CN110918994A - 一种slm双光斑成形系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SLM双光斑成形系统，包括依次设置的激光器a、半透镜和准直扩束镜，半透镜上方安装有激光器b，激光器a发出的光束a和激光器b发出的光束b通过半透镜透射到准直扩束镜，准直扩束镜将光束a和光束b合束为平行光束，平行光束依次通过振镜、静态聚焦镜到达金属粉末，金属粉末位于成形平面；本发明还公开了另一种SLM双光斑成形系统；解决了现有的SLM设备加工零件时，热效应高，零件易开裂、变形的问题。

Description

一种SLM双光斑成形系统
技术领域
本发明属于SLM设备技术领域，具体涉及一种SLM双光斑成形系统。
背景技术
随着SLM技术的发展，各种SLM设备应运而生，但是在利用SLM设备加工零件的过程中经常出现零件开裂、变形等问题。其根本原因主要在于零件的局部温度随着加工条件突然升高，而后又快速回冷，容易导致零件产生较大的热应力，而应力集中最终会造成零件损坏。
目前，已有一些关于SLM成形过程中熔池、温度场的研究。根据激光加工的复杂性，将测温方法实际应用于SLM设备进行温度场实时监控。但即使获得了零件的温度场，也很难针对零件温度的实时变化调整后续打印策略来避免零件应力集中的问题，而且效果也有待进一步验证。在金属打印过程中，光斑呈圆形，且在其中心区域需要较大的激光能量密度才能对金属粉末造成超过其层厚的熔融深度，而在边缘区域需要略小的激光能量密度对金属粉末进行烧结和熔覆搭接。而现有的SLM多采用单束激光源，其功率决定了能量密度，很难达到在中心区域对金属粉末造成超过其层厚的熔融深度以及在边缘区域对金属粉末进行良好的烧结和熔覆搭接。现有的单束激光源在成型零件的孔隙率、机械性能等特性上均具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种SLM双光斑成形系统，解决了现有的SLM设备加工零件时，热效应高，零件易开裂、变形的问题。
本发明所采用的一种技术方案是一种SLM双光斑成形系统，包括依次设置的激光器a、半透镜和准直扩束镜，半透镜上方安装有激光器b，激光器a发出的光束a和激光器b发出的光束b通过半透镜透射到准直扩束镜，准直扩束镜将光束a和光束b合束为平行光束，平行光束依次通过振镜、静态聚焦镜到达金属粉末，金属粉末位于成形平面。
本发明的特点还在于：
激光器a和激光器b均为连续激光器。
激光器a的光束小于激光器b的光束。
激光器a的光束位于激光器b的光束中心。
半透镜靠近激光器a的一面设置有全透膜，半透镜靠近激光器b的一面设置有全反射膜，半透镜用于透射和反射光束。
本发明所采用的另一种技术方案是一种SLM双光斑成形系统，包括依次设置的激光器a、半透镜和动态聚焦镜，半透镜上方安装有激光器b，激光器a发出的光束a和激光器b发出的光束b通过半透镜透射到动态聚焦镜，动态聚焦镜将光束a和光束b偏转至振镜，振镜将光束a和光束b偏转至金属粉末，金属粉末位于成形平面。
本发明的特点还在于：
激光器a和激光器b均为连续激光器。
激光器a的光束小于激光器b的光束。
激光器a的光束位于激光器b的光束中心。
半透镜靠近激光器a的一面设置有全透膜，半透镜靠近激光器b的一面设置有全反射膜，半透镜用于透射和反射光束。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明一种SLM双光斑成形系统，结构简单、稳定性好、成本低；采用的双激光合束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，确保了激光器在工作稳定的前提下满足加工功率的要求，不仅提高了激光功率，还降低了热效应；本发明一种SLM双光斑成形系统采用的功率不同的双激光，小功率激光用于正常的零件成形，大功率激光经处理成均匀分布的光斑，确保激光能量密度适宜，使预热温度小于熔池温度，不仅可以对熔池前端粉末进行预热，同时也能对熔池后端已成形零件进行缓冷，极大限度地减小了零件因温度骤升、骤降而产生的热应力。
(2)、本发明一种SLM双光斑成形系统，可以在SLM设备上实现零件加工过程中的温度控制，有助于延缓温度梯度变化，减少热应力的产生，避免零件成形质量差的风险。
附图说明
图1是本发明一种SLM双光斑成形系统的整体结构示意图；
图2是本发明另一种SLM双光斑成形系统的整体结构示意图；
图3是本发明SLM双光斑成形系统中双光斑的能量分布图。
图中，1.激光器a，2.激光器b，3.半透镜，4.准直扩束镜，5.振镜，6.静态聚焦镜，8.熔池，9.金属粉末，10.打印件，11.动态聚焦镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种SLM双光斑成形系统其结构如图1所示，包括依次设置的激光器a1、半透镜3和准直扩束镜4，半透镜3上方安装有激光器b2，激光器a1发出的光束a和激光器b2发出的光束b通过半透镜3透射到准直扩束镜4，准直扩束镜4将光束a和光束b合束为平行光束，平行光束依次通过振镜5、静态聚焦镜6到达金属粉末9，金属粉末9位于成形平面上。
优选地，激光器a1和激光器b2均为连续激光器。
优选地，激光器a1的光束小于激光器b2的光束；激光器a1的光束位于激光器b2的光束中心。
优选地，半透镜3靠近激光器a1的一面设置有全透膜，半透镜3靠近激光器b2的一面设置有全反射膜，半透镜3用于透射和反射光束。
本发明一种SLM双光斑成形系统的工作原理：
首先，通过计算机读取打印文件中的当前层打印数据，将信息发送至本发明静态聚焦的SLM双光斑成形系统，控制激光器a1、激光器b2分别发出指定功率的激光，将两束激光通过半透镜3汇合成同轴复合激光束；同轴复合激光束经过准直扩束镜4后进入振镜5进行反射，反射后的激光经过静态聚焦镜6可聚焦成满足成形要求的激光光斑尺寸，如图3所示，同时在成形平台指定位置上将金属粉末9融化成形。
如图2所示，本发明另一种SLM双光斑成形系统其结构如图2所示，包括依次设置的激光器a1、半透镜3和动态聚焦镜11，半透镜3上方安装有激光器b2，激光器a1发出的光束a和激光器b2发出的光束b通过半透镜3透射到动态聚焦镜11，动态聚焦镜11将光束a和光束b偏转至振镜5，振镜5将光束a和光束b偏转至金属粉末9，金属粉末9位于成形平面上。
优选地，激光器a1和激光器b2均为连续激光器。
优选地，激光器a1的光束小于激光器b2的光束；激光器a1的光束位于激光器b2的光束中心。
优选地，半透镜3靠近激光器a1的一面设置有全透膜，半透镜3靠近激光器b2的一面设置有全反射膜，半透镜3用于透射和反射光束。
本发明另一种SLM双光斑成形系统的工作原理：
首先，通过计算机读取打印文件中的当前层打印数据，将信息发送至本发明动态聚焦的SLM双光斑成形系统，控制激光器a1、激光器b2分别发出指定功率的激光，将两束激光通过半透镜3汇合成同轴复合激光束；同轴复合激光束经过动态聚焦镜11可聚焦成满足成形要求的激光光斑尺寸，如图3所示，再通过振镜5控制反射至成形平面指定位置上实现金属粉末9的融化成形。
图3表示激光光斑尺寸及对应的光束能量分布，小功率激光器a1产生的激光光束a尺寸相对较小，其激光能量分布为高斯分布，中心能量密度高，可用于金属粉末9的融化；大功率激光器b2产生的激光光束b尺寸相对较大，经处理后激光能量分布为平顶式均匀分布，能量密度相对较低，不会融化金属粉末9，仅用于对金属粉末9的预热和零件缓冷；
如图1、2所示，本发明的激光器a1、激光器b2产生的两束激光通过半透镜3汇合成同轴复合激光束，同轴复合激光束在成形平面上逐渐成形打印件10，同时形成熔池8；
同轴复合激光束在满足成形要求的同时不仅可以对熔池8前端的金属粉末9进行预热，还可以能对熔池8后端已成形的打印件10进行缓冷，极大限度地减小了打印件10因温度骤升、骤降而产生的热应力，从而提高了打印件10的成形质量。

Claims (9)

1.一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，包括依次设置的激光器a(1)、半透镜(3)和准直扩束镜(4)，所述半透镜(3)上方安装有激光器b(2)，所述激光器a(1)发出的光束a和激光器b(2)发出的光束b通过半透镜(3)透射到准直扩束镜(4)，所述准直扩束镜(4)将光束a和光束b合束为平行光束，所述平行光束依次通过振镜(5)、静态聚焦镜(6)到达金属粉末(9)，所述金属粉末(9)位于成形平面；
激光器a(1)和激光器b(2)均为连续激光器。
2.如权利要求1所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述激光器a(1)的光束小于激光器b(2)的光束。
3.如权利要求2所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述激光器a(1)的光束位于激光器b(2)的光束中心。
4.如权利要求1所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述半透镜(3)靠近激光器a(1)的一面设置有全透膜，所述半透镜(3)靠近激光器b(2)的一面设置有全反射膜，所述半透镜(3)用于透射和反射光束。
5.一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，包括依次设置的激光器a(1)、半透镜(3)和动态聚焦镜(11)，所述半透镜(3)上方安装有激光器b(2)，所述激光器a(1)发出的光束a和激光器b(2)发出的光束b通过半透镜(3)透射到动态聚焦镜(11)，所述动态聚焦镜(11)将光束a和光束b偏转至振镜(5)，所述振镜(5)将光束a和光束b偏转至金属粉末(9)，所述金属粉末(9)位于成形平面。
6.如权利要求5所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述激光器a(1)和激光器b(2)均为连续激光器。
7.如权利要求5所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述激光器a(1)的光束小于激光器b(2)的光束。
8.如权利要求7所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述激光器a(1)的光束位于激光器b(2)的光束中心。
9.如权利要求5所述的一种SLM双光斑成形系统，其特征在于，所述半透镜(3)靠近激光器a(1)的一面设置有全透膜，所述半透镜(3)靠近激光器b(2)的一面设置有全反射膜，所述半透镜(3)用于透射和反射光束。
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