CN113649595B - 用于金属slm打印的环形光斑光学系统及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法包括激光器，激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台。本发明能单独使用高斯光斑、环形光斑或椭圆形光斑打印，也能在打印过程的不同阶段自由切换光路打印，能提高打印效率和质量，减少金属打印的缺陷，利于SLM技术应用的推动。

Description

用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法

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打印的环形光斑光学系统及其打印方法。

背景技术

激光选区熔化技术(SLM)作为增材制造技术(AM)的一种，可加工结构复杂的零件，其成品成形精度高，广泛应用于医学、航空航天等领域。目前，大多数的SLM加工设备均使用传统高斯密度分布激光束(单模TEM00模式)，由于高斯光中心位置能量较高，而边缘位置能量较低，在加工过程中往往会因为能量分布不均匀引起孔隙等缺陷。鉴于高斯光特殊的能量分布，提高激光功率会造成能量过度集中从而产生重熔、匙孔等问题。通过提高扫描速度来减少重熔、匙孔，但是扫描速度的提高，但会造成加工过程的快热快冷。快速冷却时，一些非稳态的中间相(如：低熔点共晶组织和化合物)的出现会使组织愈发不均匀，影响成品的性能。为了更好的增加工艺窗口范围，提高SLM生产效率，非传统激光束在SLM技术中的应用逐渐成为许多学者研究的重点。非传统激光束从光束整形角度出发，出现了椭圆形高斯光、平顶光、环形光等多种形式。因此有必要一种可以将高斯光转换为环形光斑或椭圆光斑的打印系统，该系统可在打印的不同阶段使用不同形状的光斑进行打印，一方面改变光束的能量分布及光斑尺寸，另外可以同步或者相互独立输入不同光斑，对于开展不同波长、光斑能量分布、形状以及复合作用状态下的金属增材制造研究具有重大意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种实现光斑能量分布、形状快速切换的光束整形系统的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及其打印方法，具体方案如下：

用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，包括激光器、沿着激光器射出高斯光束的传播路径上依次设有准直器、可变倍扩束镜、光束整形单元、全反射镜、振镜系统、场镜和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台。

进一步地，所述光束整形单元还包括电动切换装置，电动切换装置包括第一直线模组、二维镜架、XY轴移动平台、固定座、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，所述第一直线模组和XY轴移动平台分别安装在固定座两侧，两二维镜架上分别安装第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，第一圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在第一直线模组的滑台上，第二圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在XY轴移动平台的滑台上，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一直线模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在XY轴移动平台两端，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、第一直线模组和XY轴移动平台分别连接控制系统。

进一步地，所述第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角相同，且顶角呈对称放置，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形为环形光束，或者旋转第一圆锥透镜或第二圆锥透镜，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜进行整形为椭圆形光束。

进一步地，所述XY轴移动平台主要由第二直线模组和第三直线模组连接构成，第三直线模组和第一直线模组分别安装在固定座两侧，第二直线模组平行于第一直线模组，并通过连接板安装在第三直线模组的滑台上，第二圆锥透镜通过连接板固定在第二直线模组的滑台上。

进一步地，所述振镜系统和工作平台之间设置有光束质量分析仪。

采用所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，包括如下步骤：

(1)通过二维镜架调整第一圆锥透镜的顶角对称第二圆锥透镜的顶角；

(2)通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组方向移动，调整第二圆锥透镜和第一圆锥透镜的间距以设定需切换的光斑尺寸；

(3)控制系统控制步骤(1)和(2)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移入在激光器射出高斯光束的传播路径上，通过第二限位开关和第四限位开关分别检测到第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角对称的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的环形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

进一步地，所述步骤(3)的环形光斑切换为椭圆形光束，通过二维镜架调整使所述步骤(1)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，并通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组的方向移动以设定好所需的椭圆形光斑的尺寸，从而使所述步骤(3)的高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角之间形成1～30°夹角的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的椭圆形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

进一步地，所述步骤(3)的环形光斑切换为高斯光束，通过控制系统控制所述步骤(3)的第一直线模组和第二直线模组分别带动第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移出激光器射出高斯光束的传播路径，通过第一限位开关和第三限位开关分别检测到步骤(3)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的高斯光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

本发明的优点

1、本发明的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，能通过光束整形单元满足圆形高斯光斑、环形光斑、椭圆光斑等多种形态光束的自动切换，能单独使用高斯光路、整形后的环形光斑或椭圆形光斑进行打印，也能在打印过程的不同阶段使用不同光路进行打印，满足多工况下研究应用需求，不仅具有一定的集成性，同时也能实现不同位置、不同阶段使用不同光路进行打印，提高效率，尽量避免打印过程中缺陷的产生。

2、国内外研究表明，环形光斑对于在生产制造时会获得跟平顶光和纵向椭圆形高斯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，环形光传热模式避免了SLM中匙孔现象。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。与现有技术相比，本发明将高斯光斑、环形光斑和椭圆形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，打印效果对比更佳。

3、本发明的环形光斑光学系统，能通过改变准直镜焦距来改变环形或激光束的光环宽度，能通过改变第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的间距来改变环形光斑的尺寸，从而可根据需求进行定制特定尺寸的环形光斑或椭圆形光斑。

4、本发明的环形光斑光学系统，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，表面打印时采用小尺寸圆形光斑，内部打印时采用大尺寸环形光斑，能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打印的环形光斑光学系统的光路示意图；

图2为图1的结构示意图；

图3为图1和图2的光束整形单元的结构示意图。

图4为图1和图2的激光器射出高斯光束的示意图；

图5为图1和图2的高斯光束通过第一、二圆锥透镜转换为环形光束的示意图；

图6为图5的原理示意图。

图7为旋转第一、二圆锥透镜圆锥透镜整形成椭圆形光斑的示意图。

图中：

1.激光器；2.光纤；3.QBH接口；4.准直器；5.可变倍扩束镜；6.第一圆锥透镜；7.第二圆锥透镜；8.全反射镜；9.振镜系统；10.场镜；11.光束质量分析仪；12.工作平台；13.第一直线模组；14.第二直线模组；15.固定座；16.第一限位开关；17.第二限位开关；18.第三限位开关；19.第四限位开关；20.连接板；21.第三直线模组；G.高斯光束；r:高斯光束的光斑半径；N：能量密度；F1：环形光束；R1：圆形高斯光斑；N1：环形光斑的能量密度；环形光斑外径为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，本具体实施例的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，包括激光器1、沿着激光器1射出高斯光束的传播路径上依次设有准直器4、可变倍扩束镜5、光束整形单元、全反射镜8、振镜系统9、场镜10、光束质量分析仪11和工作平台12。

将本具体实施例的光束整形单元设置在金属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。所述光束整形单元包括第一圆锥透镜6、第二圆锥透镜7和电动切换装置，优选地，第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角相同，并且第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角相对。电动切换装置包括第一直线模组13、二维镜架、XY轴移动平台、固定座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19和控制系统，第一直线模组13和XY轴移动平台分别安装在固定座15两侧，具体地，XY轴移动平台主要由第二直线模组14和第三直线模组21连接构成，第三直线模组21垂直于第一直线模组13并分别安装在固定座15两侧，第二直线模组14平行并列于第一直线模组13通过连接板安装在第三直线模组21的滑台上，第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7分别安装有二维镜架，第一圆锥透镜6的二维镜架通过连接板20固定在第一直线模组13的滑台上，第二圆锥透镜7的二维镜架通过连接板20固定在第二直线模组14的滑台上，所述第一限位开关16和第二限位开关17分别设置在第一直线模组13的滑台行程的起始端和末端，第三限位开关18和第四限位开关19分别设置在第二直线模组14的滑台行程的起始端和末端。

具体地，激光器1射出的高斯光束通过准直器4准直，准直器4的作用在于通过光纤连接激光器1引入高斯光束，并将高斯光束由发散传输改为平行传输，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜5调整入射光斑尺寸，当控制第一直线电组13和第二直线电组14带动第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7移出高斯光束的传播路径，调整入射光斑尺寸后的高斯光束依次通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10形成聚焦的高斯光束光斑到达工作平台12进行打印；当沿Y轴方向旋转第一圆锥透镜6的二维镜架或第二圆锥透镜7的二维镜架，调整第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角呈对称放置，控制第一直线电组13和第二直线电组14带动第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7移入在高斯光束的传播路径上，调整入射光斑尺寸后的高斯光束通过第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为环形光束，若调整第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角之间形成1～30°的夹角，调整入射光斑尺寸后的高斯光束通过第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为椭圆形光束，整形后的环形光束或椭圆形光束均依次通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10形成聚焦光斑到达工作平台12进行打印。

激光器1通过光纤2连接准直器4的QBH接口3，优选地，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光束，其能量密度分布为高斯态，通过光纤输出后发散传输。

可变倍扩束镜5的作用在于适度改变通过准直器4射出的准直光束的尺寸以满足第一圆锥透镜6、第二圆锥透镜7的尺寸要求。

场镜10的作用在于将振镜系统9输入的经过整形后的高斯光斑或环形光斑聚焦到工作平台12。

电动切换装置的作用在于一是控制第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7移入或移出激光器1射出的高斯光束的传播路径，以实现环形光斑、椭圆光斑和高斯光斑的转换；二是能实现第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7之间间距的调整，以设定好整形后的环形光斑的尺寸；三是通过沿Y轴方向旋转第一圆锥透镜6的二维镜架或第二圆锥透镜7的二维镜架，使第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角之间形成1～30°的夹角，以实现将环形光斑切换为椭圆形光斑的目的。

二维镜架为市场上购买的品牌为恒洋光学，型号为MTMSO-40R二轴O型镜架，作用在于通过旋转调整第一圆锥透镜6或第二圆锥透镜7的角度。

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19、第一直线模组13、XY轴移动平台分别连接控制系统。

第一限位开关16目的在于探测到第一直线模组13滑台通过连接板20带动第一圆锥透镜6缩回，当第一直线模组13滑台缩回到第一直线模组13的滑台行程起始端位置时，控制第一直线模组13停止工作，并发送第一直线模组13滑台回到滑台行程起始端位置的检测信号给控制系统。

第二限位开关17的目的在于探测到第一直线模组13滑台通过连接板20带动第一圆锥透镜6伸出，当第一直线模组13滑台伸出至当第一直线模组13的滑台行程末端的位置时，控制第一直线模组13停止工作，并发送第一直线模组13的滑台到达滑台行程末端位置的检测信号给控制系统。

第三限位开关18的目的在于探测到第二直线模组14滑台通过连接板20带动第二圆锥透镜7缩回，当第二直线模组14滑台缩回至第二直线模组14的滑台行程的起始端的位置时，控制第二直线模组14停止工作，并发送第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程的起始端位置的检测信号给控制系统。

第四限位开关19探测到第二直线模组14滑台通过连接板20带动第二圆锥透镜7伸出，滑台到达第二直线模组14的滑台行程的末端的的位置时，控制第二直线模组14停止工作，并发送第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程的末端位置的检测信号给控制系统。

XY轴移动平台来源于来源于深圳市邦康工业机器人科技有限公司，型号为BK-2W-10-10，其作用在于能使第二圆锥透镜7向X、Y轴方向来回移动。

第一直线模组13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，其作用在于通过连接板20带动第一圆锥透镜6在Y轴方向来回移动。

第二直线模组14的作用在于通过连接板20带动第二圆锥透镜7有Y轴方向来回移动。

第三直线模组21的作用在于驱动第二直线模组14在X轴方向来回移动。

工作原理：

根据打印需求，需要单独使用环形光斑对整个零件进行打印时，先手动旋转第一圆锥透镜6的二维镜架或第二圆锥透镜7的二维镜架，使第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角呈对称放置，通过控制系统控制第三直线模组21驱动第二直线模组14带动第二圆锥透镜7向第一直线模组13的方向移动以设定好所需要环形光斑的尺寸，再通过控制系统同时控制第一直线模组13的滑台通过连接板20带动第一圆锥透镜6向前伸出和第二直线模组14的滑台通过连接板20带动第二圆锥透镜7向前伸出，当第二限位开关17探测到第一直线模组13滑台到达第一直线模组13的滑台行程末端，控制第一直线模组13滑台停止工作，当第四限位开关19探测到第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程末端时，控制第二直线模组14滑台停止工作，此时，控制系统控制激光器1射出高斯光束，高斯光束经过准直器4准直，准直后的高斯光束经过可变位扩束镜5调整光斑尺寸后，调整后的高斯光束再依次经过第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为环形光束，由于第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角相同，其顶角呈对称放置，使调整好光斑尺寸后的高斯光束照射到第一圆锥透镜6上，然后折射到第二圆锥透镜7上，当穿过第二圆锥透镜7后，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，随着准直器4焦距的增加，高斯光束G经过准直器4入射到第一圆锥透镜6的直径D增加，经过顶角相同的第一圆锥透镜6、第二圆锥透镜7的折射后，导致环形光束F1的内径减小，而外径不变，从而使环形光束F1的光环宽度增加。同理，准直器4焦距保持不变，随着第一圆锥透镜6和第二枚圆锥透镜7之间距离增加，高斯光束G经过第一圆锥透镜6折射到第二圆锥透镜7的宽度范围同时增加，进而经过第二圆锥透镜7折射后形成的环形光束F1外径和内径同时增加，而环形光束F1的光环宽度保持不变。因此通过根据需求来调整第一、二圆锥透镜6、7的光学参数、准直器4的焦距、第一、二圆锥透镜6、7之间的间距来定制特殊尺寸的环形光束F1，环形光束F1再依次经过通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10聚焦环形光斑到达工作平台12上，光束质量分析仪11设在场镜10和工作平台12之间，光束质量分析仪能对激光光斑形貌及能量分布实时进行测定，从而监测能量和光斑形状能量是否稳定。

需要单独使用椭圆形光斑对整个零件进行打印时，手动沿Y轴方向旋转第一圆锥透镜6的二维镜架或第二圆锥透镜7的二维镜架，使第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角之间形成1～30°的夹角，通过控制系统控制第三直线模组21驱动第二直线模组14带动第二圆锥透镜7向第一直线模组13的方向移动以设定好所需的椭圆形光斑的尺寸，再通过控制系统同时控制第一直线模组13的滑台通过连接板20带动第一圆锥透镜6向前伸出和第二直线模组14的滑台通过连接板20带动第二圆锥透镜7向前伸出，当第二限位开关17探测到第一直线模组13滑台到达第一直线模组13的滑台行程末端，控制第一直线模组13滑台停止工作，当第四限位开关19探测到第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程末端时，控制第二直线模组14滑台停止工作，此时，控制系统控制激光器1射出高斯光束，高斯光束经过准直器4准直，准直后的高斯光束经过可变位扩束镜5调整光斑尺寸后，调整后的高斯光束再依次经过第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为椭圆形光束，椭圆形光束再依次经过通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10聚焦环形光斑到达工作平台12上，光束质量分析仪11设在场镜10和工作平台12之间，光束质量分析仪能对激光光斑形貌及能量分布实时进行测定，从而监测能量和光斑形状能量是否稳定。

需要单独使用高斯光束G对整个零件进行打印时，通过控制系统同时控制第一直线模组13的滑台通过连接板20带动第一圆锥透镜6伸缩件带动第一圆锥透镜6向后缩回和第二直线模组14带动的滑台通过连接板20带动第二圆锥透镜7向后缩回，当第一限位开关16探测到第一直线模组13滑台到达第一直线模组13的滑台行程起始端，控制第一直线模组13滑台停止工作和第三限位开关18探测到第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程起始端时，控制第二直线模组14滑台停止工作，并发送第一直线模组13滑台到达第一直线模组14的滑台行程的起始端位置的检测信号和第二直线模组14滑台到达第二直线模组14的滑台行程的起始端位置的检测信号给控制系统，使第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7退出高斯光束传输通道，控制系统接收到到位信息后，发送指令控制激光器1射出高斯光束，高斯光束经过准直器4准直，准直后的高斯光束经过可变位扩束镜5调整光斑尺寸后依次通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10聚焦高斯光斑到工作平台12上，光束质量分析仪11设在场镜10和工作平台12之间，用于对高斯光斑形貌及能量分布进行测定的。

本具体实施例还能根据打印需求，对同一个零件打印时，对于零件表面的打印精度高于内部的精度要求，能自动切换高斯光斑或环形光斑或椭圆形光斑进行打印。通过电动切换装置对第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的位置进行自由切换，使在打印的不同阶段自动切换高斯光斑或环形光斑或椭圆形光斑进行打印，实现对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。

采用所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，根据打印需求，能自由切换为环形光斑或高斯光斑对金属粉末进行打印，包括如下步骤：

(1)根据打印需要选择环形光斑对金属粉末进行打印，通过二维镜架调整第一圆锥透镜6的顶角对称第二圆锥透镜7的顶角；

(2)通过控制系统控制第三直线模组21驱动第二直线模组14带动第二圆锥透镜7向第一直线模组13方向移动，调整第二圆锥透镜7和第一圆锥透镜6的间距以设定环形光斑的尺寸；

(3)控制系统控制第一直线模组13和第二直线模组14分别通过连接板20带动步骤(1)和(2)的第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7向前伸出，使第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7移入在激光器1射出高斯光束的传播路径上，通过第二限位开关17和第四限位开关19分别检测到第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7到达第一直线模组13滑台和第二直线模组14滑台行程末端的位置信号后，控制第一直线模组13和第二直线模组14停止工作，并发送到达第一直线模组13滑台和第二直线模组14滑台行程末端的位置信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器1射出高斯光束，高斯光束通过准直器4进行准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜5调整满足第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7入射的光斑尺寸，调整后的光斑尺寸通过顶角对称的第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为环形光束，整形后的环形光束依次通过全反射镜8、振镜系统9和场镜10聚焦形成聚焦的环形光斑到达工作平台表面对金属粉末进行打印。

若需要将步骤(3)的环形光束切换为椭圆形光束，通过手动旋转第一圆锥透镜6或第二圆锥透镜7的二维镜架，调整使所述步骤(1)的第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7的顶角之间形成1～30°的夹角，再通过控制系统控制第三直线模组21驱动第二直线模组14带动第二圆锥透镜7向第一直线模组13的方向移动以设定好所需的椭圆形光斑的尺寸，从而使所述步骤(3)的高斯光束依次通过准直器4进行准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜5调整调整光斑尺寸，调整后的光斑尺寸通过顶角之间形成1～30°夹角的第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7整形为椭圆形光束，整形后的椭圆形光束依次通过全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的椭圆形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

若需要将步骤(3)的环形光束切换为高斯光束，通过控制系统控制所述步骤(3)的第一直线模组13和第二直线模组14分别带动第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7移出激光器1射出高斯光束的传播路径，通过第一限位开关16和第三限位开关18分别检测到步骤(3)的第一圆锥透镜6和第二圆锥透镜7到达第一直线模组13滑台和第二直线模组14滑台行程起始端的位置信号后，控制第一直线模组13和第二直线模组14停止工作，并发送到达第一直线模组13滑台和第二直线模组14滑台行程起始端的位置信号位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器1射出高斯光束，高斯光束通过准直器4进行准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜5调整调整光斑尺寸后依次经过全反射镜8、振镜系统9和场镜10聚焦形成聚焦的高斯光斑到达工作平台12表面对金属粉末进行打印。

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 (5)

1.用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，其特征在于，包括激光器、沿着激光器射出高斯光束的传播路径上依次设有准直器、可变倍扩束镜、光束整形单元、全反射镜、振镜系统、场镜和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和电动切换装置，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台，电动切换装置包括第一直线模组、二维镜架、XY轴移动平台、固定座、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，所述第一直线模组和XY轴移动平台分别安装在固定座两侧，两二维镜架上分别安装第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，第一圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在第一直线模组的滑台上，第二圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在XY轴移动平台的滑台上，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一直线模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在XY轴移动平台两端，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、第一直线模组和XY轴移动平台分别连接控制系统，所述第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角相同，且顶角呈对称放置，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形为环形光束，或者旋转第一圆锥透镜或第二圆锥透镜，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜进行整形为椭圆形光束，所述XY轴移动平台由第二直线模组和第三直线模组连接构成，第三直线模组和第一直线模组分别安装在固定座两侧，第二直线模组平行于第一直线模组，并通过连接板安装在第三直线模组的滑台上，第二圆锥透镜通过连接板固定在第二直线模组的滑台上。

2.根据权利要求1所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，其特征在于，所述振镜系统和工作平台之间设置有光束质量分析仪。

3.采用权利要求1或2中任意一项所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过二维镜架调整第一圆锥透镜的顶角对称第二圆锥透镜的顶角；

(2)通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组方向移动，调整第二圆锥透镜和第一圆锥透镜的间距以设定所需的光斑尺寸；

(3)控制系统控制步骤(1)和(2)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移入在激光器射出高斯光束的传播路径上，通过第二限位开关和第四限位开关分别检测到第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角对称的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的环形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

4.根据权利要求3所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，所述步骤(3)的环形光斑切换为椭圆形光束，通过调整所述步骤(1)的二维镜架，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，并通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组的方向移动以设定好所需的椭圆形光斑的尺寸，从而使所述步骤(3)的高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角之间形成1～30°夹角的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的椭圆形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

5.根据权利要求3所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，所述步骤(3)的环形光斑切换为高斯光束，通过控制系统控制所述步骤(3)的第一直线模组和第二直线模组分别带动第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移出激光器射出高斯光束的传播路径，通过第一限位开关和第三限位开关分别检测到步骤(3)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的高斯光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。