CN114226759A - 一种用于slm金属3d打印的激光装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于SLM金属3D打印的激光装置及打印方法，该激光装置包括光束整形机构，其用于将激光器发射的激光束整形成平顶激光；本申请的3D打印方法，采用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行激光加工，由于具备能量分布均匀的特点，加工区域内金属粉末材料对激光的吸收一致，不会产生明显的热效应，在相同能量密度条件下，平顶激光束产生的热效应范围小于高斯光束；采用平顶激光，相同功率下会产生更少的金属蒸汽羽烟，减少对激光的屏蔽和衰减作用，提高了到达工件的激光能量密度，降低了能量损失；采用平顶激光对金属粉末进行激光加工，金属粉末材料对激光的吸收一致，使金属粉末沉积均匀，表现出更均匀的冶金结合，从而提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术与增材制造领域，尤其涉及一种用于SLM金属3D打印的激光装置及打印方法。
背景技术
激光选区熔化(SLM)技术是利用聚焦激光束，把金属或者合金粉末逐层选区熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，实现精密零件及个性化、定制化器件的制造。基于SLM(激光选区熔化)的3D打印工艺过程为：首先将三维CAD模型切片离散并规划扫描路径，得到可控制激光束扫描的路径信息。其次计算机逐层调入路径信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍呈松散状。加工完一层后，粉缸上升，成形缸降低切片层厚的高度，铺粉板将粉末供从粉缸刮到成形平台上，激光将新铺的粉末在加工平面熔化，与上一层熔为一体。重复上述过程，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的金属零件。激光微加工过程中，光斑的能量分布对加工质量的好坏有着决定性的影响。目前，国内外的SLM成形设备使用的激光器，通常是采用光强服从高斯函数分布的光束，在高斯光束分布下，光束的任一横截面内光斑中心点的光强最大。高斯激光束有效熔化材料的区域主要是在中心，向边缘逐渐平滑的减小。由于激光能量分布的不均性，光斑中心的能量密度远大于光斑边缘，不能实现能量的精确分配；采用高斯激光生产加工时，激光利用率低、能量损失大，随着功率的不断提高产生粉末重熔现象，大大降低打印成品的质量。
基于目前采用高斯激光进行打印存在的缺陷，有必要对此进行改进。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种用于SLM金属3D打印的激光装置及打印方法，以解决或至少部分解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种用于SLM金属3D打印的激光装置，包括：
激光器，其用于发射激光束；
光束整形机构，其位于所述激光器的下游光路上，所述光束整形机构用于将所述激光器发射的激光束整形成平顶激光；
准直镜，其位于所述光束整形机构的下游光路上，所述准直镜用于对所述平顶激光进行准直；
振镜系统，其位于所述准直镜的下游光路上，所述振镜系统用于对准直后的平顶激光进行偏转；
F-θ场镜，其位于所述振镜系统的下游光路上，所述F-θ场镜用于对偏转后的平顶激光进行聚焦。
优选的是，所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，所述振镜系统包括X振镜和Y振镜，所述X振镜位于准直后的平顶激光传播的水平方向，所述Y振镜设置在X振镜的垂直方向。
优选的是，所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，还包括扩束镜，所述扩束镜位于所述激光器和所述光束整形机构之间，所述扩束镜用于对所述激光器发射的激光束进行扩束。
优选的是，所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，所述激光器包括Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器中的一种。
第二方面，本发明还提供了一种3D打印方法，包括以下步骤：
提供所述的激光装置；
将金属粉末置于增材制造设备中，利用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行扫描逐层熔化金属粉末，直至完成金属的成型。
优选的是，所述的3D打印方法，所述激光器的功率为80～1200W、扫描速率为80～1500mm/s、扫描间距为30～200μm、铺粉层厚为20～60μm。
优选的是，所述的3D打印方法，所述金属粉末的粒径为15～53μm。
优选的是，所述的3D打印方法，所述金属粉末包括铝合金粉末、镁合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、铜合金粉末中的至少一种。
本发明的用于SLM金属3D打印的激光装置及3D打印方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的用于SLM金属3D打印的激光装置及3D打印方法，采用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行激光加工，由于具备能量分布均匀的特点，加工区域内金属粉末材料对激光的吸收一致，不会产生明显的热效应，在相同能量密度条件下，平顶激光束产生的热效应范围小于高斯光束；采用平顶激光，相同功率下会产生更少的金属蒸汽羽烟，减少对激光的屏蔽和衰减作用，提高了到达工件的激光能量密度，降低了能量损失；采用平顶激光，能量均匀且稳定分布可以实现精准温度控制，有效改善了由于高斯激光峰值功率过大产生的粉末重熔现象，从而减少热循环和粉末飞溅；采取浅层熔化加工成形方式，通过设定铺粉厚度和激光功率，控制激光只熔化有效工作面，使激光粉末沉积均匀，表现出更均匀的冶金结合，从而提高产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例中用于SLM金属3D打印的激光装置的结构示意图；
图2为高斯激光束经过整形形成平顶激光的示意图；
图3为本发明其中一个实施例中光束整形机构的结构示意图；
图4为采用平顶激光和高斯激光对金属粉末进行激光熔化的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种用于SLM金属3D打印的激光装置，如图1所示，包括：
激光器1，其用于发射激光束；
光束整形机构2，其位于激光器1的下游光路上，光束整形机构2用于将激光器1发射的激光束整形成平顶激光；
准直镜3，其位于光束整形机构2的下游光路上，准直镜3用于对平顶激光进行准直；
振镜系统4，其位于准直镜3的下游光路上，振镜系统4用于对准直后的平顶激光进行偏转；
F-θ场镜5，其位于振镜系统4的下游光路上，F-θ场镜5用于对偏转后的平顶激光进行聚焦。
需要说明的是，本申请的用于SLM金属3D打印的激光装置，激光器1发射的激光束为能量分布遵守高斯分布的激光束，该激光束经过光束整形机构2进行整形，将高斯激光束转换为光强分布均匀的平顶激光10，如图2所示，显示了高斯激光束经过整形形成平顶激光的示意图。平顶激光10经过准直镜3准直后形成准直平顶激光11，准直平顶激光11经过振镜系统4，使准直平顶激光进行偏转以改变平顶激光光路的传播方向，偏转后的平顶激光进入F-θ场镜5后经过聚焦形成聚焦平顶激光12；具体的，F-θ场镜5也称为激光扫描聚焦镜、平场聚焦镜，F-θ场镜5聚焦为平面聚焦，激光束聚焦光斑大小在整个工作面内大小一致，通过改变入射激光束与F-θ透镜轴线之间的夹角θ来改变工作面上焦点的坐标，实现在整个视场内任意位置的扫描。
具体的，本申请中平顶激光是指在光束传输方向的横截面内光强均匀分布的光束，平顶激光分布的光束不是自然模式的传统光源，此外，这种光束也不是真空中波动方程的本征模，因此在传播过程中其强度分布发生了显著变化，在聚焦平面和中间平面上具有平顶的光束聚焦不会产生功率密度分布均匀的光斑。然而，这并不意味着不可能产生具有均匀强度的激光辐射斑。目前产生平顶光束的方法也越来越丰富，比如：光束合成、特殊谐振腔、光束整形法、激光介质增益饱和效应等方法。这其中最常见也最简单的方法是光束整形方法。光束整形装置可以为非球面透镜组、衍射光学元件等器件，通过衍射、折射甚至干涉现象，将高斯激光进行重塑，转换为能量分布均匀的光束即可。
在一些实施例中，振镜系统4包括X振镜41和Y振镜42，X振镜41位于准直后的平顶激光传播的水平方向，Y振镜42设置在X振镜41的垂直方向。
在上述实施例中，平顶激光10经过准直镜3准直后形成准直平顶激光11进入振镜系统4后，先投射到沿X轴偏转的X振镜41上，然后反射到沿Y轴旋转的Y振镜42上，最后经过F-θ场镜5聚焦到工作平面上，利用X振镜41和Y振镜42偏转角度的组合，实现在整个视场内任意位置的扫描。
在一些实施例中，还包括扩束镜(图未示)，扩束镜位于激光器和光束整形机构之间，扩束镜用于对激光器发射的激光束进行扩束。
在一些实施例中，如图3所示，光束整形机构采用现有技术中的一种实施方式，光束整形机构包括沿激光器发射的激光束光路依次设置的第一弯月透镜21、第二弯月透镜22、第一平凸透镜23和第二平凸透镜24。
在上述实施例中，光束整形机构包括四个级联的透镜，利用四个级联的透镜可将高斯分布的激光束扩束成在光束横截面上能量均匀分布的平顶激光束。
在一些实施例中，激光器1包括Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器中的一种。
基于同一发明构思，本申请还提供了一种3D打印方法，包括以下步骤：
S1、提供上述的激光装置；
S2、将金属粉末置于增材制造设备中，利用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行扫描逐层熔化金属粉末，直至完成金属的成型。
本申请的3D打印方法，首先根据需要打印的金属的三维模型确定激光束扫描的路径；然后，将金属粉末置于增材制造设备中，根据激光束扫描的路径，激光装置产生的聚焦后的平顶激光选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍呈松散状，加工完一层后，粉缸上升，成形缸降低切片层厚的高度，铺粉板将粉末供从粉缸刮到成形平台上，聚焦后的平顶激光将新铺的粉末在加工平面熔化，与上一层熔为一体，重复上述过程，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的金属零件。本申请的3D打印方法，采用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行激光加工，由于具备能量分布均匀的特点，加工区域内金属粉末材料对激光的吸收一致，不会产生明显的热效应，在相同能量密度条件下，平顶激光束产生的热效应范围小于高斯光束；采用平顶激光，相同功率下会产生更少的金属蒸汽羽烟，减少对激光的屏蔽和衰减作用，提高了到达工件的激光能量密度，降低了能量损失；采用平顶激光，能量均匀且稳定分布可以实现精准温度控制，有效改善了由于高斯激光峰值功率过大产生的粉末重熔现象，从而减少热循环和粉末飞溅；采取浅层熔化加工成形方式，通过设定铺粉厚度和激光功率，控制激光只熔化有效工作面，使激光粉末沉积均匀，表现出更均匀的冶金结合，从而提高质量的稳定性。
在一些实施例中，激光器的功率为80～1200W、扫描速率为80～1500mm/s、扫描间距为30～200μm、铺粉层厚为20～60μm。
在一些实施例中，金属粉末的粒径为15～53μm，所用的金属粉末包括但不限于铝合金粉末、镁合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、铜合金粉末、钛合金粉末等。
具体的，图4显示了采用平顶激光和高斯激光对金属粉末进行激光熔化的示意图；图中4中采用高斯激光，由于高斯激光峰值功率过大产生而导致铺设的多层金属粉末均发生熔化，这样在连续激光扫描过程中，产生粉末重熔现象，会使熔池中的金属粉末发生飞溅现象。若飞溅到正在加工的零件表面，则会形成小球，从而导致零件表面不平整，严重影响金属零件的成形质量；同时采用高斯激光，在激光熔化过程中随着激光功率的增大，会产生较多的金属蒸汽羽烟，对激光会产生更大的屏蔽和衰减作用，大大减弱了到达工件的激光能量密度，对成形精度也有一定影响。而图4中采用平顶激光，金属粉末的熔化深度相比高斯激光金属粉末的熔化深度更浅，可以实现浅层熔化加工，进而有效减少重熔现象，从而减少热循环和粉末飞溅。
以下进一步以具体实施例说明本申请的3D打印方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种3D打印方法，包括以下步骤：
S1、提供上述的激光装置，该激光装置包括上述的激光器、光束整形机构、准直镜、振镜系统、F-θ场镜；
S2、提供铝合金粉末，铝合金粉末包括以下质量分数元素Si:10.5％、Mg:0.37％、Fe:0.42％、Zn:0.042％、Ti:0.12％、Ni:0.02％，余量的Al，显然该铝合金粉末的制备为常规方法，比如按上述质量比称取原料后熔炼再经过雾化破碎即得铝合金粉末；
S3、将铝合金粉末置于增材制造打印设备中，利用聚焦后的平顶激光对铝合金粉末进行扫描逐层熔化铝合金粉末，直至完成铝合金的成型；
其中，激光器的功率为400W、扫描速率为1000mm/s、扫描间距为100μm、铺粉层厚为40μm。
对比例1
本对比例提供了一种3D打印方法，同实施例1，不同在于，步骤S1中所用的激光装置不包括光束整形机构，其余工艺均同实施例1。
可以理解的是，由于实施例1中采用采用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行激光加工，相比对比例1中采用高斯激光对金属粉末进行激光加工，由于平顶激光具备能量分布均匀的特点，加工区域内金属粉末材料对激光的吸收一致，使激光粉末沉积均匀，表现出更均匀的冶金结合，从而提高产品的力学性能。
按照上述实施例1和对比例1中的方法，分别测试打印成型零件的屈服强度(Mpa)、抗拉强度(Mpa)以及延伸率，结果如下表1所示。
表1-不同打印方法得到的零件的力学性能数据
| 实施例 | 屈服强度(Mpa) | 抗拉强度(Mpa) | 延伸率(％) |
| 实施例1 | 283～300 | 468～483 | 8.3～11.5 |
| 对比例1 | 262～278 | 442～460 | 7.5～10.2 |
从上表1中可以看出，采用实施例1中的打印方法，打印出的铝合金零件的力学性能整体上优于对比例1中的方法打印出的铝合金零件。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (8)
1.一种用于SLM金属3D打印的激光装置，其特征在于，包括：
激光器，其用于发射激光束；
光束整形机构，其位于所述激光器的下游光路上，所述光束整形机构用于将所述激光器发射的激光束整形成平顶激光；
准直镜，其位于所述光束整形机构的下游光路上，所述准直镜用于对所述平顶激光进行准直；
振镜系统，其位于所述准直镜的下游光路上，所述振镜系统用于对准直后的平顶激光进行偏转；
F-θ场镜，其位于所述振镜系统的下游光路上，所述F-θ场镜用于对偏转后的平顶激光进行聚焦。
2.如权利要求1所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，其特征在于，所述振镜系统包括X振镜和Y振镜，所述X振镜位于准直后的平顶激光传播的水平方向，所述Y振镜设置在X振镜的垂直方向。
3.如权利要求1所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，其特征在于，还包括扩束镜，所述扩束镜位于所述激光器和所述光束整形机构之间，所述扩束镜用于对所述激光器发射的激光束进行扩束。
4.如权利要求1所述的用于SLM金属3D打印的激光装置，其特征在于，所述激光器包括Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器中的一种。
5.一种3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供如权利要求1～4任一所述的激光装置；
将金属粉末置于增材制造打印设备中，利用聚焦后的平顶激光对金属粉末进行扫描逐层熔化金属粉末，直至完成金属的成型。
6.如权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述激光器的功率为80～1200W、扫描速率为80～1500mm/s、扫描间距为30～200μm、铺粉层厚为20～60μm。
7.如权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径为15～53μm。
8.如权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述金属粉末包括铝合金粉末、镁合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、铜合金粉末中的至少一种。
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