CN110586939A - 一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法与装置；该装置包括蓝绿光固体激光器、激光扩束准直器、扫描振镜、f‑θ聚焦透镜等。通过对光路设计对加工激光波长、光束质量、发散角等性能进行优化，最终获得10‑15μm聚焦光斑；辅以扫描振镜、成型缸信号插补控制和超声震动铺粉装置实现粒径范围5‑10μm微细粉末5‑15μm的铺粉层厚，最终实现尺寸精度5μm、特征尺寸小于10微米，表面粗糙度Ra小于2μm，致密度大于99％的蓝/绿光激光选区微熔化；此外450‑560nm波长激光的应用提高了镁/铝/铜合金等高反射金属粉末在激光选区熔化技术中的吸收率，提高了高反射率金属材料的加工质量与加工效率。

Description

一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法与装置
技术领域
本发明涉及微型结构金属增材制造设备及成型工艺，尤其涉及一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法与装置。
背景技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种能直接成型组织致密、机械性能良好的金属增材制造技术，可直接成型冶金结合、形状复杂的高精度金属零件。目前大多数金属激光选区熔化增材制造方法与设备所能达到的加工精度包括聚焦光斑在50-200微米之间、加工层厚20-100微米、粉末粒径15-45微米，成型精度包括尺寸精度最小50微米、表面粗糙度Ra15微米、最小加工件壁厚150微米。针对工业、航天与医疗等行业对零配件性能、精度等方面日益增长的需求，现有金属激光选区熔化方法及设备已无法满足。
激光选区熔化成型过程实质是激光焊接过程的持续作用，熔池大小直接影响激光加工过程的成型尺寸精度，因此微细聚焦光斑是实现金属激光选区熔化微成型的基础。
而单熔道成型效果往往无法代表成型件整体性能，在实现聚焦光斑与熔池尺寸的改进之外，粉末黏附等缺陷对成型精度的消极影响同样对激光选区熔化设备与工艺提出了新的要求。
而随着成型精度由几十毫米降至小于15微米，传统铺粉臂以推粉形式的铺粉技术已无法适应微成型结构件，过大的摩擦阻力与下压力会致使成型失败。
加工层厚、成型分辨率等对振镜、运动缸的运动控制精度提出了更高的要求。此外对于镁/铝/铜合金等对长波长反射率较高的金属材料，现有大部分激光选区熔化设备对其加工效率较低，加工质量难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法与装置。解决了传统设备对微成型结构件加工存在精细度难以控制，加工效率低等技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，包括位于成型室3、设置在成型室3内的铺粉臂、设置在成型室3上方的光学系统、用于发生激光光束的激光器，以及控制系统；
所述铺粉臂为超声震动铺粉臂13；所述激光器为蓝绿光固体激光器14，其包括依次光路连接的全反射镜15、调Q开关16、泵浦模块17、小孔光阑18和半透反射镜19；所述光学系统包括依次光路连接的激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6；所述半透反射镜19出射的蓝绿光激光束1通过光纤2依次进入激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6；透过f-θ聚焦透镜6的蓝绿光激光束1，在成型室3内的成型缸11粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑。
所述泵浦模块17为二极管泵浦模块，产生的波长范围为450-560nm，基模TEM00，光束质量M2<1.2。
所述激光扩束准直器4(激光扩束准直器4采用开普勒望远镜原理，实现减小光束发散角、提高光束质量和增大聚焦镜物方的光斑直径)包括微焦聚焦透镜20、长焦聚焦透镜21；所述微焦聚焦透镜20用于来减小束腰半径，长焦聚焦透镜21用于增大焦距，微焦聚焦透镜20后焦点与长焦聚焦透镜21前焦点重合，它们的扩束倍率不小于10倍。
所述蓝绿光固体激光器14与PC机8电讯连接；扫描振镜5、超声震动铺粉装置13、粉料缸12、成型缸11分别与驱动控制器7电讯相连；驱动控制器7与PC机8电讯相连。
蓝绿光激光束1经过激光扩束准直器4作用下提高光束质量、增大输入光斑直径；随后依据PC机8传输给驱动控制器7的数据信息，扫描振镜5在驱动控制器7控制下实现对光束反射方向的控制，并透过f-θ聚焦透镜6，在成型缸11粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑对粉末进行选择性微熔化。
高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法如下：
步骤一：微型结构件模型信息导入PC机8，成型室3内充满保护气，成型缸11在PC机8控制下下降一个铺粉层厚为5-15微米，超声震动铺粉臂13铺粉；
步骤二：蓝绿光固体激光器14内部泵浦模块17在调Q开关16与平行平面谐振腔及小孔光阑18的作用下产生(基模TEM00、高峰值功率、窄脉宽的纳秒脉冲)蓝绿光激光束1；或通过倍频方式将泵浦光倍频为要求的蓝绿光激光束1；
步骤三：蓝绿光激光束1首先通过激光扩束准直器4，激光得以扩束、质量得以改善；随后蓝绿光激光束1输入扫描振镜5，PC机8依据微型结构件模型信息，控制扫描振镜5的X轴和Y轴振镜转动；最终蓝绿光激光束1经扫描振镜5反射射入f-θ聚焦透镜6，蓝绿光激光束1得到最终聚焦并作用于成型缸11的粉床上；PC机8将根据微型结构件模型本层的切片信息，控制扫描振镜5实现蓝绿光激光束1对粉层的选择性熔化，直到本层微型结构件模型切片形状扫描完毕；
步骤四：PC机8成型缸下降、粉料缸上升，超声震动铺粉臂13铺粉；
步骤五：重复步骤二和步骤三，以此循环直至整个微型结构件模型成型完毕。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
基于波长范围处于450-560nm的蓝绿光激光选区熔化技术，在调Q开关、平行平面谐振腔及小孔光阑作用下获得TEM00纳秒脉冲激光束，激光束峰值功率高、脉冲宽度窄，为获取微细聚焦光斑提供便利。
微焦聚焦透镜与长焦聚焦透镜构成扩束准直系统，减小束腰半径增大焦距，实现聚焦光斑的微细话；10倍及以上的准直扩束器收敛激光束发散角，改善光束质量；大视角、大焦距f-θ聚焦镜头便于像差校正，改善激光束离轴偏转引起的在二维扫描平面上的异常图像或畸变。
超声震动铺粉臂针对不同种类的微细金属粉末具有较好的平整、压实效果，能够有效解决粉末团聚效应，利于实现成型缸铺粉层厚的精确控制。
本装置聚焦光斑可达10-15微米，通过超声震动铺粉臂铺粉层厚5-15微米，尺寸精度5微米成型样件的特征尺寸<10微米，表面粗糙度Ra<2微米。
综上所述，本发明以蓝绿光激光为代表的短波长激光的应用不仅其波长特性提高了光斑微细程度，同时提高激光选区微熔化设备对镁/铝/铜合金等长波长高反射率的金属增材制造提供了高效的解决方案，最终实现蓝绿激光微成型系统聚焦光斑直径小于15μm、铺粉厚度5-15μm，成型能力达到尺寸精度5μm、特征尺寸小于10μm、表面粗糙度Ra小于2μm、致密度大于99％。
附图说明
图1为本发明高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置结构示意图。
图2为本发明蓝绿光激光传输过程示意图。
上图中：蓝绿光激光束1、光纤2、成型腔3、激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6、驱动控制器7、PC机8、进出风口9、粉末回收腔10、成型缸11、粉料缸12、超声震动铺粉臂13；蓝绿光固体激光器14、全反射镜15、调Q开关16、泵浦模块17、小孔光阑18、半透反射镜19、微焦聚焦透镜20、长焦聚焦透镜21、成型缸粉层22。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1-2所示。本发明公开了一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，包括位于成型室3、设置在成型室3内的铺粉臂、设置在成型室3上方的光学系统、用于发生激光光束的激光器，以及控制系统；
所述铺粉臂为超声震动铺粉臂13；所述激光器为蓝绿光固体激光器14，其包括依次光路连接的全反射镜15、调Q开关16、泵浦模块17、小孔光阑18和半透反射镜19；所述光学系统包括依次光路连接的激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6；所述半透反射镜19出射的蓝绿光激光束1通过光纤2依次进入激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6；透过f-θ聚焦透镜6的蓝绿光激光束1，在成型室3内的成型缸11粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑。
激光扩束准直器4、扫描振镜5、f-θ聚焦透镜6等光学器件及其镀膜在实际使用过程中应依据实际激光波长、峰值强度等参数进行合理选择，避免烧损。
扫描振镜5、粉料缸12、成型缸11电机、电缸的运动精度应满足使用信号插补精度需求。
所述泵浦模块17为二极管泵浦模块，产生的波长范围为450-560nm，基模TEM00，光束质量M2<1.2。
所述激光扩束准直器4(激光扩束准直器4采用开普勒望远镜原理，实现减小光束发散角、提高光束质量和增大聚焦镜物方的光斑直径)包括微焦聚焦透镜20、长焦聚焦透镜21；所述微焦聚焦透镜20用于来减小束腰半径，长焦聚焦透镜21用于增大焦距，微焦聚焦透镜20后焦点与长焦聚焦透镜21前焦点重合，它们的扩束倍率不小于10倍。
所述蓝绿光固体激光器14与PC机8电讯连接；扫描振镜5、超声震动铺粉装置13、粉料缸12、成型缸11分别与驱动控制器7电讯相连；驱动控制器7与PC机8电讯相连。
蓝绿光激光束1经过激光扩束准直器4作用下提高光束质量、增大输入光斑直径；随后依据PC机8传输给驱动控制器7的数据信息，扫描振镜5在驱动控制器7控制下实现对光束反射方向的控制，并透过f-θ聚焦透镜6，在成型缸11粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑对粉末进行选择性微熔化。
另外，其它长波长激光器，如Nd:YAG固体激光器等其它调Q纳秒脉冲激光器，基于倍频技术获得波长范围450-560nm的激光器均适用于本发明所指的调Q蓝绿光纳秒脉冲激光器。
基于高斯光束的聚焦特性，有高斯光束聚焦光斑公式：
其中，ω′0为高斯光束通过聚焦镜后的束腰半径，l为物方束腰离透镜的距离，ω0为物方束腰半径，λ为激光波长，f为聚焦透镜焦距。实际常用焦平面光板尺寸带胎束腰尺寸，对TEM00高斯模激光束有简化公式：
其中，M2为光束质量评价因子(与光束发散角有关)，ω00为聚焦物镜方基模TEM00束腰半径。
基于公式(2)激光器性能、扩束准直器与f-θ聚焦透镜应满足以下要求：
带调Q开关的蓝绿光固体激光器，在加工环节即进入工作状态，其内部泵浦通过调Q获得高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲，在平行平面腔及小孔光阑作为谐振腔作用下获得基模TEM00直接或倍频后输出波长范450-560nm的激光光束。
小孔光阑18被用于光束选模过程，小孔限制高阶模衍射，顺利通过基模从而保障基模光束的获取。
激光扩束准直器常用设计包括两凸透镜组成的开普勒望远镜式，易于实现大倍数的扩束与发散角收敛；凹透镜发散与凸透镜准直组合的伽利略望远镜式，适用于高功率光束扩束，但扩束倍数性能差、发散角收敛能力差。由于需较大的扩束倍数对应更好的发散角收敛效果，因此激光扩束准直器需采用开普勒式，且扩束倍数应达到10倍及以上，且光束质量达到M2<1.2。
本发明为获得较小聚焦光斑，首先使用一个短焦距聚焦镜来减小束腰半径ω0，再用一个长焦距的聚焦透镜以增大f，且短焦距聚焦镜的后焦点与长焦距聚焦镜的前焦点重合，用于减小光束发散角进而提高光束质量和增大聚焦镜物方的光斑直径。
扫描振镜5包括x轴、y轴振镜与振镜控制器，扫描振镜偏角精度直接影响激光选区微熔化成型精度。为满足激光选区微熔化过程对成型精度的需求，对振镜校准、振镜控制信号精度有较高要求。
f-θ聚焦透镜将一束以不同角度入射的准直激光束聚焦到一个平面像场上，而且在整个平场像面上得到大小一致的聚焦光斑。f-θ透镜的工作波长由其表面镀膜的特性决定，应选择通过激光波长所适合镀膜，避免烧损。要求大的焦距f和视场角θ，且能够进行像差校正，可在一定程度上改善由激光束离轴偏转引起的在二维扫描平面上的异常图像或畸变。
超声震动铺粉臂13在实际生产过程中要求适用于多种材料的铺粉过程。在铺粉过程中，来自铺粉装置的超声震动能有效缓解微细粉末的团聚效应，使铺粉过程平稳，成型粉层平整、压实，提高粉料利用率。
粉料缸、成型缸中粉料缸运动精度不高，但要求满足粉末利用率；成型缸普遍采用传动平稳的螺杆缸，本发明所涉及成型过程要求较小铺粉层厚，约5～15微米铺粉层厚，在螺杆推杆电缸控制过程需对控制信号进行闭环控制及直线插补运算模块从而实现成型缸的精准运动。
粉末原料要求采用粒径范围5-10μm微细粉末。现有激光选区熔化技术采用的粒径范围30-50μm，微细粉末的应用有利于高精度微细结构顺利成型的实现。
本发明高反射材料蓝绿激光微熔化成型方法，可通过下述步骤实现：
步骤一：微型结构件模型信息导入PC机8，成型室3内充满保护气，成型缸11在PC机8控制下下降一个铺粉层厚为5-15微米，超声震动铺粉臂13铺粉；
步骤二：蓝绿光固体激光器14内部泵浦模块17在调Q开关16与平行平面谐振腔及小孔光阑18的作用下产生(基模TEM00、高峰值功率、窄脉宽的纳秒脉冲)蓝绿光激光束1；或通过倍频方式将泵浦光倍频为要求的蓝绿光激光束1；
步骤三：蓝绿光激光束1首先通过激光扩束准直器4，激光得以扩束、质量得以改善；随后蓝绿光激光束1输入扫描振镜5，PC机8依据微型结构件模型信息，控制扫描振镜5的X轴和Y轴振镜转动；最终蓝绿光激光束1经扫描振镜5反射射入f-θ聚焦透镜6，蓝绿光激光束1得到最终聚焦并作用于成型缸11的粉床上；PC机8将根据微型结构件模型本层的切片信息，控制扫描振镜5实现蓝绿光激光束1对粉层的选择性熔化，直到本层微型结构件模型切片形状扫描完毕；
步骤四：PC机8成型缸下降、粉料缸上升，超声震动铺粉臂13铺粉；
步骤五：重复步骤二和步骤三，以此循环直至整个微型结构件模型成型完毕。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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 (6)

1.一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，包括位于成型室(3)、设置在成型室(3)内的铺粉臂、设置在成型室(3)上方的光学系统、用于发生激光光束的激光器，以及控制系统；其特征在于：所述铺粉臂为超声震动铺粉臂(13)；所述激光器为蓝绿光固体激光器(14)，其包括依次光路连接的全反射镜(15)、调Q开关(16)、泵浦模块(17)、小孔光阑(18)和半透反射镜(19)；所述光学系统包括依次光路连接的激光扩束准直器(4)、扫描振镜(5)、f-θ聚焦透镜(6)；所述半透反射镜(19)出射的蓝绿光激光束(1)通过光纤(2)依次进入激光扩束准直器(4)、扫描振镜(5)、f-θ聚焦透镜(6)；透过f-θ聚焦透镜(6)的蓝绿光激光束(1)，在成型室(3)内的成型缸(11)粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑。
2.根据权利要求1所述高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，其特征在于：所述泵浦模块(17)为二极管泵浦模块，产生的波长范围为450-560nm，基模TEM00，光束质量M2<1.2。
3.根据权利要求2所述高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，其特征在于：所述激光扩束准直器(4)包括微焦聚焦透镜(20)、长焦聚焦透镜(21)；所述微焦聚焦透镜(20)用于来减小束腰半径，长焦聚焦透镜(21)用于增大焦距，微焦聚焦透镜(20)后焦点与长焦聚焦透镜(21)前焦点重合，它们的扩束倍率不小于10倍。
4.根据权利要求3所述高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，其特征在于：所述蓝绿光固体激光器(14)与PC机(8)电讯连接；扫描振镜(5)、超声震动铺粉装置(13)、粉料缸(12)、成型缸(11)分别与驱动控制器(7)电讯相连；驱动控制器(7)与PC机(8)电讯相连。
5.根据权利要求4所述高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，其特征在于：绿光激光束1经过激光扩束准直器(4)作用下提高光束质量、增大输入光斑直径；随后依据PC机(8)传输给驱动控制器(7)的数据信息，扫描振镜(5)在驱动控制器(7)控制下实现对光束反射方向的控制，并透过f-θ聚焦透镜(6)，在成型缸(11)粉床上聚焦为直径5-15μm微细光斑对粉末进行选择性微熔化。
6.根据权利要求5所述高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：微型结构件模型信息导入PC机(8)，成型室(3)内充满保护气，成型缸(11)在PC机(8)控制下下降一个铺粉层厚为5-15微米，超声震动铺粉臂(13)铺粉；
步骤二：蓝绿光固体激光器(14)内部泵浦模块(17)在调Q开关(16)与平行平面谐振腔及小孔光阑(18)的作用下产生蓝绿光激光束(1)；或通过倍频的方式将泵浦光倍频为所要求的蓝绿光激光束(1)；
步骤三：蓝绿光激光束(1)首先通过激光扩束准直器(4)，激光得以扩束、质量得以改善；随后蓝绿光激光束(1)输入扫描振镜(5)，PC机(8)依据微型结构件模型信息，控制扫描振镜(5)的X轴和Y轴振镜转动；最终蓝绿光激光束(1)经扫描振镜(5)反射射入f-θ聚焦透镜(6)，蓝绿光激光束(1)得到最终聚焦并作用于成型缸11的粉床上；PC机(8)将根据微型结构件模型本层的切片信息，控制扫描振镜(5)实现蓝绿光激光束(1)对粉层的选择性熔化，直到本层微型结构件模型切片形状扫描完毕；
步骤四：PC机(8)成型缸下降、粉料缸上升，超声震动铺粉臂(13)铺粉；
步骤五：重复步骤二和步骤三，以此循环直至整个微型结构件模型成型完毕。
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