CN115185096B - 用非球面透镜调节3d打印光束激光能量分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法，属于3D打印技术领域。其中装置包括安装在装置外壳内的非球面透镜，通过改变非球面透镜的系数c和系数k，实现对入射到非球面透镜的光束的能量分布调节，系数c表示非球面透镜的顶点处的曲率，k表示圆锥系数。本发明通过非球面透镜以调节光斑及光斑扫描线光束能量分布，使得光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。且通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。

Description

用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。

背景技术

增材制造、粉末床激光熔化即3D金属打印选择性激光熔化成形SLM技术，已成为精度最高、最为重要的3D金属打印技术。激光束按各层数字模型路径依次扫描平铺的金属粉末，形成平面结构，层层叠加形成3锥结构。SLM技术中，目前全世界均采用高斯分布的激光束，其熔化金属粉末的熔体动力学表明，高斯光束具有过于强大的局部强度，束腰以内，轴心附近拥有大约86%的入射波功率。打印过程中，重复的热-冷循环恶化了以下问题：熔池气化和在底层熔池的反冲压力的积累，引起飞溅、匙形孔状的熔池的产生，导致各种缺陷如：孔隙率和表面粗糙度上升；柱状晶和残余应力增长，机械性能的各向异性倾向上升；相对密度下降，大大降低了打印的产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。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，大大降低了打印成品的质量。

发明内容

本发明以将高斯光束变换为能量分布可调节的光束，提高SML金属3D激光打印质量为目的，提供了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，包括安装在所述装置外壳内的非球面透镜，通过改变所述非球面透镜的系数 c和系数k，实现对入射到所述非球面透镜的光束的能量分布调节，其中，所述系数c表示所述非球面透镜的顶点处的曲率， k表示圆锥系数。

作为优选，所述系数c与所述系数 k满足以下公式（1）表达的关系：

。

作为优选，所述系数c与所述系数k满足以下公式（2）表达的关系：

公式（2）中，Z表示所述非球面透镜的曲面高度；r表示曲面距离轴心的距离。

作为优选，所述非球面透镜由熔融石英制成。

作为优选，

。

作为优选，所述装置还包括光束直径变倍装置，准直光束入射到所述光束直径变倍装置进行直径变倍后出射然后入射到所述非球面透镜进行能量分布调节。

作为优选，所述光束直径变倍装置为可变倍扩束镜。

作为优选，所述光束直径变倍装置为轴锥镜组件，所述轴锥镜组件包括凸面相对设置的第一轴锥镜和第二轴锥镜，通过调节所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距，以实现对入射的所述准直光束直径的变倍。

作为优选，所述装置还包括准直镜、准直透镜、聚焦器件和振镜反射镜，光纤激光器发生的高斯光束经所述准直镜准直后直接入射到所述非球面透镜或通过光束直径变倍装置的直径变倍后入射到所述非球面透镜，所述非球面透镜对入射光束进行能量分布调节后出射给所述准直透镜进行准直，准直光束入射到所述聚焦器件进行聚焦后经所述振镜反射镜反射后形成在打印工作面上或首先经所述振镜反射镜反射后再通过所述聚焦器件聚焦后形成在所述打印工作面上；

所述聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。

本发明还提供了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，通过所述的装置实现，包括步骤：

S1，对准直后的高斯光束进行直径变倍；

S2，将直径变倍后的光束入射到非球面透镜进行能量分布调节后通过振镜反射镜形成在打印工作面上。

本发明通过非球面透镜以调节打印光斑及光斑扫描线光束能量分布，使得打印光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。且通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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是扫描光斑局部能量示意图；

图2是从光斑上切分的细条内的能量投影为扫描线的能量分布示意图；

图3是圆形光斑能量分布和扫描线能量分布的对比示意图；

图4为中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图一；

图5是中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图二；

图6是本发明一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；

图7是本发明另一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；

图8是通过非球面透镜改变激光能量分布的原理示意图；

图9是高斯光束经可变倍扩束镜作直径变倍后再通过非球面透镜调节能量分布的示意图；

图10是入射的具有第一直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；

图11是图10中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；

图12是图10中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；

图13是入射的具有第二直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；

图14是图13中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；

图15是图13中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；

图16是入射的具有第三直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；

图17是图16中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；

图18是图16中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；

图19是非球面透镜的曲面距离轴心的距离 r、顶点处曲率 c、曲面高度Z的示意图；

图20是高斯光束入射到非球面透镜后进行聚焦的示意图；

图21是作为光束直径变倍装置的轴锥镜组件的结构示意图；

图22是本发明一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法的实现步骤图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

扫描光斑的能量分布通常与扫描线的能量分布不同，如图1所示，以最简单的圆形 能量分布为平顶的光斑为例，可以将图1中a图所示的圆形光斑切分为多个细条100，假定光 斑半径为 R，光斑内能量均匀分布，因此其能量密度为e。对于切分的细条100，假定其面积 为Si，如图1中的b图所示的细条100的能量为

。每个细条内的能量投影为扫描 线的能量如图2所示，每个细条100的面积是将圆形光斑200切割后的面积，根据圆所在的坐 标方程得到扫描线的光强 E的分布公式（4）为：

公式（4）中，x表示能量分布曲线以XY轴坐标系的原点为中心的曲线横轴坐标。

由公式（4）可知，当圆形光斑能量如图3中的a图所示为平顶均匀分布时，其扫描线的能量部分并不均匀，而是呈图3中的b图所示的半圆形分布。因此，专利号为CN114226759A提供的技术方案中描述的通过圆形的平顶能量分布光斑，即可实现能量平均分布的扫描线，原理上是错误的。

受制于圆形光斑的外形，无论何种能量分布的圆形光斑，原理上均无法实现能量均匀平顶分布的扫描线。如图3中的b图所示，平顶圆形光斑的扫描线能量分布仍然是中间能量高而边缘能量低，因此为了能够实现能量分布相对均匀的扫描线，激光光斑的能量分布应该偏向于环形能量分布，即中心能量低而边缘能量高，此时扫描线的能量分布会区域平顶，如图4和图5所示，当圆形光斑的中心能量低边缘能量高时，其扫描线能量分布相较图3中的b图所示的能量分布达到部分区域平顶。

从图4和图5可以看出，将光斑的能量分布变换为中心能量低而边缘能量高的状态，激光扫描线的能量会更为均匀。在3D金属打印的实际应用中，打印的金属种类，扫描工艺参数的不同，对光斑的要求也不一样。本发明实施例采用一种光束能量分布调节的装置，实现了将常规的高斯光束转变为能量分布为环形的光束，来实现激光扫描线能量分布的均匀。并且本发明还可以根据不同打印需求，通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径来调节激光扫描线的能量分布，以适应不同打印工艺需求。

公开号为CN114421267A的专利提供了一种将高斯光束转变为衍射式环形光束的方法，该发明需要根据要求专门设计定制一款衍射光学器件，来实现光束能量分布的改变。在实际使用中，定制器件的难度较高，精度也不好把控，使用成本很高，也不方便。

本发明实施例则提供了一种更为简易的方案，不需要进行专门衍射光学器件的定制，而是使用市面常见的标准的光学元器件，通过单片非球面透镜来实现改变高斯光束能量分布（高斯光束能量分布示意图请参照图8）的功能，单片非球面透镜制造工艺成熟，使用成本更低，更易于在金属3D打印产品上大规模推广。

具体而言，本发明实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，如图6和图7，包括安装在装置外壳内的非球面透镜1，通过改变非球面透镜的系数 c和系数 k，实现对入射到非球面透镜的光束的能量分布调节，系数c表示所述非球面透镜的顶点处的曲率， k表示圆锥系数。

本申请中，通过反复实验总结发现，当系数 c与系数 k满足以下公式（1）表达的关系时，非球面透镜具有良好地光束能量分布调节性能：

。

例如，非球面透镜具有如下表a所示的参数时，满足上述公式（1），则具备较佳的光强调节能力：

当 c=6mm时，由公式（1）可以得到 k=-12.15，用这个参数的镜片，也能实现同样的调节光束能量变化的效果。

为了确保非球面透镜进行能量分布调节的稳定性，更有优选地，系数c与系数 k还满足以下公式（2）表达的关系：

公式（2）中，如图19所示，Z表示非球面透镜的曲面高度；r表示曲面距离轴心的距离；

c表示非球面透镜顶点处的曲率。

本实施例中计算非球面透镜的曲面高度Z的方法还可使用如下公式（3）表达的方法：

a_i表示第 i阶的高阶系数；

r表示曲面距离轴心的距离， n是乘方阶数。

公式（2）、（3）中，当 c、 k这两个系数确定后，曲面的对应方程即可唯一确定，即改变光束能量分布的性能即可确定。经反复实验总结，本申请确定c、 k满足公式（1）表达的关系时，非球面透镜具有较佳的能量分布调节性能。

在实验中，我们发现，入射到非球面透镜的高斯光束的直径发生变化，出射的光斑能量和光斑扫描线能量分布也会发生变化，因此，如图6和图7所示，本申请在非球面透镜1的前面增加了光束直径变倍装置2，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。该光束直径变倍装置2优选为图6、图7中所示的可变倍扩束镜或图21所示的轴锥镜组件。可变倍扩束镜是常规的光束直径变倍装置，因此关于可变倍扩束镜的光束直径变倍原理在此不做说明。高斯光束经可变倍扩束镜作直径变倍后再通过非球面透镜1调节能量分布的示意图请参照图9。

图21中所示的轴锥镜组件的光束直径变倍原理为：

通过调节第一轴锥镜11和第二轴锥镜12之间的距离可以调节从图6、图7中的准直镜3出射的光束的直径，调节原理为通过以下公式（5）表达：

公式（5）中，K为从第二轴锥镜12出射的光束直径 R₂与入射到第一轴锥镜11的光束直径 R₁的比值；

L表示轴锥镜组件中第一轴锥镜11和第二轴锥镜12的间距；

R₁表示入射到第一轴锥镜11的光束的直径；

a表示第一轴锥镜11的锥角；

n表示第一轴锥镜11或第二轴锥镜12的折射率。图10-18为直径不同的光束入射到非球面透镜后的光斑能量分布及扫描线光斑能量分布的曲线对比图，其中图10中表示的入射到非球面透镜的高斯光束的第一直径比图13表示的入射到非球面透镜的高斯光束的第二直径短，图13表示的入射到非球面透镜的高斯光束的第二直径比图16表示的入射到非球面透镜的高斯光束第三直径短。对比图11、14、17可以发现，入射的高斯光束的直径越长，能量分布调节后的光斑更符合中心能量低而边缘能量高的预期。对比图12、15、18可以发现，入射的高斯光束的直径越长，光斑扫描线区域平顶更加均匀，表示能量分布调节的效果越好。因此可以通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径进而满足不同3D打印场景下对出射光斑及光斑扫描线能量分布的要求。

作为优选，用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置如图6、7所示，还包括准直透镜4、聚焦器件5和振镜反射镜6，光纤激光器7发生的高斯光束经准直镜3准直后直接入射到非球面透镜1或通过光束直径变倍装置2的直径变倍后入射到非球面透镜1，非球面透镜1对入射光束进行能量分布调节后出射给准直透镜4进行准直（如图20所示，非球面透镜1还具有光束聚焦作用），准直光束入射到聚焦器件5进行聚焦后经振镜反射镜6反射后形成在打印工作面上或首先经振镜反射镜6反射后再通过聚焦器件5聚焦后形成在打印工作面上；

聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。

本发明还提供了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，使用上述的装置实现，如图22所示，该方法包括步骤：

S1，对准直后的高斯光束进行直径变倍；S2，将直径变倍后的光束入射到非球面透镜进行能量分布调节后通过振镜反射镜形成在打印工作面上。

综上，本发明通过非球面透镜以调节打印光斑及光斑扫描线光束能量分布，使得打印光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。且通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (9)

1.一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，包括安装在所述装置外壳内的非球面透镜，通过改变所述非球面透镜的系数c和系数k，实现对入射到所述非球面透镜的光束的能量分布调节，使得打印光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升3D打印激光能量分布的均匀性；其中，所述系数c表示所述非球面透镜的顶点处的曲率，k表示圆锥系数；

所述系数c与所述系数k满足以下公式(1)表达的关系：

k＝-0.22c²-0.73c+0.15 公式(1)。

2.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述系数c与所述系数k满足以下公式(2)表达的关系：

公式(2)中，Z表示所述非球面透镜的曲面高度；r表示曲面距离轴心的距离。

3.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述非球面透镜由熔融石英制成。

4.根据权利要求1或2所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，c＝5mm。

5.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括光束直径变倍装置，准直光束入射到所述光束直径变倍装置进行直径变倍后出射然后入射到所述非球面透镜进行能量分布调节。

6.根据权利要求5所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述光束直径变倍装置为可变倍扩束镜。

7.根据权利要求5所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述光束直径变倍装置为轴锥镜组件，所述轴锥镜组件包括凸面相对设置的第一轴锥镜和第二轴锥镜，通过调节所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距，以实现对入射的所述准直光束直径的变倍。

8.根据权利要求1或5所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，还包括准直镜、准直透镜、聚焦器件和振镜反射镜，光纤激光器发生的高斯光束经所述准直镜准直后直接入射到所述非球面透镜或通过光束直径变倍装置的直径变倍后入射到所述非球面透镜，所述非球面透镜对入射光束进行能量分布调节后出射给所述准直透镜进行准直，准直光束入射到所述聚焦器件进行聚焦后经所述振镜反射镜反射后形成在打印工作面上或首先经所述振镜反射镜反射后再通过所述聚焦器件聚焦后形成在所述打印工作面上；

所述聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。

9.一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，通过如权利要求1-8任意一项所述的装置实现，其特征在于，包括步骤：

S1，对准直后的高斯光束进行直径变倍；

S2，将直径变倍后的光束入射到非球面透镜进行能量分布调节后通过振镜反射镜形成在打印工作面上。

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