CN112285871B - 一种大小双聚焦可动透镜组及金属面曝光slm系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大小双聚焦可动透镜组及金属面曝光SLM系统，包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜，所述凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜的轴线相互平行设置，所述凹坑阵列透镜置于可沿二维方向移动的微动平台上，所述凸透镜和凹透镜相配合将光聚焦缩小。所述金属面曝光SLM系统包括依次设置的种子光源、调Q预增益整形单元、可变光镜、调Q增益整形单元、高增益激光放大器、光束聚焦调整镜单元和成型杠。与现有技术相比，本发明的大小双聚焦可动透镜组可以同时实现面连续激光的栅格化和放大缩小，而且可以实现图像相移面曝光，且金属面曝光SLM系统可提高多点扫描曝光的速度。

Description

一种大小双聚焦可动透镜组及金属面曝光SLM系统
技术领域
本发明涉及增材制造设备领域，具体涉及一种大小双聚焦可动透镜组及包含透镜组的金属面曝光SLM系统。
背景技术
增材制造技术是根据模型的三维数据，通过增材制造机根据离散堆积原理采用不同的堆积方法将材料一层一层地堆积成三维实体，完成原型和零件的制造。从成形角度看，零件可看作是“点”或“面”的叠加；从三维数据模型中离散得到“点”或“面”的几何信息再与成形工艺参数信息结合，控制材料快速准确地按照一定的轨迹成形出一定层厚的轮廓截面，然后在已成形层上继续成形下一层轮廓截面，重复上述步骤，由下至上层层堆积形成三维成形件。制造步骤归纳为：三维模型、计算机切片处理、切片后模型、分层制造、最终模型。
常见的增材制造技术根据成形工艺的不同，可以分为以几类：熔融沉积(FDM)(采用的成形材料为热塑性塑料)、立体光固化(SLA)(采用的成形材料为光敏树脂)、选择性激光烧结/熔化(SLS/SLM)(采用的成形材料为热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末)、直接金属激光烧结(DMLS)(采用的成形材料为合金粉末)、电子束熔化成型(EBM)(采用的成形材料为合金粉末)、选择性热烧结(SHS)(采用的成形材料为热塑性塑料粉末)、粉末层喷胶3D打印(采用的成形材料为石膏粉末)、叠层制造(LOM)(采用的成形材料为纸、金属箔等薄膜材料)和金属激光熔融沉积(LDMD)(采用的成形材料为大尺寸范围内的各种合金粉末)。
其中，金属粉末床激光熔融技术(SLM)是在选区激光烧结技术(SLS)的基础上发展起来的一种快速成形技术，这两种技术主要是通过高功率激光将粉末熔合在一起优势在于：1)加工标准金属时，致密度超过99％，良好的力学性能与传统工艺相当；2)可加工材料种类持续增加，所加工的零件可后期焊接；3)精度和表面质量相对最高，可以直接使用或者只需相对简单的后处理。因此，从产品质量及性能上来看，粉末床激光熔融技术是最有望大面积应用于以汽车行业为代表的高产量工业行业的现有高性能技术。然而这种技术也存在劣势：1)原料价格昂贵；2)速度偏低。这就造成了该种技术难以在这些行业得到推广。原料价格昂贵这一劣势可通过新材料包开发等“软件”方式实现，但是受限于激光系统的功率与协同控制技术的水平，目前只能通过多束激光提高速率。就典型的SLM技术为例，根据报道和行业展会显示，目前最多的协同激光束也止步于12束激光，而且12束激光也尚在研发阶段，难度很大，成本极高，并且由于多束激光直接照射加热的控制协同与熔融成形问题复杂，调试工艺的难度也极大。速度偏低这一劣势尚未有有效的技术手段，SLM技术的打印效率远远低于直接能量沉积增材制造打印技术(DED技术)或新兴的超音速沉积增材制造技术(SD技术)或3DP技术，而DED技术和SD技术精度较差、必须进行精密机床后加工，3DP技术密度较低且性能受限。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种大小双聚焦可动透镜组及包含透镜组的金属面曝光SLM系统，大小双聚焦可动透镜组具有可以同时实现面连续激光的栅格化和放大缩小，而且可以实现图像相移面曝光，且金属面曝光SLM系统可提高多点扫描曝光的速度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种大小双聚焦可动透镜组，所述透镜组包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜，所述凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜的轴线相互平行设置，所述凹坑阵列透镜置于微动平台上，所述凸透镜和凹透镜相配合将光聚焦缩小。“可动”指的是凹坑阵列透镜可通过微动平台进行移动，该微动平台为xz微动平台，沿着x轴和z轴所在的平面进行移动，该x轴与下文中设立的x-o-y坐标轴中的x轴方向是一致的，该z轴与下文中设立的x-o-y坐标轴相垂直，微动平台可提供凹坑阵列透镜进行移动的动力。凹坑阵列透镜可进行点阵聚焦，凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜的轴线只需平行，无需同轴。
进一步地，所述凹坑阵列透镜包括入光侧和出光侧，所述入光侧的表面光滑平整，所述出光侧的表面设有凹坑阵列，所述凹坑阵列包含多个呈阵列分布的凹坑。
进一步地，以凹坑的纵截面顶部曲线的对称轴为y轴(该y轴垂直于凹坑的底面)，以凹坑的焦点为原点，建立x-O-y坐标系，所述凹坑的纵截面顶部曲线满足式(Ⅰ)所示的函数：
y[x]＝-x Sinh[Ln[-2f]-Ln[x]](Ⅰ)，f为凹坑的焦距，此函数是在复数范围内进行求解，含虚部。
当光为线型光时，凹坑则是以这个纵截面拉伸成形的多个条状凹坑阵列；当光为点型光时，凹坑则是以这个纵截面，绕y轴旋转形成的凹坑点，再在出光侧的表面阵列得到。
进一步地，当x＝0时，y＝f。
进一步地，当光从凹坑阵列透镜出射后形成的光斑区的最长距离dmax满足f/dmax>72时，所述凹坑的纵截面顶部曲线为圆弧，f等于圆弧所在圆的半径。
进一步地，x的取值范围为20-200μm(参考激光分辨率(2～5倍激光分辨率))，y的取值范围为5-50cm(参考激光输出口到成形缸的距离)。
进一步地，所述凸透镜的焦距和凹透镜的焦距相等。
进一步地，所述凸透镜和凹透镜之间的距离为≤5cm，此距离可使装置之间各构件的位置紧凑，可根据实际情况进行调整。
一种包含上述所述的大小双聚焦可动透镜组的金属面曝光SLM系统，包括依次设置的种子光源、调Q预增益整形单元(起到调Q增益及单色光整形的作用)、可变光镜(起到选择性阵列输出的作用)、调Q增益整形单元、高增益激光放大器、光束聚焦调整镜单元(起到激光输出光束聚焦和整形的作用，本发明所述的透镜组就是该单元的核心部件)和成型杠，所述高增益激光放大器还与电源相连通，所述电源为10KW蓄能式能量电源，所述高增益激光放大器10ms内稳定输出5000J的能量，所述大小双聚焦可动透镜组设于光束聚焦调整镜单元中。种子光源、调Q预增益整形单元、可变光镜、调Q增益整形单元、高增益激光放大器和成型杠均采用现有的设备。
本发明的大小双聚焦可动透镜组在使用时，光在保持平行的情况下，自上而下从凸透镜入射，后依次经过凹透镜和凹坑阵列透镜，再射出，透镜组可将光聚焦缩小。当光为线型光时，所述微动平台沿一维方向移动；当光为点型光，所述微动平台沿二维方向移动，从而实现完整的图像相移。与现有技术相比，本发明的大小双聚焦可动透镜组具有可以同时实现面连续激光的栅格化和放大缩小，而且可以实现图像相移面曝光，且金属面曝光SLM系统可提高多点扫描曝光的速度。本发明通过双透镜平行扩束，然后通过阵列透镜实现激光栅格化，这样可以无需通过开关元件实现激光栅格化，并且栅格区域能量更为集中，可大幅提高面曝光系统能量利用率。
附图说明
图1为大小双聚焦可动透镜组的结构示意图；
图2为凹坑阵列透镜的结构示意图；
图3为图1中A处的放大图。
图中：1-凸透镜；2-凹透镜；3-凹坑阵列透镜；301-入光侧；302-出光侧；4-微动平台；5-凹坑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种大小双聚焦可动透镜组，包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜1、凹透镜2和凹坑阵列透镜3，凸透镜1、凹透镜2和凹坑阵列透镜3的轴线相互平行设置，凹坑阵列透镜3置于微动平台4上，凸透镜1和凹透镜2相配合将光聚焦缩小，凸透镜1的焦距和凹透镜2的焦距相等，凸透镜1和凹透镜2之间的距离根据装置进行设置，最好取≤5cm。微动平台4采用本领域现有已商用的或专利文本公开的可实现在二维方向微调移动的平台。
如图2所示，凹坑阵列透镜3包括入光侧301和出光侧302，入光侧301的表面光滑平整，出光侧302的表面设有凹坑阵列，凹坑阵列包含多个呈阵列分布的凹坑5，如图3所示，以凹坑5的纵截面顶部曲线的对称轴为y轴，以凹坑5的焦点为原点，建立x-O-y坐标系(具体如图3所示)，凹坑5的纵截面顶部曲线满足式(Ⅰ)所示的函数：
y[x]＝-x Sinh[Ln[-2f]-Ln[x]](Ⅰ)，f为凹坑的焦距。
当x＝0时，y＝f；
当光从凹坑阵列透镜3出射后形成的光斑区的最长距离dmax满足f/dmax>72时，凹坑5的纵截面顶部曲线为圆弧，f等于圆弧所在圆的半径，dmax具体指代的距离可如图3所示，f所指代的距离也如图3所示。x的取值范围为20-200μm，y的取值范围为5-50cm。
当光为线型光时，微动平台4沿一维方向移动；当光为点型光，微动平台4沿二维方向移动。
本实施例还提供一种金属面曝光SLM系统，包括依次设置的种子光源、调Q预增益整形单元、可变光镜、调Q增益整形单元、高增益激光放大器、光束聚焦调整镜单元和成型杠，所述高增益激光放大器还与电源相连通，所述电源为10KW蓄能式能量电源，所述高增益激光放大器10ms内稳定输出5000J的能量，所述大小双聚焦可动透镜组设于光束聚焦调整镜单元中。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，所述透镜组包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜(1)、凹透镜(2)和凹坑阵列透镜(3)，所述凸透镜(1)、凹透镜(2)和凹坑阵列透镜(3)的轴线相互平行设置，所述凹坑阵列透镜(3)置于微动平台(4)上，所述凸透镜(1)和凹透镜(2)相配合将光聚焦缩小；
所述凹坑阵列透镜(3)包括入光侧(301)和出光侧(302)，所述入光侧(301)的表面光滑平整，所述出光侧(302)的表面设有凹坑阵列，所述凹坑阵列包含多个呈阵列分布的凹坑(5)；
以凹坑(5)的纵截面顶部曲线的对称轴为y轴，所述微动平台(4)为xz微动平台，沿着x轴和z轴所在的平面进行移动。
2.根据权利要求1所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，以凹坑(5)的纵截面顶部曲线的对称轴为y轴，以凹坑(5)的焦点为原点，建立x-O-y坐标系，所述凹坑(5)的纵截面顶部曲线满足式(I)所示的函数：
y[x]＝-x Sinh[Ln[-2f]-Ln[x]](I)，其中，f为凹坑(5)的焦距。
3.根据权利要求2所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，当x＝0时，y＝f。
4.根据权利要求2所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，当光从凹坑阵列透镜(3)出射后形成的光斑区的最长距离dmax满足f/dmax＞72时，所述凹坑(5)的纵截面顶部曲线为圆弧，f等于圆弧所在圆的半径。
5.根据权利要求2所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，x的取值范围为20-200μm。
6.根据权利要求2所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，y的取值范围为5-50cm。
7.根据权利要求1所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，所述凸透镜(1)的焦距和凹透镜(2)的焦距相等。
8.根据权利要求1所述的一种大小双聚焦可动透镜组，其特征在于，所述凸透镜(1)和凹透镜(2)之间的距离为≤5cm。
9.一种包含如权利要求1-8任一项所述的大小双聚焦可动透镜组的金属面曝光SLM系统，其特征在于，所述金属面曝光SLM系统包括依次设置的种子光源、调Q预增益整形单元、可变光镜、调Q增益整形单元、高增益激光放大器、光束聚焦调整镜单元和成型杠，所述高增益激光放大器还与电源相连通，所述大小双聚焦可动透镜组设于光束聚焦调整镜单元中。
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