色镜，分别与两路光的光轴成45°夹角，双色镜对波长为A的激光高透过率，对波长为B的激光高反射率。双色镜的作用是将两路不同波长的激光A和B汇合成一路。
所述振镜，可将激光在X、Y两个方向偏摆，振镜内的偏摆镜同时对两种波长A和B的激光呈高反射率。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的双光束增材制造方法，同时采用两束光直接作用于加工平面。一台波长为A的激光器101经过扩束准直镜102后，进入动态聚焦系统103，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜301，再经振镜系统401反射，在加工平面501上形成微小光斑，将加工平面501处的粉末烧结熔化。扩束准直镜102、动态聚焦系统103均适用于波长为A的激光波段。与此同时，另一台波长为B的激光器201经过扩束准直镜202后，进入动态聚焦系统203，形成汇聚光，汇聚光经双色镜301反射后，与第一路波长为A的汇聚光共轴，再经振镜系统401反射，在加工平面501上形成较大光斑，可对加工平面处的粉末加热。扩束准直镜202、动态聚焦系统203均适用于波长为B的激光波段。
双色镜301，分别与两路光的光轴成45°夹角，双色镜301对波长为A的激光高透过率(通常透射率大于99.5％)，对波长为B的激光高反射率(通常反射率大于99.5％)。双色镜可将两路不同波长的激光A和B汇合成一路。
振镜401可将激光在X、Y两个方向偏摆，振镜401内的偏摆镜同时对两种波长A和B的激光呈高反射率。
如图2所示，波长为B的激光器201在加工平面501上形成的光斑，远大于波长为A的激光器101在加工平面501上形成的光斑。波长为A的激光器101形成的微小光斑，可将加工平面501熔化形成熔池，进而将金属粉末烧结成实体零件。熔池处的温度极高，通常大于1000℃，与周围粉末以及零件形成了大的温度梯度。如图3所示，当振镜401带动激光在加工平面上运动时，波长为B的激光器201可为熔池周围持续加热，可以降低熔池周围的温度梯度，减少零件内部产生的应力。
本发明实施实例：
下面以一实例说明本发明的有益效果。
一台功率为500W、中心波长为1070nm的光纤激光器发出的发散光，经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光1；另一台功率为1000W、中心波长为10.6μm的二氧化碳激光器发出的光，经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光2。双色镜对1070nm波长的激光呈高透射率，对10.6μm波长的激光呈高反射率，汇聚光1透射经过双色镜，汇聚光2反射经过双色镜，双色镜将两束汇聚光的光轴重合。振镜内的偏摆镜同时对1070nm波长的激光和10.6μm波长的激光呈高反射率，两束汇聚光再经振镜系统反射，投射在加工平面上。汇聚光1在加工平面上形成直径约100μm的光斑，能量密度极高，可将加工平面上的粉末熔化。汇聚光2在加工平面上形成直径约10mm的光斑，可持续在熔池附近对零件和粉末加热，降低零件内部的应力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
一种双光束增材制造方法，主要采用两束光同时进行加工。一台波长为A的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜，再经振镜系统反射，在加工平面上形成微小熔池，将加工平面处的粉末烧结熔化。与此同时，另一台波长为B的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光经双色镜反射后，与第一路波长为A的汇聚光共轴，再经振镜系统反射，在加工平面上形成较大光斑，可对加工平面处的粉末加热。
所述的双色镜，分别与两路光的光轴成45°夹角，双色镜对波长为A的激光高透过率，对波长为B的激光高反射率。双色镜将两路不同波长的激光A和B汇合成一路。
所述的振镜，可将激光在X、Y两个方向偏摆，振镜内的偏摆镜同时对两种波长A和B的激光呈高反射率。
一台波长为A的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜，再经振镜系统反射，在加工平面上形成微小熔池，将加工平面处的粉末烧结熔化。与此同时，另一台波长为B的激光器经过扩束准直后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，汇聚光经双色镜反射后，与第一路波长为A的汇聚光共轴，再经振镜系统反射，在加工平面上形成较大光斑，可对加工平面处的粉末加热。本发明采用一束光对粉末进行加工，另一束光对粉末进行加热，可减小温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于提高零件的加工质量。

Claims (10)

1.一种双光束增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，让两束激光同时作用在加工平面上进行作业，其中，第一束激光在加工平面形成较小光斑，第一束激光的较小光斑将加工平面处的粉末烧结熔化；第二束激光在加工平面上形成较大光斑，第二束激光只对加工平面处的粉末加热，第二束激光的较大光斑的温度低于粉末烧结熔化温度，不使粉末烧结熔化；
步骤二，工作时，第一束激光和第二束激光同时工作，其中，第二束激光形成的较大光斑覆盖在第一束激光形成的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑的内部；
步骤三，当第一束激光的较小光斑移动时，第二束激光的较大光斑复盖较小光斑并随小光斑移动，并使第二束激光的较大光斑始终复盖在第一束激光的较小光斑上，使第一束激光的较小光斑始终在第二束激光的较大光斑的内部。
2.根据权利要求1所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，所述的第一束激光和第二束激光是经过同一个振镜使第一束激光和第二束激光的光轴重叠，工作时，使第一束激光和第二束激光同时移动。
3.根据权利要求1所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，所述的第一束激光和第二束激光是方向不同的两束激光，工作时，第一束激光和第二束激光同时射向工作面，并使其光斑在加工平面上重合在一起，其中第一束激光的较小光斑在第二束激光的较大光斑内部。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，工作时，所述的第一束激光的波长大于、等于或小于第二束激光的波长相同。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，工作时，所述的第一束激光的光斑在第二束激光的光斑内的中心位置。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，工作时，所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的1.5～50倍。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种双光束增材制造方法，其特征在于，工作时，所述的第二束激光的光斑直径是第一束激光的光斑直径的5～20倍。
8.一种双光束增材制造设备，包括第一台激光器(101)，其特征在于，还包括第二台激光器(201)；其中，第一台激光器(101)的光路经过第一扩束准直镜(102后，进入第一动态聚焦装置(103)，形成汇聚光，汇聚光透过双色镜(301)，再经振镜(401)反射，在加工平面(501)上形成微小光斑，第二台激光器(201)的光路与第一台激光器(101)的光路成90度角，第二台激光器(201)的光路经过第二扩束准直镜(202)后，进入第二动态聚焦装置(203，形成汇聚光，汇聚光经双色镜(301)反射后，与第一台激光器(101)的汇聚光共轴，再经振镜(401)反射，在加工平面(501)上形成较大光斑；第一台激光器(101)在加工平面(501)上形成的微小光斑在第二台激光器(201)的较大光斑内部。
9.根据权利要求8所述的一种双光束增材制造设备，其特征在于，所述的第一台激光器(101)、第一扩束准直镜(102)、第一动态聚焦系统(103)、第二台激光器(201)、第二扩束准直镜(202)、第二动态聚焦装置(203)和振镜(401)相对位置固定不变，并能够同时在水平面移动，使第一台激光器(101)的微小光斑和第二台激光器(201)的较大光斑同时在加工平面(501)上移动。
10.根据权利要求8所述的一种双光束增材制造设备，其特征在于，所述的加工平面(501)能够在水平面移动，使第一台激光器(101)的微小光斑和第二台激光器(201)的较大光斑在加工平面(501)上形成轨迹。
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