CN113634769A - 基于高斯光束、光束整形复合光束的金属slm打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于高斯光束、光束整形的复合光束金属SLM打印系统提供的双光源复合光束金属SLM打印系统包括光束整形器、光束耦合器和高斯光束金属SLM打印系统，光束整形器和光束耦合器分别依次设置在第一可变倍扩速镜和第五全反射镜之间，在光束耦合器的垂直方向上设有第二高斯光发射单元，第二高斯光发射单元包括第二激光器和沿着第二激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第二准直器、第二半波片、第二偏振器和第二可变倍扩束镜。本发明还提供了单光源的复合光束金属SLM打印系统，该系统能使用单、双光源对高斯光、环形光和平顶光进行自由复合，在光束整形技术的基础上发挥自由切换不同的光路，提高零件打印速度效率和质量，推动SLM技术推广应用。

Description

基于高斯光束、光束整形复合光束的金属SLM打印系统

技术领域

本发明涉及光纤激光光束整形领域，特别是涉及一种基于高斯光束、光束整形的复合光束金属SLM打印系统。

背景技术

作为3D打印的主要技术之一的激光选区熔化(SLM)在受到广泛关注和应用的同时也面临许多实际应用和推广过程中的难题，例如打印过程中的孔隙、裂纹、未完全熔融颗粒等缺陷机理分析欠缺、变形及组织性能的各向异性、打印后热处理工艺复杂等问题依然制约铺粉式SLM技术的应用，使得该技术无法完全替代传统的制造方法。目前用于金属SLM打印的光源基本为高斯分布的激光，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。但为了保证烧结区域的熔覆搭接效果，必须保证该光路边缘区域能量密度不会太小，由于这种激光的光路区域从中心到边缘能量密度下降很快，故限制了可使用的光路尺寸大小，不能形成大的熔宽，还限制了金属粉末的打印效率。而平顶激光是一种在圆形区域内有几乎一致通量的激光光束，具有均匀的能量密度分布；若它只达到适合粉末烧结的能量密度，中心区域的能量密度就不够大，导致它对金属粉末的熔深有限，在中心区域也不能形成熔穿，金属粉末不能完全熔化，会严重影响成形质量。反高斯光(环形光)由于其中间低和四周高的能量分布特点，在生产制造时会获得跟平顶光相似的宽而浅的熔池形状，并且不会出现高斯光生产时出现的过热重熔等问题，从而保证了产品的机械性能。但目前反高斯光(环形光)都具有很多的缺陷(飞溅和孔隙)出现，这限制了反高斯光制品的产品性能。

因此有必要开发一种将高斯光、高斯光与平顶光、高斯光与环形光进行结合的打印系统，可以实现光路能量分布和形状快速切换的整形光束金属SLM打印集成加工系统，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，减少打印的时长，提高效率。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于高斯光束、光束整形的复合光束金属SLM打印系统，具体方案如下：

高斯光束金属SLM打印系统，包括第一高斯光发射单元、打印单元和工作平台，所述第一高斯光发射单元包括第一激光器和沿着第一激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第一准直器、第一半波片、第一偏振器和第一可变倍扩束镜，打印单元包括第五全反射镜、振镜系统和场镜，第五全反射镜设在第一高斯光发射单元射出的高斯光束传播方向上，振镜系统、场镜和工作平台分别由上至下依次设在第五全反射镜下方。

基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，包括光束整形器、光束耦合器和权利要求1所述的高斯光束金属SLM打印系统，所述光束整形器和光束耦合器分别依次设置在第一可变倍扩速镜和第五全反射镜之间，在光束耦合器的垂直方向上设有第二高斯光发射单元，第二高斯光发射单元包括第二激光器和沿着第二激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第二准直器、第二半波片、第二偏振器和第二可变倍扩束镜。

进一步地，还包括环形光束整形系统和多个直线模组，环形光束整形系统包括第一全反射镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜，所述第一全反射镜设置在第一可变倍扩束镜和光束整形器之间，第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和第二全反射镜分别依次设在经第一全反射镜改变传播高斯光束的路径上，第四全反射镜设在光束整形器和光束耦合器之间，第三全反射镜设在经第二全反射镜改变传播高斯光束的路径上，并对应第四全反射镜，所述第一全反射镜、光束整形器、第四全反射镜和光束耦合器均分别安装在每个直线模组的滑台上。

采用所述的基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，根据打印需求切换高斯光束、平顶光束、环形光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印；

高斯光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜、光束整形器、第四全反射镜和光束耦合器，关闭第二激光器光源；打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

平顶光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜、第四全反射镜和光束耦合器，关闭第二激光器的光源；打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束后，整形后的平顶光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

环形光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开光束耦合器，关闭第二激光器的光源，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过环形光束整形系统整形为环形光束后，整形后的环形光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜和第四全反射镜，打开第一激光器和第二激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束，整形后的平顶光束与第二高斯光发射单元射出的高斯光束经过光束耦合器耦合得到高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

打开第一激光器和第二激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过环形光整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束与第二高斯光发射单元射出的高斯光束经过光束耦合器耦合得到高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印。

基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，包括第一全反射镜、第一分束镜、环形光束整形系统、光束耦合器和权利要求1所述的高斯光束金属SLM打印系统，所述第一全反射镜设在沿着第一高斯光发射单元射出的高斯光束的传播方向上，并对应第五全反射镜，第一分束镜和光束耦合器分别依次设在第一全反射镜和第五全反射镜之间，环形光束整形系统包括第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二全反射镜和第四全反射镜，第一分束镜将高斯光束分为水平方向和竖直方向进行传播，第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和第二全反射镜分别依次设在第一分束镜垂直方向传播的高斯光束上，第四全反射镜设在第二全反射镜的水平方向上，并对应光束耦合器。

进一步地，还包括第二分束镜、光束整形器、第三全反射镜和多个直线模组，所述第二分束镜设置在第一分束镜和光束耦合器之间，第二分束镜将高斯光束分为水平方向和竖直方向进行传播，光束整形器对应设在第二分束镜垂直方向传播的高斯光束上，第三全反射镜设在第二全反射镜和第四全反射镜之间，并对应光束整形器，所述第一分束镜、第二分束镜、第三全反射镜和光束耦合器均分别安装在每个直线模组的滑台上。

采用所述的基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，根据打印需求切换高斯光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印；

高斯光束打印包括如下步骤：

通过直线模组移开第一分束镜、第二分束镜和光束耦合器，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印；

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第二分束镜和第三全反射镜，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和第一分束镜，第一分束镜将该高斯光束分为水平和竖直方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过环形光束整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器耦合成高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印；

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一分束镜，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和第二分束镜，第二分束镜将该高斯光束分为水平和竖直方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束，整形后的平顶光束依次经过第三全反射镜和第四全反射镜，与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器耦合成高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印。

本发明的优点

1、本发明的基于高斯光束、光束整形的复合光束金属SLM打印系统，具有一定的集成化，能利用高斯光、平顶光、环形光束各自的优点，通过光束整形技术将高斯光与平顶光、高斯光与环形光进行复合，即中心区域依然是高斯光束，外圆是环形光束或平顶光。当中心为高斯光束，外圆是环形光束或平顶光束时，由于边缘能量的利用率增加，会使粉末的激光吸收率提高，从而提高能量利用率和提升加工效率。

2、本发明能通过光束整形器、环形光束整形系统的自动切换满足高斯光与环形光复合光束和高斯光与平顶光复合光束的自动切换，也能单独使用高斯光束、环形光束或平顶光束，能满足多工况下研究应用需求，提高生产效率的同时扩展其应用领域，推动SLM技术的大规模推广。

3、本发明还能通过可变倍扩束镜实现激光光束形状和光路大小的可调，能根据具体零件的加工需要进行调整，提高零件填充速度，实现同一零件不同打印位置的光束尺寸和能量分布变换，提高SLM打印零件的精度和速度。

5、本发明既能使用双光源，也能使用单光源实现高斯光束分束再复合。本发明可通过偏振器偏置高斯光束、环形光束、平顶光束的中心位置，使它们非同心，从而产生不同的能量密度方案。

6、本发明能单独使用高斯光束、环形光束或平顶光束或某一复合光路进行打印，也能在打印过程的不同阶段使用不同复合光束进行打印，从而自由调控某时使用某种光路进行打印，不仅具有集成性，同时也能实现不同位置、不同阶段使用不同光路进行打印(即打印过程中可自由组合光路)，提高效率，尽量避免打印过程中缺陷的产生。

附图说明

图1为实施例1双光源高斯光束的复合光束金属SLM打印系统的光路图。

图2为实施例2单光源高斯光束的复合光束金属SLM打印系统的光路图。

图3为图2的高斯光与环形光复合光路示意图。

图4为图2的高斯光与平顶光复合光路示意图。

图5为图2的结构示意图。

图6为图1、图2的激光器射出的高斯激光示意图。

图7为图1和图2中的高斯激光经光束耦合器转换为高斯光与环形光复合光示意图。

图8为图1和图2中的高斯激光经光束耦合器转换为高斯光与平顶光复合光示意图。

图9为图1和图2中的高斯激光经环形光束整形系统整形为环形光束的原理图。

图中：第一激光器1，第一准直器2，第一半波片3，第一偏振器4，第一可变倍扩束镜5，第一全反射镜6，第一分束镜7，第一圆锥透镜8，第二圆锥透镜9，第二全反射镜10、第三全反射镜11，光束整形器12，第二分束镜13，光束耦合器14，第四全反射镜15，第五全反射镜16，振镜系统17，场镜18，工作平台19，第二激光器20，第二准直器21，第二半波片22；第二偏振器23，第二可变倍扩束镜24，高斯激光G；高斯激光的光路半径r；环形光束外径为2R和内径为2r。

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解释和说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。

实施例1

如图1、6、7、8、9所示，本具体实施例提供的基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，包括高斯光束金属SLM打印系统、环形光束整形系统、光束整形器12、光束耦合器14、第二高斯光发射单元和四个直线模组，优选地，直线模组能选择来源于成都盘岩机械有限公司的型号为PKH40滚珠丝杆直线模组。

高斯光束金属SLM打印系统包括第一高斯光发射单元、打印单元和工作平台19，第一高斯光发射单元包括第一激光器和沿着第一激光器1射出高斯光束的传播方向上依次设置的第一准直器2、第一半波片3、第一偏振器4和第一可变倍扩束镜5，打印单元包括第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18。

环形光束整形系统包括第一全反射镜6、第一圆锥透镜8、第二圆锥透镜9、第二全反射镜10、第三全反射镜11和第四全反射镜15。

第二高斯光发射单元包括第二激光器和沿着第二激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第二准直器、第二半波片、第二偏振器和第二可变倍扩束镜。

具体地，第一准直器2、第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5、第一全反射镜6、光束整形器12、第四全反射镜15、光束耦合器14和第五全反射镜16分别自左向右依次设置在第一激光器1射出水平方向传播的高斯光束上，第一全反射镜6、光束整形器12、第四全反射镜15和光束耦合器14均分别安装在每个直线模组的滑台上(图中未示)。

第一圆锥透镜8、第二圆锥透镜9和第二全反射镜10分别由上至下依次设在第一全反射镜6下方，使第一激光器1射出水平方向传播的高斯光束经第一全反射镜6改变为竖直传播方向的高斯光束，竖直方向传播的高斯光束经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9整形为环形光束，将竖直方向传播的环形光束经过第二全反射镜10改变为水平方向传播的环形光束，将第三全反射镜11设在第二全反射镜10的水平方向上，并对应在第四全反射镜15下方，使竖直方向传播的环形光束经过第二全反射镜10改变为水平方向传播的环形光束，再通过第三全反射镜11改变为竖直方向传播的环形光束，在光束耦合器14的垂直方向上方设有第二高斯光发射单元，使最后通过第四全反射镜15改变为水平方向传播的环形光束与第二高斯光发射单元射出的竖直方向上的高斯光束通过光束耦合器14耦合得到高斯光与环形光复合光束，振镜系统17、场镜18和工作平台19分别由上至下依次设在第五全反射镜16下方。

第一激光器1和第二激光器20均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。

第一准直器2、第二准直器21的作用在于通过光纤连接第一、二激光器1、21引入激光光束，并将激光光束由发散传输改为平行传输。

第一可变倍扩束镜5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整形器12的尺寸要求。

第二可变倍扩束镜22的作用在于适度改变通过第二准直器21射出的准直光束的尺寸以满足光束的尺寸要求。

光束整形器12的作用在于将第一高斯光发射单元射出的高斯光束经过光束整形器12整形为平顶光束。

环形光束整形系统的目的在于将第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次经过第一全反射镜6、第一圆锥透镜8、第二圆锥透镜9、第二全反射镜10、第三全反射镜11和第四全反射镜15整形为环形光束，并将整形后的环形光束传播至光束耦合器14。第一、二圆锥透镜8、9呈顶角相对放置，且第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的顶角相同，第一、二圆锥透镜8、9的作用在于将高斯光束整形为环形光束，同时还能通过调整圆锥透镜的光学参数、准直镜的焦距、两圆锥透镜的间距等来定制特殊尺寸的环形光束。

第五全反射镜16的作用在于将水平方向传播的高斯光束、平顶光束、环形光束、高斯光与平顶光复合光束、高斯光与环形光复合光束改变为竖直方向传播。

工作原理：

初始状态下，如图1所示，打开第一激光器1和第二激光器20的光源，打印系统默认为高斯光与环形光复合光束进行打印，第一激光器1射出的激光光束通过光纤传输到带有光纤第一准直器2进行准直，再依次经过第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5根据需求调整适合第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的入射光斑尺寸，调整好入射光斑尺寸的高斯光束经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9整形为环形光束，整形后的环形光束依次经过第二全反射镜10、第三全反射镜11、第四全反射镜15与第二高斯光发射单元射出的垂直方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合得到高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束再依次经过第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18后聚焦到工作平台19上进行打印。

若需要切换为高斯光束打印时，控制相应的直线模组移开第一全反射镜6、光束整形器12、第四全反射镜15和光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一激光器1射出的高斯光束通过光纤传输到第一准直器2进行准直，准直后的高斯光束依次经过第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5调整满足入射的光斑尺寸，调整好入射光斑尺寸的高斯光束再依次经过第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18后聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

若需要切换为平顶光束打印时，控制相应的直线模组移开第一全反射镜6、第四全反射镜15和光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一激光器1射出的高斯光束通过光纤传输到第一准直器2进行准直，准直后的高斯光束依次经过第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5调整满足光束整形器12的入射光斑尺寸，调整好入射光斑尺寸的高斯光束经过光束整形器12整形为平顶光束，整形后的平顶光束依次经过第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18后聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

若需要切换为环形光束打印时，控制相应的直线模组移开光束整形器12和光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一激光器1射出的高斯光束通过光纤传输到第一准直器2进行准直，准直后的高斯光束依次经过第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5调整满足第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的入射光斑尺寸，调整好入射光斑尺寸的高斯光束经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9整形为环形光束，整形后的环形光束依次经过第二全反射镜10、第三全反射镜11、第四全反射镜15、第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18后聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

若需要切换为高斯光与平顶光复合光束进行打印，控制相应的直线模组移开第一全反射镜6和第四全反射镜15，打开第一激光器1和第二激光器20的光源，使第一激光器1射出的激光光束通过光纤传输到带有光纤第一准直器2进行准直，再依次经过第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5根据需求调整适合光束整形器12入射光斑的尺寸，该高斯光束通过光束整形器12整形为平顶光束，平顶光束形状为圆形平顶光束、椭圆形平顶光束、矩形平顶光束或根据需求定制成特定形状的平顶光束，整形后的水平方向传播的平顶光束与第二高斯光发射单元射出的垂直方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合得到高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束再依次经过第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18后聚焦到工作平台19上进行打印。

本具体实施例采用两个激光器1、20发射，通过控制两束高斯激光的不同能量分布使通过光束整形技术后的两种光束复合后产生不同的能量密度分布。

采用基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，根据打印需求或打印过程中的不同阶段切换高斯光束、平顶光束、环形光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印；

高斯光束打印包括如下步骤：

控制相应的直线模组移开第一全反射镜6、光束整形器12、第四全反射镜15和光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

环形光束打印包括如下步骤：

控制相应的直线模组移开光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束经过环形光束整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

平顶光束打印包括如下步骤：

控制相应的直线模组移开第一全反射镜6、第四全反射镜15和光束耦合器14，关闭第二激光器20的光源，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过光束整形器12整形为平顶光束，整形后的平顶光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

打开第一激光器1和第二激光器20的光源，使第一高斯光发射单元射出的水平方向的高斯光束经过环形光束整形系统整形为环形光束，整形后的水平方向的环形光束与第二高斯光发射单元射出的竖直方向的高斯光束通过光束耦合器14耦合得到高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

控制相应的直线模组移开第一全反向镜6和第四全反向镜15，打开第一激光器1和第二激光器20的光源，使第一高斯光发射单元射出水平方向的高斯光束通过光束整形器12整形为平顶光束，优选地，平顶光束的形状根据需要整形为圆形平顶光束、矩形平顶光束、椭圆形平顶光束或根据需求进行定制特定形状的平顶光束。整形后水平方向的平顶光束与第二高斯光发射单元射出竖直方向的高斯光束通过光束耦合器14耦合得到高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚集光斑到工作平台19进行打印。

实施例2

如图2至图9所示，实施例2提供的基于单光源的高斯光束的复合光束金属SLM打印系统，包括高斯光束金属SLM打印系统、第一全反射镜6、第一分束镜7、第二分束镜13、环形光束整形系统、光束耦合器14、光束整形器12、第三全反射镜11和四个直线模组。

高斯光束金属SLM打印系统包括第一高斯光发射单元、打印单元和工作平台，第一高斯光发射单元包括第一激光器1和沿着第一激光器1射出高斯光束的传播方向依次设置的第一准直器2、第一半波片3、第一偏振器4和第一可变倍扩束镜5，打印单元包括第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18。

环形光束整形系统包括第一圆锥透镜8、第二圆锥透镜9、第二全反射镜10、第四全反射镜15。第一、二圆锥透镜8、9呈顶角相对放置,且第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的顶角相同。

具体地，第一准直器2、第一半波片3、第一偏振器4、第一可变倍扩束镜5和第一全反射镜6分别由下至依次设置在第一激光器1射出竖直传播方向的高斯光束上，经第一全反射镜6将竖直传播方向的高斯光束改变为水平传播方向的高斯光束，在水平传播方向的高斯光束上分别依次设置有第一分束镜7、第二分束镜13、光束耦合器14和第五全反射镜16，将第一分束镜7、第二分束镜13、第三全反射镜11和光束耦合器14均分别安装在每个直线模组的滑台上，优选地，第二分束镜13和第三全反射镜11也能安装在同一直线模组的滑台上(图中未示)。

在第一分束镜7下方由上至下依次分别设有第一圆锥透镜8、第二圆锥透镜9和第二全反射镜10，光束耦合器14下方设有第四全反射镜15，第四全反射镜15对应第二全反射镜10，第一分束镜7的作用在于将高斯光束分成竖直传播方向和水平传播方向的两束高斯光束，竖直方向传播的高斯光束依次经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9整形为竖直方向传播的环形光束，整形后竖直方向传播的环形光束经过第二全反射镜10转为水平方向传播的环形光束，水平方向传播的环形光束经过第四全反射镜15转为竖直方向传播的环形光束，竖直方向传播的环形光束与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合成高斯光与环形光复合光束。第五全反射镜16下方由上至下依次设有振镜系统17、场镜18和工作平台19，使高斯光与环形光复合光束依次经过第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18聚集在工作平台19上进行打印。

在第二分束镜13下方由上至下依次分别设有光束整形器12和第三全反射镜11，第三全反射镜11对应设在第二全反射镜10的水平方向上，第三全反射镜11对应设在第二全反射镜10和第四全反射镜15之间，第二分束镜8的作用在于将高斯光束分成竖直传播方向和水平传播方向的两束高斯光束，竖直方向传播的高斯光束经过光束整形器12整形为竖直方向传播的平顶光束，整形后竖直方向传播的平顶光束通过第三全反射镜11改变为水平方向传播的平顶光束，水平方向传播的平顶光束通过第四全反射15改变为竖直方向传播的平顶光束，竖直方向传播的平顶光束与水平传播方向的高斯光束通过光束耦合器14耦合成高斯光与平顶光复合光束。

在第五全反射镜16下方由上至下依次设有振镜系统17、场镜18和工作平台19，使高斯光束或高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束依次经过第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18聚焦光斑在工作平台19上进行打印。

工作原理：

初始状态下，如图2所示，根据打印需求，若需切换为高斯光束打印时，通过相应的直线模组移开第一分束镜7、第二分束镜13和光束耦合器14，打开第一激光器1光源，使第一高斯光发射单元射出高斯光束依次经过第一全反射镜6、第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

若需切换为高斯光与环形光复合光束打印时，通过相应的直线模组移开第二分束镜13和第三全反射镜11，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出高斯光束依次经过第一全反射镜6和第一分束镜7，第一分束镜7将该高斯光束分为竖直和水平方向传播，竖直方向传播的高斯光束依次经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9整形为环形光束，整形后的环形光束依次经过第二全反射镜10、第四全反射镜15与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合成高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束依次通过第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

若需切换为高斯光与平顶光复合光束打印时，通过相应的直线模组移开第一分束镜7，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出高斯光束依次经过第一全反射镜6和第二分束镜13，第二分束镜13将该高斯光束分为竖直和水平方向传播，竖直方向传播的高斯光束经过光束整形器12整形为平顶光束，整形后的平顶光束依次经过第三全反射镜11和第四全反射镜15与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合成高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束依次通过第五全反射镜16、振镜系统17和场镜18聚焦光斑到工作平台19上进行打印。

采用基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，根据打印需求或打印过程中的不同阶段打印切换高斯光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印，

高斯光束打印包括如下步骤：

通过相应的直线模组移开第一分束镜7、第二分束镜13和光束耦合器14，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次经过第一全反射镜6、第五全反射镜16、振镜系统17、场镜18聚焦到工作平台19进行高斯光束打印；

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

如图2所示，通过相应的直线模组移开第二分束镜13和第三全反射镜11，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次经过第一全反射镜6和第一分束镜7，第一分束镜7将该高斯光束分为水平方向和竖直方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过环形光束整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器14耦合成高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

如图3所示，通过相应的直线模组移开第一分束镜7，打开第一激光器1的光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次经过第一全反射镜6和第二分束镜13，使第二分束镜13将该高斯光束分为竖直方向和水平方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过光束整形器12整形为平顶光束后，优选地，平顶光束形状为圆形平顶光束、矩形平顶光束、椭圆形平顶光束或根据需求进行定制特定形状的平顶光束。整形后的平顶光束依次经过第三全反射镜11和第四全反射镜15与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器耦14合成高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台19进行打印。

实施例1和实施例2中的第一高斯光发射单元射出的高斯光束照射到第一圆锥透镜8上，再折射到第二圆锥透镜9上，由于第一、二圆锥透镜8、9呈顶角相对放置，且第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的顶角相同，因此穿过第二圆锥透镜9后，整形成外径为2R和内径为2r的环形光束，环形光束的光环宽度为R-r，如图6所示的工作原理图，随着第一准直器2焦距的增加，高斯光束经过第一准直器2准直和经过第一可变倍扩束镜5，入射到第一圆锥透镜8的直径D增加，经过第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9折射后，导致环形光束的内径减小，而外径不变，从而使环形光束的光环宽度增加。同理，第一准直器2的焦距保持不变，随着第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9之间距离增加，高斯光束经过第一圆锥透镜8折射到第二圆锥透镜9的宽度范围同时增加，进而经过第二枚圆锥透镜折射后形成的环形光束外径和内径同时增加，环形光束尺寸变大，而环形光束的光环宽度保持不变，因此可通过调整圆锥透镜的光学参数、准直器的焦距和第一圆锥透镜8和第二圆锥透镜9的间距来定制特殊尺寸的环形光束。

实施例1和实施例2的复合光束金属SLM打印系统均能针对同一个零件打印时，根据零件不同位置对精度的要求不同，在打印过程中能实现不同位置、不同阶段自由组合打印光路，选择不同光路进行打印，以提高打印效率、避免打印过程中缺陷的产生。比如在某一阶段选择高斯光束打印，在另外一阶段选择高斯光与平顶光复合光束进行打印或高斯光与环形光复合光束进行打印。并且能通过调整第一偏振器4和第二偏振器21使高斯光束、环形光束、平顶光束的中心位置偏置，使他们非同心，从而可以产生不同的能量密度方案。

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 (7)

1.高斯光束金属SLM打印系统，其特征在于，包括第一高斯光发射单元、打印单元和工作平台，所述第一高斯光发射单元包括第一激光器和沿着第一激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第一准直器、第一半波片、第一偏振器和第一可变倍扩束镜，打印单元包括第五全反射镜、振镜系统和场镜，第五全反射镜设在第一高斯光发射单元射出的高斯光束传播方向上，振镜系统、场镜和工作平台分别由上至下依次设在第五全反射镜下方。

2.基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，其特征在于，包括光束整形器、光束耦合器和权利要求1所述的高斯光束金属SLM打印系统，所述光束整形器和光束耦合器分别依次设置在第一可变倍扩速镜和第五全反射镜之间，在光束耦合器的垂直方向上设有第二高斯光发射单元，第二高斯光发射单元包括第二激光器和沿着第二激光器射出高斯光束的传播方向上依次设置的第二准直器、第二半波片、第二偏振器和第二可变倍扩束镜。

3.根据权利要求2所述的基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，其特征在于，还包括环形光束整形系统和多个直线模组，环形光束整形系统包括第一全反射镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜，所述第一全反射镜设置在第一可变倍扩束镜和光束整形器之间，第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和第二全反射镜分别依次设在经第一全反射镜改变传播高斯光束的路径上，第四全反射镜设在光束整形器和光束耦合器之间，第三全反射镜设在经第二全反射镜改变传播高斯光束的路径上，并对应第四全反射镜，所述第一全反射镜、光束整形器、第四全反射镜和光束耦合器均分别安装在每个直线模组的滑台上。

4.采用权利要求1至3中任意一项所述的基于双光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，其特征在于，根据打印需求切换高斯光束、平顶光束、环形光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印；

高斯光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜、光束整形器、第四全反射镜和光束耦合器，关闭第二激光器光源；打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

平顶光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜、第四全反射镜和光束耦合器，关闭第二激光器的光源；打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束后，整形后的平顶光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

环形光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开光束耦合器，关闭第二激光器的光源，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过环形光束整形系统整形为环形光束后，整形后的环形光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一全反射镜和第四全反射镜，打开第一激光器和第二激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束，整形后的平顶光束与第二高斯光发射单元射出的高斯光束经过光束耦合器耦合得到高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印；

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

打开第一激光器和第二激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束通过环形光整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束与第二高斯光发射单元射出的高斯光束经过光束耦合器耦合得到高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台上进行打印。

5.基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，其特征在于，包括第一全反射镜、第一分束镜、环形光束整形系统、光束耦合器和权利要求1所述的高斯光束金属SLM打印系统，所述第一全反射镜设在沿着第一高斯光发射单元射出的高斯光束的传播方向上，并对应第五全反射镜，第一分束镜和光束耦合器分别依次设在第一全反射镜和第五全反射镜之间，环形光束整形系统包括第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二全反射镜和第四全反射镜，第一分束镜将高斯光束分为水平方向和竖直方向进行传播，第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和第二全反射镜分别依次设在第一分束镜垂直方向传播的高斯光束上，第四全反射镜设在第二全反射镜的水平方向上，并对应光束耦合器。

6.根据权利要求5所述的基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统，其特征在于，还包括第二分束镜、光束整形器、第三全反射镜和多个直线模组，所述第二分束镜设置在第一分束镜和光束耦合器之间，第二分束镜将高斯光束分为水平方向和竖直方向进行传播，光束整形器对应设在第二分束镜垂直方向传播的高斯光束上，第三全反射镜设在第二全反射镜和第四全反射镜之间，并对应光束整形器，所述第一分束镜、第二分束镜、第三全反射镜和光束耦合器均分别安装在每个直线模组的滑台上。

7.采用权利要求5或6中任意所述的基于单光源光束整形的复合光束金属SLM打印系统的打印方法，其特征在于，根据打印需求切换高斯光束、高斯光与平顶光复合光束或高斯光与环形光复合光束进行打印；

高斯光束打印包括如下步骤：

通过直线模组移开第一分束镜、第二分束镜和光束耦合器，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印；

高斯光与环形光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第二分束镜和第三全反射镜，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和第一分束镜，第一分束镜将该高斯光束分为水平和竖直方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过环形光束整形系统整形为环形光束，整形后的环形光束与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器耦合成高斯光与环形光复合光束，高斯光与环形光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印；

高斯光与平顶光复合光束打印包括如下步骤：

控制直线模组移开第一分束镜，打开第一激光器光源，使第一高斯光发射单元射出的高斯光束依次通过第一全反射镜和第二分束镜，第二分束镜将该高斯光束分为水平和竖直方向进行传播，竖直方向传播的高斯光束通过光束整形器整形为平顶光束，整形后的平顶光束依次经过第三全反射镜和第四全反射镜，与水平方向传播的高斯光束通过光束耦合器耦合成高斯光与平顶光复合光束，高斯光与平顶光复合光束通过打印单元聚焦光斑到工作平台进行打印。

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