CN112643056A - 基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置 - Google Patents

基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置 Download PDF

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Abstract

一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，该装置包括长脉冲光源、短脉冲光源、用于长脉冲光源的匀光模块、用于短脉冲光源的匀光模块、二向分色镜、控制器、光调控系统、光传输系统、气体保护仓和监控相机。本发明通过控制器控制长脉冲光与短脉冲光的照射时序，有效控制照射在金属粉末上的总能量，并有效减小热扩散尺度，提升加工精度，使激光照射区域的金属粉末层呈现较好的成型，实现该区域金属粉末的快速一次成型。通过重复上述过程，并使上述光斑依次照射不同区域，并控制气体保护仓内铺粉装置的工作时序，可实现不同三维结构的金属增材制造，具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优势。

Description

基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置
技术领域
本发明涉及激光增材制造方法，特别是一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其优点是加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布。
背景技术
激光增材制造技术是指根据三维数字模型，采取逐层叠加的方式直接加工出零件的一类技术，与目前传统的加工技术(减材)相比，具有节省原料、可制备复杂形态器件以及增强器件应力等优势。对于金属材料的增材制造技术，目前主要分激光选区融化技术(以下简称为SLM)和激光近净成型技术(以下简称为LNES)两种。对于SLM技术，利用聚焦激光束，把金属粉末逐层选区熔化，堆积成一个具有复杂形态的实体。对于LENS技术，是指用同步送粉激光熔融的方法将金属粉末按一定路径熔化，重复这一过程逐层堆积成型。
基于粉末激光熔凝的SLM技术目前已在钛合金、高温合金、钢、铝合金材料致密度方面取得重要突破，并随着SLM装备的快速商业化，开始应用于医学、汽车和航空领域。目前，SLM装备的成熟度较高。同时，SLM过程中激光的束斑尺寸较小，粉末床中易于构造支撑结构，因此，成型的构件复杂程度较高，而且表明粗糙度接近铸件。但是目前，SLM技术依然存在以下问题：
(1)目前常见的采用光栅扫描的逐行加工方式，极大地制约了制造速度。
(2)激光增材制作过程中的逐点近快速熔凝也使得成形过程中容易产生较大的应力和变形，对于大型构件的SLM成形，温度场控制及有效的控制应力分布和构建变形是关键问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有激光增材制造技术存在的制造速度较慢、结构内部应力变形等问题，提供一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置。该装置可实现不同三维结构的金属增材制造，与目前现有的激光增材制造技术相比，具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优点。
本发明的主要思想：
一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，使长脉冲光和短脉冲光合束并调制为具有一定形态的光束后，照射在金属粉末上，当长脉冲光与脉冲光的照射时序满足一定条件时，即可使熔融的金属部分与光束形态完全对应。相对于目前SLM技术利用点扫描方式实现，该装置实现了单层特定路径金属粉末的一次性熔化，并且由于光束形态精确可调控，该层金属粉末熔化的形态也可精确调控；长、短双脉冲依次照射金属粉末的工作方式，不仅可以调节入射光的能量，而且可以有效控制热扩散尺度，与目前传统的连续光辐照方式相比，可以大幅提升加工精度。因此该发明具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特点在于：包括长脉冲光源、短脉冲光源和控制器，沿所述的长脉冲光源的激光输出方向依次是匀光片I、二向分色镜，在所述的短脉冲光源的激光输出方向依次是匀光片II、二向分色镜，经所述的二向分色镜的输出的复合光束方向依次是光调控系统、光传输系统、透射反射镜和气体保护仓，所述的二向分色镜与光路成45°，所述的透射反射镜与相应光路成45°，在所述的透射反射镜的反射光方向是监控相机，所述的控制器分别与所述的长脉冲光源、短脉冲光源、光调控系统和气体保护仓的控制端相连，所述的控制器与所述的监控相机相连。
所述的匀光片I是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片I的适用波长与所述的长脉冲光源波长匹配，所述的匀光片II是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片II的适用波长与所述的短脉冲光源波长匹配。
所述的长脉冲光源是1064nm连续激光器、808nm连续激光器或808nm激光二极管等，所述的长脉冲光源输出的脉冲宽度在1ms-100ms范围内,所述的长脉冲光源发出的长脉冲光通过所述的匀光片I后，光斑呈均匀分布；所述的短脉冲光源是1064nm短脉冲光源或808nm短脉冲光源，输出频率满足1-10Hz可调，输出光单脉冲能量在100mJ-10J范围内，所述的短脉冲光源发出的短脉冲光通过所述的匀光片II后，光斑呈均匀分布。
所述的长脉冲光源发出的长脉冲光45度入射所述的二向分色镜后，继续反射传输；所述的短脉冲光源发出的短脉冲光45度入射所述的二向分色镜后，继续透射传输。
所述的光调控系统由依次的半波片、起偏器、空间光调制器和检偏器构成，具备调控光束强度分布的功能。
所述的光传输系统由依次的物方凸透镜、真空装置、像方凸透镜构成，具备按等比例传输特殊形态光斑的功能。
所述的长脉冲光源发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源发出的短脉冲光，分别经过所述的二向分色镜反射、透射后，继续传输时在传输方向上保持一致，并合并为复合光束，然后进入所述的光调控系统，形成特殊分布形态的光束，再经过所述的光传输系统后最终成像于所述的气体保护仓内的金属粉末层上。
所述的复合光束照射所述的透射反射镜时，其中一部分光经反射后进入所述的监控相机，剩余光经透射后进入所述的气体保护仓。
所述的气体保护仓内包括铺粉装置和金属粉末层等。
所述的控制器控制所述的长脉冲光源发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源发出的短脉冲光之间的相对时间间隔；控制所述的光调控系统的调控形态；控制所述的气体保护仓内的铺粉装置的工作时序；控制监控相机的工作状态。
与现有的金属增材制造方案相比，本发明的显著优点在于：
1)以面扫描方式取代了现有的点扫描方式，而且面扫描时通过调控光斑形态可以精确控制激光照射区域的金属形态，长、短双脉冲依次照射金属粉末的工作方式，不仅可以调节入射光的能量，而且可以有效控制热扩散尺度，与目前传统的连续光辐照方式相比，可以大幅提升加工精度。因此具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优点。
2)通过使长脉冲光与短脉冲光叠加成为复合光束，可以有效控制照射在金属粉末上的总能量，并且通过控制长脉冲光与短脉冲光的照射时序，可以有效控制热扩散尺度，提升加工精度，使激光照射区域的金属粉末层呈现较好的成型，实现该区域金属粉末的快速一次成型。结合本发明的结构，通过上述过程，并使上述光斑照射不同区域，并控制气体保护仓内部铺粉装置的工作时序，可实现不同三维结构的金属增材制造。相对于目前常见的点扫描方式，是一种精确可控的面扫描方式，因此具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优点。
附图说明
图1是本发明基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置的结构示意图。
图2是本发明所述的光调控系统6的结构示意图。
图3是本发明所述的光传输系统7的结构示意图。
图4是本发明所述的气体保护仓10的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置的结构示意图，由图可见，本发明基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，包括长脉冲光源1、短脉冲光源3和控制器11，沿所述的长脉冲光源1的激光输出方向依次是匀光片I2、二向分色镜5，在所述的短脉冲光源3的激光输出方向依次是匀光片II4、二向分色镜5，经所述的二向分色镜5输出的复合光束方向依次是光调控系统6、光传输系统7、透射反射镜9、气体保护仓10，所述的二向分色镜5与光路成45°，所述的透射反射镜9与相应光路成45°，在所述的透射反射镜9的反射光方向是监控相机8，所述的控制器11分别与所述的长脉冲光源1、短脉冲光源3、光调控系统6和气体保护仓10的控制端相连，所述的控制器11与所述的监控相机8相连。
所述的匀光片I2是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片I2的适用波长与所述的长脉冲光源1波长匹配，所述的匀光片II4是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片II4的适用波长与所述的短脉冲光源3波长匹配。
所述的长脉冲光源1是1064nm连续激光器、808nm连续激光器或808nm激光二极管等，所述的长脉冲光源1输出的脉冲宽度在1ms-100ms范围内,所述的长脉冲光源1发出的长脉冲光通过所述的匀光片I2后，光斑呈均匀分布；所述的短脉冲光源3是1064nm短脉冲光源或808nm短脉冲光源，所述的短脉冲光源3输出频率满足1-10Hz可调，输出光单脉冲能量在100mJ-10J范围内，所述的短脉冲光源3发出的短脉冲光通过所述的匀光片II4后，光斑呈均匀分布。
所述的长脉冲光源1发出的长脉冲光45度入射所述的二向分色镜5后，继续反射传输；所述的短脉冲光源3发出的短脉冲光45度入射所述的二向分色镜5后，继续透射传输。
所述的光调控系统6由依次的半波片6a、起偏器6b、空间光调制器6c和检偏器6d构成，具备调控光束强度分布的功能。
所述的光传输系统7由依次的物方凸透镜7a、真空装置7b、像方凸透镜7c构成，具备按等比例传输特殊形态光斑的功能。
所述的长脉冲光源1发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源3发出的短脉冲光，分别经过所述的二向分色镜5反射、透射后，继续传输时在传输方向上保持一致，并合并为复合光束，然后进入所述的光调控系统6，形成特殊分布形态的光束，再经过所述的光传输系统7后最终成像于所述的气体保护仓10内的金属粉末层10b上
所述的复合光束照射所述的透射反射镜9时，其中一部分光经反射后进入所述的监控相机8，剩余光经透射后进入所述的气体保护仓10。
所述的气体保护仓10内包括铺粉装置10a和金属粉末层10b等。
所述的控制器11控制所述的长脉冲光源1发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源3发出的短脉冲光之间的相对时间间隔；控制所述的光调控系统6的调控形态；控制所述的气体保护仓10内的铺粉装置10a的工作时序；控制监控相机8的工作状态。
所述的长脉冲光源1与所述的短脉冲光源3的输出时序满足以下条件：长脉冲光源输出的脉冲宽度在1ms-100ms范围内，短脉冲光源输出脉冲的宽度在1ns-10us范围内，在长脉冲的时间后沿紧跟短脉冲的时间前沿，即长、短脉冲在时间上首尾相接。
所述的匀光片II4可以是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，透射波长与短脉冲光源3一致。
所述的二向分色镜5可以是K9或石英基材，并镀有二向色膜，对于长脉冲光的45度反射率高于95％，对于短脉冲光的45度透过率高于99％。
请参阅图2，所述的光调控系统6由半波片6a、起偏器6b、空间光调制器6c和检偏器6d等组成。其中的空间光调制器6c可以是光寻址液晶空间光调制器或LCOS型空间光调制器。
请参阅图3和图1，所述的光传输系统7由物方凸透镜7a、真空装置7b以及像方凸透镜7c等组成。物方凸透镜7a的焦距f1、像方凸透镜7c的焦距f2满足条件：f1/f2＝D1/D2，其中D1为光调控系统输出的光斑大小，D2为照射在气体保护仓10内金属粉末层上的光斑大小。
请参阅图4，所述的气体保护仓10包括铺粉装置10a和金属粉末层10b等，其中的铺粉装置10a可以是成熟的商品化设备，比如华科三维、湖南华曙高科、德国EOS、美国3DSystems等公司的铺粉设备；金属粉末可以是钛合金、高温合金、钢、铝合金等粉末材料。
所述的透射反射镜9，对于长、短脉冲45度入射光的透过率高于95％，对于长、短脉冲45度入射光的反射率低于5％。
所述的控制器11，通常为PC机，并含有HDMI接口、标准网络接口，HDMI接口可以对光调控系统6内的空间光调制器的透过率进行实时调控，标准网络接口可以对所述的长脉冲光源1、短脉冲光源2、气体保护仓10内铺粉装置的工作时序以及监控相机8的工作状态进行精确控制。
本发明基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置的使用方法：包括下列步骤：
①所述的控制器11控制所述的光调控系统6的透过率分布为均匀分布，
②所述的控制器11控制所述的长脉冲光源1和所述的短脉冲光源2，使输出的长脉冲光的时间后沿紧跟短脉冲光的时间前沿，即长、短脉冲在时间上首尾相接，固定短脉冲光的能量以及时间宽度，调整长脉冲光的能量与时间宽度两个参数，当气体保护仓10内的金属粉末层出现较好的金属熔凝态时，保持此时长、短脉冲光的参数。
③然后根据程序预设，逐步调整照射在金属粉末层(10b)上的光斑图案，实现照射区域金属粉末的快速一次成型。
④通过重复上述过程，使光束照射不同区域，并控制气体保护仓10内部铺粉装置的工作时序，以实现不同三维结构的金属增材制造。
实施例1
见图1，长脉冲光源1采用1064nm脉冲激光器、脉冲宽度1ms-10ms可调，输出频率1Hz-10Hz可调，输出单脉冲最大能量为1J。
短脉冲光源2采用808nm脉冲激光器，脉冲宽度1ns-1us可调，输出频率1Hz-10Hz可调，输出单脉冲最大能量为10J。
匀光片(I)2采用石英基材的衍射光学元件，透射波长为1064nm。
匀光片(II)4采用石英基材的自由曲面透镜，透射波长为808nm。
二向分色镜5采用石英基材，并镀有二向色膜，对于1064nm入射光的45度反射率高于95％，对于808nm入射光的45度透过率高于99％。
光调控系统6中的空间光调制器采用光寻址液晶空间光调制器。
光传输系统7中，物方凸透镜的焦距f1与像方凸透镜的焦距f2满足条件：f1/f2＝5/2。
透射反射镜9的适用波段为800nm-1100nm，对于45度入射光的透过率高于95％，对于45度入射光的反射率低于5％。
气体保护仓10中的金属粉末10b为钛合金粉末。
实施例2
结构图见图1，长脉冲光源1采用808nm脉冲激光器，脉冲宽度1ns-1us可调，输出频率1Hz-10Hz可调，输出单脉冲最大能量为10J。
短脉冲光源2采用1064nm脉冲激光器、脉冲宽度1ms-10ms可调，输出频率1Hz-10Hz可调，输出单脉冲最大能量为1J。
匀光片(I)2采用石英基材的衍射光学元件，透射波长为808nm。
匀光片(II)4采用石英基材的自由曲面透镜，透射波长为1064nm。
二向分色镜5采用石英基材，并镀有二向色膜，对于808nm入射光的45度反射率高于95％，对于1064nm入射光的45度透过率高于99％。
光调控系统6中的空间光调制器采用光寻址液晶空间光调制器。
光传输系统7中，物方凸透镜的焦距f1与像方凸透镜的焦距f2满足条件：f1/f2＝10/3。
透射反射镜9的适用波段为800nm-1100nm，对于45度入射光的透过率高于95％，对于45度入射光的反射率低于5％。
气体保护仓10中的金属粉末10b为铝合金粉末。
实施例3
实施例3与实施例1的不同点是匀光片2采用石英基材的自由曲面透镜，透射波长为1064nm。
实施例4
实施例4与实施例1的不同点是匀光片4采用石英基材的衍射光学元件，透射波长为808nm。
实施例5
实施例5与实施例1的不同点是光调控系统6中的空间光调制器采用LCOS型空间光调制器。
实验表明，本发明可实现不同三维结构的金属增材制造，具有加工速度快、加工精度高、便于控制金属内部应力分布等优点。

Claims (10)

1.一种基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：包括长脉冲光源(1)、短脉冲光源(3)和控制器(11)，沿所述的长脉冲光源(1)的激光输出方向依次是匀光片I(2)、二向分色镜(5)，在所述的短脉冲光源(3)的激光输出方向依次是匀光片II(4)、二向分色镜(5)，经所述的二向分色镜(5)输出的复合光束方向依次是光调控系统(6)、光传输系统(7)、透射反射镜(9)、气体保护仓(10)，所述的二向分色镜(5)与光路成45°，所述的透射反射镜(9)与相应光路成45°，在所述的透射反射镜(9)的反射光方向是监控相机(8)，所述的控制器(11)分别与所述的长脉冲光源(1)、短脉冲光源(3)、光调控系统(6)和气体保护仓(10)的控制端相连，所述的控制器(11)与所述的监控相机(8)相连。
2.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的匀光片I(2)是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片I(2)的适用波长与所述的长脉冲光源(1)波长匹配，所述的匀光片II(4)是石英基材的衍射光学元件、聚合物基材的衍射光学元件或石英基材的自由曲面透镜，所述的匀光片II(4)的适用波长与所述的短脉冲光源(3)波长匹配。
3.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的长脉冲光源(1)是1064nm连续激光器、808nm连续激光器或808nm激光二极管等，所述的长脉冲光源(1)输出的脉冲宽度在1ms-100ms范围内，所述的长脉冲光源(1)发出的长脉冲光通过所述的匀光片I(2)后，光斑呈均匀分布；所述的短脉冲光源(3)是1064nm短脉冲光源或808nm短脉冲光源，输出频率满足1-10Hz可调，输出光单脉冲能量在100mJ-10J范围内，所述的短脉冲光源(3)发出的短脉冲光通过所述的匀光片II(4)后，光斑呈均匀分布。
4.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的长脉冲光源(1)发出的长脉冲光45度入射所述的二向分色镜(5)后，继续反射传输；所述的短脉冲光源(3)发出的短脉冲光45度入射所述的二向分色镜(5)后，继续透射传输。
5.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的光调控系统(6)由依次的半波片(6a)、起偏器(6b)、空间光调制器(6c)和检偏器(6d)构成，具备调控光束强度分布的功能。
6.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的光传输系统(7)由依次的物方凸透镜(7a)、真空装置(7b)、像方凸透镜(7c)构成，具备按等比例传输特殊形态光斑的功能。
7.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的长脉冲光源(1)发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源(3)发出的短脉冲光，分别经过所述的二向分色镜(5)反射、透射后，继续传输时在传输方向上保持一致，并合并为复合光束(12)，然后进入所述的光调控系统(6)，形成特殊分布形态的光束，再经过所述的光传输系统(7)后最终成像于所述的气体保护仓(10)内的金属粉末层(10b)上。
8.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的复合光束(12)照射所述的透射反射镜(9)时，其中一部分光经反射后进入所述的监控相机(8)，剩余光经透射后进入所述的气体保护仓(10)。
9.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的气体保护仓(10)内包括铺粉装置(10a)和金属粉末层(10b)等。
10.如权利要求1所述的基于双脉冲光源照明的面扫描式激光增材制造装置，其特征在于：所述的控制器(11)控制所述的长脉冲光源(1)发出的长脉冲光与所述的短脉冲光源(3)发出的短脉冲光之间的相对时间间隔；控制所述的光调控系统(6)的调控形态；控制所述的气体保护仓(10)内的铺粉装置(10a)的工作时序；控制监控相机(8)的工作状态。
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