CN111796429A - 一种用于金属slm打印的光束整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于金属SLM打印的光束整形系统，包括激光器、沿着激光器发射激光光束的传播方向依次设置的准直器、可变倍扩束镜、光束整形机构、振镜系统和工作平台，激光器射出的激光光束通过光纤传输到带有光纤接口的准直器进行准直，再经过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，以满足光束整形机构的入射光斑尺寸需求，经过光束匀化器或光束整形器整形后转变为平顶光斑分别通过振镜系统聚焦形成聚集光斑后到达工作表面对金属粉末进行加工。本系统对光束能量进行重新分配获得圆形、矩形、椭圆形或根据需求定制特定形状的平顶光斑，且通过该系统整形，能有效降低金属打印缺陷的产生，同时能通过引入高功率激光系统配合大尺寸光斑进行高效率打印。

Description

一种用于金属SLM打印的光束整形系统

技术领域

本发明涉及光纤激光光束整形领域，特别是涉及一种用于金属SLM打印的光束整形系统。

背景技术

我国在3D打印的主要技术之一的激光选区熔化(SLM)研究上已经取得显著成绩，且广泛应用。然而打印质量、打印效率、可重复的一致性等问题依然制约铺粉式SLM技术的应用。打印过程中的缺陷(孔隙、裂纹、未完全熔融颗粒等)、变形及组织性能的各向异性等问题依然突出，使得金属3D打印在疲劳寿命相关应用场景无法实施。常见的改善打印质量的方法主要包括优化工艺参数及路径、优化惰性气体流场、改善粉末质量等。SLM是一种激光、材料以及加工氛围等多因素耦合的作用，光束形状及能量分布影响质量的机制一直未能很好的阐明。

目前用于金属SLM打印的光源基本为高斯分布的激光，有必要开发一种可以实现光斑能量分布、形状快速切换的光束整形系统以开展对光束形状及能量分布对SLM打印质量影响机理的系统研究。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种提高零件的打印精度、速度和质量的金属SLM打印的光束整形系统，具体方案如下：

用于金属SLM打印的光束整形系统，包括激光器、沿着激光器射出激光光束的传播方向依次设置有准直器、可变倍扩束镜、光束整形机构、振镜系统和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，准直器依次连接可变倍扩束镜和光束整形机构，激光器射出的激光光束经过准直器准直，准直器发射的准直光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，再经过光束整形机构转变为平顶光斑，平顶光斑通过振镜系统形成聚焦光斑到达工作平台上，工作平台设置在振镜系统下方。

进一步地，所述光束整形机构包括电动切换装置、光束匀化器和光束整形器，所述电动切换装置包括第一电动模组、第二电动模组和固定支架，所述第一电动模组和第二电动模组分别固定在固定支架两侧，光束匀化器设置在第一电动模组的伸缩件上，光束整形器设置在第二电动模组的伸缩件上。

进一步地，包括第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关和控制系统，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一电模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在第二电模组两端，所述第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关、第一电动模组和第二电动模组分别连接控制系统。

进一步地，经过所述光束匀化器整形后的平顶光斑形状为圆形平顶光斑，经过所述光束整形器整形后的平顶光斑形状为矩形平顶光斑、椭圆平顶光斑、线形平顶光斑或根据需求进行定制特定形状的平顶光斑。

进一步地，所述振镜系统主要由第一振镜、第二振镜和场镜组成，所述第一振镜设置在光束整形机构射出平顶光斑传播的水平方向，第二振镜并列设置在第一振镜的垂直方向，场镜设置在第二振镜的下方。

采用所述的用于金属SLM打印的光束整形系统的光束整形方法，包括如下步骤，激光器射出的激光光束经过准直器准直后，由可变倍扩束镜调整满足光束整形机构的入射光斑尺寸，再经过光束整形机构进行光束整形，整形后的光束为平顶光斑，平顶光斑通过振镜系统聚焦形成聚集光斑到达工作平台表面对金属粉末进行加工。

本发明的优点

1、本发明提供一种用于金属SLM打印的光束整形系统，能通过光束匀化器和光束整形器的自动切换满足圆形高斯光斑、圆形平顶光斑、矩形平顶光斑、椭圆平顶光斑、线形平顶光斑等多种形态光束的自动切换，满足多工况下研究应用需求。

2、根据国内外研究表明，平顶光斑对于提高打印品质的一致性，抑制飞溅进而提高打印质量具有积极的作用，不过上述研究是基于两种不同的激光器和光斑尺寸来进行的。本发明将高斯光斑和平顶光斑集成于同一套系统中，采用同一激光器、同一光斑大小，操作更为方便，打印效果更佳。

3、本发明提供一种用于金属SLM打印的光束整形系统，能通过增大输入激光光束的激光功率的同时增大光斑的尺寸，进而提高零件填充速度；同一个零件打印时，零件的表面打印精度要高于内部的精度要求，表面打印时采用圆形光斑(小尺寸)，内部打印时采用矩形光斑(大尺寸)，实现同一零件不同打印位置的光束尺寸和能量分布变换，进而提高零件的打印精度、速度和质量，为进行高效率高质量的金属SLM打印研究提供一种全新的技术途径。

附图说明

图1为本发明用于金属SLM打印的光束整形系统的工作原理示意图；

图2为图1的激光器射出的高斯激光示意图；

图3为图2的高斯激光经光束匀化器转换为圆形平顶光斑示意图；

图4为图2的高斯激光经光束整形器转换为矩形平顶光斑示意图；

图5为图2的高斯激光经光束整形器转换为线形平顶光斑示意图。

图6为图1的光束整形机构的结构示意图。

图中：

1.激光器；2.准直器；3.可变倍扩束镜；4.光束匀化器；5.光束整形器；6.平顶光斑；7.第一振镜；8.第二振镜；9.场镜；10.聚焦光斑；11.工作平台；12.第一电动模组；13.第二电动模组；14.固定支架；15.第一限位开关；16.第二限位开关；17.第三限位开关；18.第四限位开关；G.高斯激光；r:高斯激光的光斑半径；N：能量密度；F1：圆形平顶光斑；R1：圆形平顶光斑；N1：圆形平顶光斑的能量密度；F2：矩形平顶光斑；R2：矩形平顶光斑；N2：矩形平顶光斑的能量密度；F3：线形平顶光斑；R3：线形平顶光斑；N3：线形平顶光斑的能量密度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明，需要注意的是，本具体实施例和附图不用于限定本发明的权利范围。

如图1至图6所示，本实施例提供一种用于金属SLM打印的光束整形系统，包括激光器1、沿着激光器1发射激光光束的传播方向依次设置的准直器2、可变倍扩束镜3、光束整形机构、振镜系统和工作平台11，激光器1通过光纤连接带有光纤接口的准直器2，准直器2连接可变倍扩束镜3，可变倍扩束镜3连接光束整形机构，激光器1发射的激光光束经过准直器2准直，准直器2发射的准直光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸。

激光器1为千瓦级高功率的光纤激光器，波长为1070-1080nm，产生的激光光束为连续的圆形高斯激光，其能量密度分布为高斯态，通过光纤输出后发散传输。

准直器2的作用在于通过光纤连接激光器1引入激光光束，并将激光光束由发散传输改为平行传输。

可变倍扩束镜3的作用在于适度改变通过准直器2射出的准直光束的尺寸以满足光束匀化器4或光束整形器5的尺寸要求。

准直器2射出的准直光束经过光束整形机构转变为平顶光斑6，如图6所示，光束整形机构包括电动切换装置、光束匀化器4、光束整形器5、第一限位开关15、第二限位开关16、第三限位开关17、第四限位开关18和控制系统，电动切换装置包括第一电动模组12、第二电动模组13和固定支架14，所述第一电动模组12和第二电动模组13分别固定在固定支架14两侧，光束匀化器4设置在第一电动模组12的伸缩件上，第一限位开关15和第二限位开关16分别设置在第一电模组12两端，光束整形器5设置在第二电动模组13的伸缩件上，第三限位开关17和第四限位开关18分别设置在第二电模组13两端，所述第一电动模组12、第二电动模组13、第一限位开关15、第二限位开关16、第三限位开关17和第四限位开关18分别连接控制系统。

经过光束匀化器4整形后的平顶光斑形状为圆形平顶光斑，该圆形平顶光斑的尺寸和原有高斯光斑尺寸一致，经过光束整形器5整形后的平顶光斑形状为矩形平顶光斑、椭圆平顶光斑、线形平顶光斑或根据需求进行定制特定形状的平顶光斑。

使用时，初始状态下，第一电动模组12的伸缩件位于第一限位开关15处，第二电动模组13的伸缩件位于第三限位开关17处。

当需要将发散传输状态的激光光束整形为圆形平顶光斑时，控制系统控制第一电动模组12的伸缩件带动光束匀化器4向前伸出，进入光束传输通道，第二限位开关16检测到光束匀化器4的信号后，控制第一电动模组12停止工作，并发送光束匀化器4进入光束传输通道的到位检测信号给控制系统。

当需要整形为矩形平顶光斑、椭圆平顶光斑、线形平顶光斑或根据需求定制特定形状的平顶光斑时，控制系统控制第一电动模组12的伸缩件带动光束匀化器4向后收缩，退出光束传输通道，第一限位开关15检测到光束匀化器4的信号后，控制第一电动模组12停止工作，并发送光束匀化器4退回初始位置的到位检测信息给控制系统，控制系统控制第二电动模组13的伸缩件带动光束整形器5向前伸出，进入光束传输通道，第四限位开关18检测到光束整形器5的信号后，控制第二电动模组13停止工作，并发送光束整形器5进入光束传输通道的到位检测信号给控制系统。

光束传输通道由依次设置的激光器1、准直器2、可变倍扩束镜3、光束整形机构、振镜系统和工作平台11形成。

电动切换装置的作用在于一是实现光束匀化器4和光束整形器5自动切换，从而实现圆形平顶光斑和矩形平顶光斑、椭圆平顶光斑、线形平顶光斑或根据需求定制特定形状的平顶光斑的转换；二是能使光束匀化器4和光束整形器5移位后，保持原有的高斯激光的输出状态。

第一限位开关15目的在于限定第一电动模组12的伸缩件向后收缩至初始状态，并发送初始位置的到位检测信号给控制系统。

第二限位开关16目的在于限定第一电动模组12的伸缩件向前伸出的位置，并发送光束匀化器4向前伸出的到位检测信号给控制系统。

第三限位开关17目的在于限定第二电动模组13的伸缩件向后收缩至初始状态，并发送初始位置的到位检测信号给控制系统。

第四限位开关18目的在于限定第二电动模组13的伸缩件向前伸出的位置，并发送光束整形器5向前伸出的到位检测信号给控制系统。

具体地，如图2和图3所示，激光器1射出的发散传输状态的高斯激光，经过准直器2进行准直后平行传输，通过可变倍扩束镜3来调整光斑的尺寸以满足光束匀化器4的入射要求，经过光束匀化器4匀化后，第一振镜7将匀化后的圆形平顶光斑形状反射到第二振镜8，通过摆动第一振镜7的镜片，改变该匀化后圆形平顶光斑形状在X方向的扫描位置，第二振镜8将第一振镜7的圆形平顶光斑形状反射到场镜9，并通过摆动第二振镜8的镜片，改变圆形平顶光斑形状在Y方向的扫描位置，最后通过场镜9聚焦到达工作平台11表面对金属粉末进行加工。圆形平顶光斑形状尺寸与通过激光器1射出的高斯激光聚焦后形成的聚集光斑10的尺寸一致，光束匀化器4在不改变光斑尺寸下将输入光斑能量分布由高斯态转换为平顶态。光束匀化器4的作用在于将激光器1射出发散传输状态的圆形高斯激光由圆形高斯分布整形为圆形平顶分布。

如图2、图4和图5所示，激光器1射出发散传输状态的高斯激光，经过准直器2进行准直后平行传输，通过可变倍扩束镜3来调整光斑的尺寸以满足光束整形器5的入射要求，经光束整形器5整形为矩形平顶光斑、线形平顶光斑、椭圆平顶光斑或根据需求定制特定形状的平顶光斑(不同形状的平顶光斑通过更换相应的镜片实现)，振镜系统改变方向并将整形后的平顶光斑聚焦到达工作平台11表面对金属粉末进行加工。其中，第一振镜7将整形后的平顶光斑反射到第二振镜8，通过摆动第一振镜7的镜片，改变该整形后的平顶光斑在X方向的扫描位置，并通过摆动第二振镜8的镜片，改变整形后的平顶光斑在Y方向的扫描位置。光束整形器5作用在于将激光器1射出的高斯激光由圆形高斯分布整形为矩形平顶分布、正方形平顶分布、直线平顶分布、椭圆平顶分布或根据客户需求进行定制特定形状的平顶分布。

振镜系统主要由第一振镜7、第二振镜8和场镜9组成，第一振镜7设置在光束整形机构射出平顶光斑6传播的水平方向，第二振镜8并列设置在第一振镜7的垂直方向，场镜9设置在第二振镜8的下方，平顶光斑6通过场镜9形成聚焦光斑到达工作平台11表面对金属粉末进行加工，工作平台11作为粉末打印载体设置在振镜系统下方。本具体实施例的光束整形系统中激光器1输出的激光光束为连续激光，系统采用双振镜结构，能承受的激光功率≥1000W。

第一振镜7的作用在于将光束整形机构射出的平顶光斑6反射到第二振镜8，并通过摆动第一振镜7的镜片，改变平顶光斑6在X方向的扫描位置。

第二振镜8的作用在于将第一振镜7的平顶光斑6反射到场镜9，并通过摆动第二振镜8的镜片，改变平顶光斑6在Y方向的扫描位置。

场镜9的作用在于将第二振镜8输入的经过整形后的平顶光斑6聚焦到工作平台。

平顶光斑6通过振镜系统形成聚焦光斑10到达工作平台11上，工作平台11设置在振镜系统下方。

将本具体实施例的光束整形系统设置在金属SLM打印机内，配合打印机设备的路径规划对零件的加工方式进行整体优化。

用于金属SLM打印的光束整形系统的整形方法，包括如下步骤，激光器1射出的发散传输状态的高斯激光经过准直器2准直后，转变成平行传输状态的高斯激光，由可变倍扩束镜3调整满足光束整形机构的入射光斑尺寸，再经过光束整形机构进行光束整形，整形后的平顶光斑为圆形平顶光斑、矩形平顶光斑、线形平顶光斑、椭圆平顶光斑或根据需求定制特定形状的平顶光斑，第一振镜7将该整形后的平顶光斑反射到第二振镜8，通过摆动第一振镜7的镜片，改变该整形后的平顶光斑在水平方向的扫描位置，第二振镜8将第一振镜7的平顶光斑反射到场镜9，并通过摆动第二振镜8的镜片，改变该平顶光斑在垂直方向的扫描位置，最后通过场镜9聚焦到达工作平台11表面对金属粉末进行加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于金属SLM打印的光束整形系统，其特征在于，包括激光器、沿着激光器射出激光光束的传播方向依次设置有准直器、可变倍扩束镜、光束整形机构、振镜系统和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，准直器依次连接可变倍扩束镜和光束整形机构，激光器射出的激光光束经过准直器准直，准直器发射的准直光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，再经过光束整形机构转变为平顶光斑，平顶光斑通过振镜系统形成聚焦光斑到达工作平台上，工作平台设置在振镜系统下方。

2.根据权利要求1所述的用于金属SLM打印的光束整形系统，其特征在于，所述光束整形机构包括电动切换装置、光束匀化器和光束整形器，所述电动切换装置包括第一电动模组、第二电动模组和固定支架，所述第一电动模组和第二电动模组分别固定在固定支架两侧，光束匀化器设置在第一电动模组的伸缩件上，光束整形器设置在第二电动模组的伸缩件上。

3.根据权利要求2所述的用于金属SLM打印的光束整形系统，其特征在于，包括第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关和控制系统，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一电模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在第二电模组两端，所述第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关、第一电动模组和第二电动模组分别连接控制系统。

4.根据权利要求2所述的用于金属SLM打印的光束整形系统，其特征在于，经过所述光束匀化器整形后的平顶光斑形状为圆形平顶光斑，经过所述光束整形器整形后的平顶光斑形状为矩形平顶光斑、线形平顶光斑、椭圆形平顶光斑或根据需求进行定制特定形状的平顶光斑。

5.根据权利要求1所述的用于金属SLM打印的光束整形系统，其特征在于，所述振镜系统主要由第一振镜、第二振镜和场镜组成，所述第一振镜设置在光束整形机构射出平顶光斑传播的水平方向，第二振镜并列设置在第一振镜的垂直方向，场镜设置在第二振镜的下方。

6.采用权利要求1至5任意一项所述的用于金属SLM打印的光束整形系统的光束整形方法，其特征在于，包括如下步骤，激光器射出的激光光束经过准直器准直后，由可变倍扩束镜调整满足光束整形机构的入射光斑尺寸，再经过光束整形机构进行光束整形，整形后的光束为平顶光斑，平顶光斑通过振镜系统聚焦形成聚集光斑到达工作平台表面对金属粉末进行加工。

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