CN110842198A - 基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，该方法包括：步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。本发明最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。

Description

基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法
技术领域
本发明涉及金属激光加工技术领域，具体涉及基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法。
背景技术
现阶段金属激光增材制造中较为成熟的技术有SLM和LMDF，分别为点扫描式和线扫描式，也称之为激光点阵和线阵熔融制造技术。点阵扫描及线阵扫描烧结的粉末层间连接过于规律，各项同性难于满足，制件性能不易保证，也易出现制件缺陷情况；同时，点阵和线阵的加工方法需要振镜不断摆动与场镜配合完成“由点及线，由线及面”的扫描任务，速度相对较低，目前已有的铺粉式金属激光增材制造工艺在搭载点扫描或线扫描时，生产效率和工件片层质量均受到影响。传统的点/线扫描方式需要对扫描方向、扫描路径和扫描间距等进行设计规划，导致金属工件片层上各向异性，虽然传统的点线扫描方式在每个切片层扫描时采取了转角处理，但仍存在部分各项同性。
在该技术领域，面阵扫描一直是国内技术空白，随着航空航天领域对以高温合金及钛合金等金属为材料的精密零件的加工制造质量要求和数量要求越来越高，面阵扫描烧结作为一项具有优势的加工技术，逐渐被重视起来。亟需研究并发展一种基于面阵扫描的金属选区熔化成形技术，以适应金属激光加工技术领域的快速发展。
发明内容
本发明提供了解决上述问题的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法。
本发明通过下述技术方案实现：
基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，该方法包括：
步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；
步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；
步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。
本发明通过设置的预调整光路对激光器发射的激光光束进行预调制，获得初始种子光，并将该初始种子光输入到空间光调制器进行图案调制，根据输入到空间光调制器的控制系统中的金属模型切片，空间光调制器将输入的初始种子光调制成与金属模型切片形状对应的图案化种子光，再将该图案化种子光投射到铺有金属粉末的基板上，进行金属粉末面阵烧结，实现了同一平面上所有点位同时熔融烧结，没有先后顺序，没有方向与路径设定，最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。
为了便于空间光调制器更好的实施图案化调整，本发明通过设置如下光路对输入到空间光调制器的入射激光光束进行预调制。优选的，本发明的步骤一中对激光器发射的激光光束进行光斑预调制具体包括：
步骤1.1，采用激光器发射激光光束；
步骤1.2，对发射的激光光束进行偏振处理；
步骤1.3，将偏振处理之后的激光光束经四分之一波片对偏振态旋转；
步骤1.4，将偏振态旋转后的激光光束经光阑进行视场限制，得到初始种子光作为空间光调制器的入射光。
进一步，本发明的步骤1.2中发射的激光光束输入至偏振镜的入偏角为0°。
进一步，本发明的步骤1.4中通过光阑将激光光束的视场范围限定为尺寸小于等于6mm的正方形，或者直径小于等于6mm的圆形。
优选的，本发明的步骤一中入射激光光束与空间光调制器液晶板表面的夹角小于等于6°。
优选的，本发明的步骤二中对金属模型切片的预处理具体包括：将金属模型切片进行灰度处理，得到二值灰度图，分辨率为200x200。
为了提高成型质量，优选的，本发明的步骤三采用泵浦源和增益介质对空间光调制器输出的图案化种子光进行功率放大。同时本发明还能够通过调节泵浦源的功率实现投射到基板上的图案化种子光的功率密度调节。
优选的，本发明的增益介质设置在空间光调制器与铺有金属粉末的基板之间，即经空间光调制器调制输出的种子光通过增益介质放大之后，再投射到铺有金属粉末的基板上。
优选的，本发明的增益介质为Nd：YVO4,；所述泵浦源采用5xx nm泵浦源。
优选的，本发明的步骤三中通过调节泵浦源功率、图案化种子光功率或者图案化种子光光斑大小，实现投射到基板上的激光功率密度的调节。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明相较于现有技术，通过空间光调制器对激光光束截面形状进行调制，输出预设形状的光斑，将光斑焦点投射到铺有金属粉末的基板上，实现了同一平面上所有点位同时熔融烧结，没有先后顺序，没有方向与路径设定，最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。
2、本发明相较于现有技术，能够一次激光成型或少数次的对焦下成型，能够有效提升成型效率。
3、本发明通过空间光调制器获得的输入光斑整形调制、通过Matlab软件或人工处理三维实体模型横向切片、通过将输出的面状光斑引至基板表面，实现粉末表面激光光斑面状成像，本发明创新发明了效率更高、速度更好、加工质量更好的面阵扫描制备技术，使待加工工件的横截面上各向同性更好，使得加工速度和效率得到提升，且本发明对于发展国内面阵激光选区熔融成形制造技术具有重要推广价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的光路结构示意图。
图3为采用本发明对6061材料的成形曝光温度场模拟。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理。
本实施例中：首先，搭建如图2所示的激光光路与装备平台，然后将终端光路输出指向铺有金属粉末的基板，光束方向垂直于基板。本实施例中的激光光路与装备平台具体包括：激光器、扩束镜、偏振镜、四分之一波片、光阑和空间光调制器(本实施例中的空间光调制器采用但不限于光阀)；还包括铺有金属粉末的基板，以及用于测量光功率密度的衰减片和CCD等。
本实施例中，采用波长为915mm的低功率激光器进行光斑预调制操作，具体包括：
(1)采用915mm激光器发射激光，并经过扩束镜；
(2)对经过扩束镜的激光光束进行偏振处理；
(3)将偏振处理之后的激光光束经四分之一波片将偏振态旋转；
(4)将偏振态旋转后的激光光束经光阑进行视场限制，得到初始种子光作为空间光调制器的入射光。
本实施例中，利用光阑对激光器输出的激光光束进行视场限制操作，本实施例中将视场范围调试为正方形，尺寸为6mm，或将视场调试为圆形，尺寸为
Figure BDA0002279133770000041
在另外的优选实施例中，还可将视场范围调试为尺寸小于6mm的正方形，或将视场调试为直径小于6mm的圆形；将从光阑输出的形状固定的激光光束输入至光阀中，本实施例中采用的入射角(即偏振态激光光束与空间光调制器液晶板表面的夹角)为0°；在另外的优选实施例中，还可采用小于6°的入射角。
本实施例中，将通过扩束镜处理后的激光光束输入到偏振镜，入偏角对于后续图案化种子光质量有较大影响，因此本实施例中通过扩束镜处理后的激光光束输入到偏振镜的入偏角为0°。
步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出。
本实施例中，所述预处理后的金属模型切片即通过现有建模软件/切片软件将金属零件的三维模型进行切片得到二维的截面图片(即金属模型切片)，再对截面图片进行灰度处理，得到二值化灰度图，该灰度图的分辨率为200x200；本实施例中，待加工部分灰度值为255，不加工部分灰度值为0。
本实施例中，将处理后得到的二值化灰度图输入到空间光调制器的上位控制系统，加载至空间光调制器驱动器，驱动控制空间光调制器将入射激光光束(即初始种子光)调制成所需的截面形状(即相应的金属模型切片截面形状)输出。
步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。
具体在本实施例中，将上述图案化输出激光光束(即图案化种子光，具体如图2所示，光阑调整输出的图案化种子光依次经过光阑、四分之一波片以及偏振镜偏振输出)通过功率放大后投射到铺有金属粉末的基板上，逐渐增加激光功率密度，能够一次或几次实现金属粉末面阵烧结，最大限度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性；同时有效提高了烧结成型效率。
具体在本实施例中，利用泵浦源和增益介质对图案化种子光进行功率放大(如图2所示，所示泵浦源发射的光与光阀输出的图案化种子光经二向色镜，然后通过增益介质进行增益放大)，放大后的光束经过分光片一部分投射到铺有金属粉末的基板上，再通过调节泵浦源功率、种子光功率或种子光光斑大小来调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结；放大后的光束经过分光片另一部分经衰减片衰减，最后入射到CCD进行检测。
本实施例中，所述增益介质采用但不限于Nd：YVO4；所述泵浦源采用但不限于5xxnm泵浦源，例如532nm泵浦源。
实施例2
本实施例采用上述实施例1提出的方法对6061材料进行成形温度场模拟，得到如图3所示的模拟效果图，由图3可以看出，当激光光斑为面状图案化光斑时，待加工区域的曝光烧结为瞬时一次性完成，图示中瞬时时长为0.03秒，在0.03s的曝光时间内，曝光区域最高温度可达1700K，最高均匀稳定温度区域大约在1200K左右，该温度已达到铝合金的熔点，可以实现烧结，烧结效果(如欠烧、过烧、适度)由曝光时间和曝光功率决定。该效果图说明了面曝光产生的温度场更加均匀，避免了点扫描曝光烧结产生的多熔池及其不均匀凝固过程带来的成型层多处应力应变、各向异性问题。更重要的，该效果图说明了图案化光斑输出热影响区可较好地覆盖预期烧结区域，且温度达到材料熔点，对于提高烧结速率，相比点扫描是一个巨大的进步。。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；
步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；
步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。
2.根据权利要求1所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤一中对激光器发射的激光光束进行光斑预调制具体包括：
步骤1.1，采用激光器发射激光光束；
步骤1.2，对发射的激光光束进行偏振处理；
步骤1.3，将偏振处理之后的激光光束经四分之一波片对偏振态旋转；
步骤1.4，将偏振态旋转后的激光光束经光阑进行视场限制，得到初始种子光作为空间光调制器的入射光。
3.根据权利要求2所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤1.2中发射的激光光束输入至偏振镜的入偏角为0°。
4.根据权利要求2所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤1.4中通过光阑将激光光束的视场范围限定为尺寸小于等于6mm的正方形，或者直径小于等于6mm的圆形。
5.根据权利要求1所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤一中入射激光光束与空间光调制器液晶板表面的夹角小于等于6°。
6.根据权利要求1所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤二中对金属模型切片的预处理具体包括：将金属模型切片进行灰度处理，得到二值灰度图，分辨率为200x200。
7.根据权利要求1所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤三采用泵浦源和增益介质对空间光调制器输出的图案化种子光进行功率放大。
8.根据权利要求7所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述增益介质设置在空间光调制器与铺有金属粉末的基板之间，即经空间光调制器调制输出的种子光通过增益介质放大之后，再投射到铺有金属粉末的基板上。
9.根据权利要求7所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述增益介质为Nd：YVO4,；所述泵浦源采用5xx nm泵浦源。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤三中通过调节泵浦源功率、图案化种子光功率或者图案化种子光光斑大小，实现投射到基板上的激光功率密度的调节。
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