CN115351301A - 一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法 - Google Patents

Abstract

一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法，其中光路系统包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑。本发明增材制造设备的光路系统及光路调节方法生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑都处在同一焦平面，使得其能显著提升激光扫描系统的成型效率和成型质量。

Description

一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法

技术领域

本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法。

背景技术

增材制造技术是一种通过控制激光逐层扫描，层层叠加形成三维工件的快速制造技术。其工艺流程如下：首先对工件的三维模型进行切片处理，得到工件每一层的轮廓信息；将粉末状材料均匀地铺洒在工作平台表面上，激光根据系统指令选择性地熔化粉末；一个截面完成后，再铺上一层新材料，继续有选择性地根据三维物体对应的截面信息进行扫描；按照此方法再对下一个截面进行铺粉扫描，最终得到三维工件。该方法的优点在于可用来制造过程柔性程度高、工件力学性能优异和尺寸精度高的金属工件。

现有技术的增材制造设备，特别是金属粉末增材制造设备，单套激光扫描组件（如两轴振镜加场镜或者三轴振镜和激光器）在粉床上只有一个确定大小的聚焦光斑，在保证现有成型质量（1.全粉床幅面烧结时熔池火光均匀；2.尽量少的熔渣飞溅和黑烟；3.全粉床幅面制件表面较为光滑；4.制件金相质地紧密无孔洞；5.金相腐蚀之后熔道均匀等评价标准）的情况下，这个确定大小的聚焦光斑决定了单种材料的填充线或者轮廓线的扫描功率、扫描速度、填充线间距、粉层厚度是一组确定值，因此无法提升单套激光扫描组件的成型效率，只能通过增加激光扫描组件的数量来增加成型效率。扫描填充线在扫描时间中占比比较大，现有技术也有采用离焦光斑作为填充线扫描的方法来在粉床上获得一个更大的光斑来提升成型效率，但是因为光路系统的不稳定性及加工环节的复杂环境导致整个粉床幅面填充线光斑尺寸稳定性差，会出现不可控变化，进而影响成型质量。另外，现有技术也有采用双激光加双振镜方式，一套激光扫描组件做聚焦大光斑，进行填充线扫描，另一套激光扫描组件做聚焦小光斑，进行轮廓线扫描，这种双激光双加工系统的设计会导致填充线扫描光路无法进行轮廓线扫描，同样轮廓线扫描光路无法进行填充线扫描，在成本增加的基础上，激光加工稼动率很低，从而无法满足正常工业加工要求。还有一种采用同轴式光斑切换的方式，比如采用同轴式电动扩束镜，但是这种方式无法实现不同聚焦光斑在同一平面位置的聚焦。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法，该光路系统在一套激光器和一套振镜组成的光学系统中，生成两种以上的不同光斑大小的聚焦光斑，而且这些不同光斑大小的聚焦光斑都能处于同一焦平面，这样便能显著提升待打印工件的成型效率和成型质量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种增材制造设备的光路系统，包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑，其中，所述光斑切换模块为以下任一种光斑切换结构：

第一种光斑切换结构包括可旋转的转盘，以及设置在转盘上的至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜，且所有通孔的状态不同，以使转盘转动时，激光在光束发散角可调单元的调节下进入转盘的不同通孔后输出不同光斑大小的聚焦光斑；

第二种光斑切换结构包括第一直线运动模块和安装座，所述安装座的通孔内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，所述安装座可移动地设置于第一直线运动模块上，以将安装座移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光在光束发散角可调单元的调节下通过或不通过衍射光学元件和/或扩束镜而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

第三种光斑切换结构包括方形的第一安装盒，所述第一安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且第一安装盒的相对两侧分别设有第一入光孔，第一出光孔，且位于第一入光孔和第一出光孔之间的两片反射镜位置可调，以通过调节该两片反射镜的位置使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

第四种光斑切换结构包括第二直线运动模块和方形的第二安装盒，第二安装盒的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，且第二安装盒的相对两侧分别设有第二入光孔，第二出光孔，第二安装盒可移动地设置于第二直线运动模块上，以将第二安装盒移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

其中，第三种光斑切换结构和第四种光斑切换结构中四片反射镜形成的光路中设有至少一个衍射光学元件和/或扩束镜。

作为本发明的进一步优选方案，所述光束发散角可调单元为可调发散角激光准直头，该可调发散角激光准直头安装在准直头安装座中。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一直线运动模块和第二直线运动模块均包括两根平行布设的导轨，以及可在导轨上进行移动的滑块。

作为本发明的进一步优选方案，所述增材制造设备的光路系统还包括驱动机构，用于驱动安装座在第一直线运动模块上进行移动；或者驱动第二安装盒在第二直线运动模块上进行移动。

作为本发明的进一步优选方案，所述振镜单元包括二轴振镜和动态聚焦模块，或者包括二轴振镜和场镜。

作为本发明的进一步优选方案，所述衍射光学元件为单阶或多阶衍射光学元件。

本发明还提供了一种上述任一项所述增材制造设备的光路调节系统的光路调节方法，包括：

调节光斑切换模块，以使激光器发出的激光在光束发散角可调单元的调节下，依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑；

其中，当所述光斑切换模块形成的光路设有扩束镜时，调整该扩束镜的调节单元和光束发散角可调单元，否则，调整光束发散角可调单元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面处于同一焦平面。

作为本发明的进一步优选方案，包括：

在扩束镜切入光斑切换模块前，在聚焦光斑位置放一个光束质量分析仪，通过调整调整光束发散角可调单元，使聚焦光斑及焦平面在加工平面；在扩束镜切入光斑切换模块后，通过手动调节扩束镜的调节单元，使光束质量分析仪显示的光斑调节到最小，此时焦平面也已调到加工平面，从而实现了至少两种不同光斑大小的聚焦光斑处于同一焦平面。

本发明的增材制造设备的光路系统及光路调节方法，其中，该增材制造设备的光路系统通过采用上述技术方案，使得其由一套激光器和一套振镜单元组成，便可生成两种以上的不同光斑大小的聚焦光斑，而且这些不同光斑大小的聚焦光斑都能处在同一焦平面。由于聚焦光斑和离焦光斑相比，即使光路系统存在不稳定性，聚焦光斑有一定的焦深，在设计焦深范围内整个粉床幅面的光斑大小基本不会发生变化，从而保证了成型质量；而且，本发明生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑都处在同一焦平面，使得其能显著提升激光扫描系统的成型效率和成型质量, 同时可有效降低成本。

附图说明

图1为本发明增材制造设备的光路系统提供的一实施例的原理框图；

图2为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例一的结构示意图；

图3为实施例一中A位置聚焦光斑属性图；

图4为实施例一中B位置聚焦光斑属性图；

图5为实施例一中C位置聚焦光斑属性图；

图6为实施例一中D位置聚焦光斑属性图；

图7为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例二的结构示意图；

图8为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例三的结构示意图；

图9为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例四的结构示意图；

图10为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例五的结构示意图；

图11为本发明实施例五中第一安装盒的俯视图；

图12为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例六的结构示意图；

图13为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例七的结构示意图；

图14为本发明实施例七中第二安装盒的俯视图；

图15为本发明增材制造设备的光路系统提供的实施例八的结构示意图。

图中标记如下：

1、激光器，2、可调发散角激光准直头，3、准直头安装座，4、激光，5、转盘，6、第一衍射光学元件，7、第二衍射光学元件，8、动态聚焦模块，9、二轴振镜，10、场镜，11、聚焦光斑，12、扩束镜；13、第一直线运动模块，131、第一导轨，132、第一滑块，14、安装座，15、安装座的通孔；16、第一安装盒，17、第一入光孔，18、第一出光孔，19、第一反射镜，20、第二反射镜，21、第三反射镜，22、第四反射镜，23、第二安装盒，24、第二入光孔，25、第二出光孔，26、第一反射镜'，27、第二反射镜'，28、第三反射镜'，29、第四反射镜'，30、第二直线运动模块，301、第二滑块，302、第二导轨。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，本发明提供了一种增材制造设备的光路系统，包括激光器1、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器1安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器1发出的激光4依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑11，其中，所述光斑切换模块为以下任一种光斑切换结构：

第一种光斑切换结构包括可旋转的转盘5，以及设置在转盘5上的至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜12，且所有通孔的状态不同，以使转盘5转动时，激光4在光束发散角可调单元的调节下进入转盘5的不同通孔后输出不同光斑大小的聚焦光斑11；

第二种光斑切换结构包括第一直线运动模块13和安装座14，所述安装座的通孔15内设置有衍射光学元件和/或扩束镜12，所述安装座14可移动地设置于第一直线运动模块13上，以将安装座14移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光4在光束发散角可调单元的调节下通过或不通过衍射光学元件和/或扩束镜12而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑11；

第三种光斑切换结构包括方形的第一安装盒16，所述第一安装盒16的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且第一安装盒16的相对两侧分别设有第一入光孔17，第一出光孔18，且位于第一入光孔17和第一出光孔18之间的两片反射镜位置可调，以通过调节该两片反射镜的位置使得激光4通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑11；

第四种光斑切换结构包括第二直线运动模块30和方形的第二安装盒23，第二安装盒23的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，且第二安装盒23的相对两侧分别设有第二入光孔24，第二出光孔25，第二安装盒23可移动地设置于第二直线运动模块30上，以将第二安装盒23移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光4通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑11；

其中，第三种光斑切换结构和第四种光斑切换结构中四片反射镜形成的光路中设有至少一个衍射光学元件和/或扩束镜12。在此需说明的是，本申请的振镜单元包含聚焦镜。

在一具体实施中，所述光束发散角可调单元为可调发散角激光准直头2，该可调发散角激光准直头2安装在准直头安装座3中。如图2、图8、图10和图13所示，所述振镜单元可包括二轴振镜9和动态聚焦模块8（其组成三轴振镜），或者所述振镜系统包括二轴振镜9和场镜10，如图7、图9、图12和图15所示。

在另一具体实施中，所述第一直线运动模块13和第二直线运动模块30均包括两根平行布设的导轨，以及可在导轨上进行移动的滑块。当然，本申请的第一直线运动模块13和第二直线运动模块30还可以为其它具体结构，在此不做一一列举。

具体地，所述增材制造设备的光路系统还包括驱动机构，用于驱动安装座14在第一直线运动模块13上进行移动；或驱动第二安装盒23在第二直线运动模块30上进行移动。在此需说明的是，本申请的安装座14和第二安装盒23可由手动或者由驱动机构（如电动，气动，液压传动等）驱动其在直线运动模块上进行移动。此驱动机构可由现有技术任一具备驱动功能的器件，例如电动运动方式包含但不限于丝杠导轨加驱动器方式；直线电机加导轨加驱动器方式等，在此对其不做详细阐述和一一列举。

本发明还提供了一种上述任一实施例所述增材制造设备的光路调节系统的光路调节方法，包括：

调节光斑切换模块，以使激光器1发出的激光4在光束发散角可调单元的调节下，依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑11；

其中，当所述光斑切换模块形成的光路设有扩束镜12时，调整该扩束镜12的调节单元和光束发散角可调单元，否则，调整光束发散角可调单元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑11经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面处于同一焦平面。

作为本发明的进一步优选方案，通过以下方式实现所有不同光斑大小的聚焦光斑11经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面处于同一焦平面：

在扩束镜12切入光斑切换模块前，在聚焦光斑11位置放一个光束质量分析仪，通过调整调整光束发散角可调单元，使聚焦光斑11及焦平面在加工平面；在扩束镜12切入光斑切换模块后，通过手动调节扩束镜12的调节单元，使光束质量分析仪显示的光斑调节到最小，此时焦平面也已调到加工平面，从而实现了至少两种不同光斑大小的聚焦光斑11处于同一焦平面。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面结合附图并以实施例的形式对本发明的技术方案进行具体阐述。

实施例一

参阅图2所示，激光器1安装在可调发散角激光准直头2中，可调发散角激光准直头2安装在准直头安装座3中，平行激光4从可调发散角激光准直头2射向转盘5，转盘5的旋转轴心和平行激光4的轴心平行，转盘5上设有第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所有通孔的圆心都分布在离转盘5同一个一定半径的圆弧上，当转盘5按其圆心O受控自动化或者手动精准转动时，每个通孔的轴心和平行激光4的轴心重合。第一通孔（也称为A位置）没装任何东西，第二通孔（也称为B位置）安装了第一衍射光学元件6（单阶或者多阶衍射光学元件），第三通孔（也称为C位置）安装了第二衍射光学元件7（单阶或者多阶衍射光学元件），衍射光学元件的作用是改变光束的截面形状和能量分布，不会对光束的发散角发生改变，因此光学衍射元件以其轴心和光路轴心重合的形式加入光路和不加入光路（即无衍射光学元件的光路）相比，它们产生的光斑聚焦在同一个焦平面上，本实施例的第一衍射光学元件6和第二衍射光学元件7由于特性和作用不相同导致最终在粉面形成的聚焦光斑11不同，第四通孔（也称为D位置）上安装了扩束镜12（该扩束镜12可以是按设计扩大或者缩小光束直径，优选扩大光束直径）。依次将转盘5精确转动到ABCD四种位置时，打开激光器1控制激光4出光，使得其依次在粉面上形成了ABCD四个位置相应的聚焦光斑11，平行激光4通过A位置的通孔在粉面上形成的聚焦光斑11的光强能量分布为高斯分布，扫描路径的能量分布中间能量较大（如图3所示）；平行激光4通过B位置的第一衍射光学元件6在粉面上形成的环形的聚焦光斑11，其光强能量分布为四周能量高中间能量低的环形分布，扫描路径的能量分布很均匀（如图4所示），图5中的聚焦光斑11比图2中的聚焦光斑11大（当然也可以设计成比图3中的聚焦光斑11小，同样可以使用，比如将扩束镜12扩大光束和第一衍射光学元件6组合使用）；平行激光4通过C位置的第二衍射光学元件7在粉面上形成的平顶聚焦光斑11，其光强能量分布为中间能量均匀，四周小范围能量偏低的平顶能量分布（如图5所示），图5中的聚焦光斑11比图3中的聚焦光斑11大（可以设计成比图3中的聚焦光斑11小，同样可以使用，比如扩束镜12扩大光束和第二衍射光学元件7组合使用）；平行激光4通过D位置的扩束镜12在粉面上形成的聚焦光斑11，其光强能量分布为高斯分布，扫描路径的能量分布中间能量较大（如图6所示），图6中的聚焦光斑11比图3中的聚焦光斑11更小（同样的原理，光学设计中可将图3中聚焦光斑11和图6中聚焦光斑11的尺寸做调换），以上说明指目前采用的最优方法，四种光斑形状及大小可根据需要进行设计调整，并不需要跟上述说明一一对应，本发明的主要创新点是：在一套光学系统中（激光器1和二轴振镜9加场镜10或者三轴振镜），加入另一套光斑切换系统（光束发散角可调单元和设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间的转盘5，所述转盘5上设有至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜12，且所有通孔的状态不同），该转盘5的转动可实现光斑切换的操作，如果需要调焦，另一套光斑切换系统具有调焦功能，可对两套系统叠加后的焦面位置进行调整，使两套光学系统焦面统一。以上四个位置都为聚焦光斑11，因此其焦深能保证整个幅面的光斑的稳定性。因此，本实施例在粉面上生成了四种大小不一样，且能量分布不一样的聚焦光斑11，为增加填充线和轮廓线的扫描功率、扫描速度、填充线间距、粉层厚度提供了必要条件，特别是环形光斑和平顶光斑的出现，实验证明这两种光斑能大量减少扫描时的熔渣飞溅和黑烟，提高了全粉床幅面烧结时熔池火光均匀性，制件金相质地紧密无孔洞等优秀成型质量，这样就达到了显著提升单套激光4扫描组件的成型效率和成型质量的目的。

实施例二

如图8所示，激光器1安装在可调发散角激光准直头2中，可调发散角激光准直头2安装在准直头安装座3中，安装座的通孔15内设置有衍射光学元件，所述安装座14可移动地设置于第一直线运动模块13上（包括第一导轨131和第一滑块132），当安装座14在电动驱动机构的驱动下移入光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，此时安装座的通孔15的轴心与入射该通孔的激光4的中心轴重合，激光器1的激光4在光束发散角可调单元的调节下通过该衍射光学元件，并经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成一种聚焦光斑11；而当安装座14在电动驱动机构的驱动下移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，此时激光器1的激光4在光束发散角可调单元的调节下直接经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成与上一聚焦光斑11处于同一焦平面的另一种聚焦光斑11。

实施例三

如图10所示，激光器1安装在可调发散角激光准直头2中，可调发散角激光准直头2安装在准直头安装座3中，方形的第一安装盒16设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间，所述第一安装盒16的四角内分别竖向设置有四片反射镜，如图10所示，分别为第一反射镜19、第二反射镜20、第三反射镜21和第四反射镜22，且所述第一安装盒16的相对两侧分别设有第一入光孔17，第一出光孔18，且位于第一入光孔17和第一出光孔18之间的第一反射镜19和第二反射镜20位置可调，该第一反射镜19和第二反射镜20可为旋转的反射镜，也可以使用多边形转镜替代，当第一反射镜19的反射平面绕o2转动到和入射平行激光4的中心轴平行的工作位置，当第二反射镜20的反射平面绕o1转动到和入射平行激光4的中心轴平行的工作位置，第一反射镜19、第二反射镜20、第三反射镜21和第四反射镜22不参与光路，平行激光4由第一入光孔17轴心射入，从第一出光孔18轴心射出到达动态聚焦模块8或者二维振镜的入射圆孔的轴心，此时第一反射镜19和第二反射镜20不会干涉到平行激光4穿过所述四片反射镜形成的光路，第一反射镜19和第二反射镜20此时的位置称为无效位置。转轴o1和o2和入射平行激光4空间垂直，当第一反射镜19绕着o2转动到如图11所示，此时第一反射镜19的入射面的法线和首次入射第一安装盒16的激光4的轴心射线呈135的位置，当第二反射镜20反射镜绕着o1转动到如图11所示，此时第二反射镜20的入射面的法线和首次入射第一安装盒16的激光4的轴心射线呈45°的位置，第一反射镜19和第二反射镜20此时的位置称为有效位置，本实施例中第三反射镜21和第四反射镜22固定垂直安装于第一安装盒16的底板，且第三反射镜21的入射面的法线和首次入射第一安装盒16的激光4的轴心射线呈135°的位置，第四反射镜22的入射面的法线和首次入射第一安装盒16的激光4的轴心射线呈45°的位置，以使平行激光4由第一入光孔17的轴心射入，经过第一反射镜19反射到第四反射镜22，再反射到第三反射镜21，然后反射到第二反射镜20，从第一出光孔18的轴心射出达到动态聚焦模块8或者二维振镜的入射圆孔的轴心。本实施例可以在EFG单个或者多个位置同轴安装光学衍射元件（单阶或者多阶）或者扩束镜12或者这两者的有效叠加，以一个位置F举例说明，当第一反射镜19和第二反射镜20处于有效位置时，位置F为第一衍射光学元件6，在粉面形成环形的聚焦光斑；位置F为第二衍射光学元件7时，在粉面形成平顶光斑；位置F为可调焦扩束镜12时，在粉面形成高斯光斑；当第一反射镜19和第二反射镜20处于无效位置时，在粉面形成高斯光斑。由于第一衍射光学元件6和第二衍射光学元件7的特性不同，使得其产生的光斑形状也不太，优选采用环形的聚焦光斑11。以上实施例是目前采用的最优方法，光斑形状及大小可根据需要进行设计调整。

实施例四

如图13所示，激光器1安装在可调发散角激光准直头2中，可调发散角激光准直头2安装在准直头安装座3中，方形的第二安装盒23设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间，所述第二安装盒23的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，如图13所示，分别为第一反射镜'26、第二反射镜'27、第三反射镜'28和第四反射镜'29，且所述第二安装盒23的相对两侧分别设有第二入光孔24，第二出光孔25，所述第二安装盒23可移动地设置于第二直线运动模块30上，第一反射镜'26的反射面的法线和首次入射第二安装盒23的激光4的轴心射线呈135度，第二反射镜'27的反射面的法线和首次入射第二安装盒23的激光4的轴心射线呈45度，第三反射镜'28和第二反射镜'27平行设置，第四反射镜'29和第一反射镜'26平行设置。

当第二安装盒23由手动或者由驱动机构（如电动，气动，液压传动等）驱动移动至第二直线运动模块30（包括第二导轨302和第二滑块301）的右侧（即移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路），此时第一反射镜'26、第二反射镜'27、第三反射镜'28和第四反射镜'29不参与光路，此时平行激光4由第二入光孔24轴心射入，从第二出光孔25轴心射出到达动态聚焦模块8或者二维振镜的入射圆孔的轴心；当第二安装盒23移动至第二直线运动模块30的左侧（即移入光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路），此时第一反射镜'26、第二反射镜'27、第三反射镜'28和第四反射镜'29参与光路，此时平行激光4由第二入光孔24的轴心射入，经过第一反射镜'26反射到第四反射镜'29，再反射到第三反射镜'28，然后反射到第二反射镜'27，从第二出光孔25的轴心射出达到动态聚焦模块8或者二维振镜的入射圆孔的轴心。本实施例可以在HIG单个或者多个位置同轴安装光学衍射元件（单阶或者多阶）或者扩束镜12或者这两者的有效叠加。以上实施例是目前采用的最优方法，光斑形状及大小可根据需要进行设计调整。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种增材制造设备的光路系统，其特征在于，包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑，其中，所述光斑切换模块为以下任一种光斑切换结构：

第一种光斑切换结构包括可旋转的转盘，以及设置在转盘上的至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜，且所有通孔的状态不同，以使转盘转动时，激光在光束发散角可调单元的调节下进入转盘的不同通孔后输出不同光斑大小的聚焦光斑；

第二种光斑切换结构包括第一直线运动模块和安装座，所述安装座的通孔内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，所述安装座可移动地设置于第一直线运动模块上，以将安装座移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光在光束发散角可调单元的调节下通过或不通过衍射光学元件和/或扩束镜而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

第三种光斑切换结构包括方形的第一安装盒，所述第一安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且第一安装盒的相对两侧分别设有第一入光孔，第一出光孔，且位于第一入光孔和第一出光孔之间的两片反射镜位置可调，以通过调节该两片反射镜的位置使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

第四种光斑切换结构包括第二直线运动模块和方形的第二安装盒，第二安装盒的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，且第二安装盒的相对两侧分别设有第二入光孔，第二出光孔，第二安装盒可移动地设置于第二直线运动模块上，以将第二安装盒移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；

其中，第三种光斑切换结构和第四种光斑切换结构中四片反射镜形成的光路中设有至少一个衍射光学元件和/或扩束镜。

2.根据权利要求1所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述光束发散角可调单元为可调发散角激光准直头，该可调发散角激光准直头安装在准直头安装座中。

3.根据权利要求1所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述第一直线运动模块和第二直线运动模块均包括两根平行布设的导轨，以及可在导轨上进行移动的滑块。

4.根据权利要求1所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述增材制造设备的光路系统还包括驱动机构，用于驱动安装座在第一直线运动模块上进行移动；或者驱动第二安装盒在第二直线运动模块上进行移动。

5.根据权利要求1所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述振镜单元包括二轴振镜和动态聚焦模块，或者包括二轴振镜和场镜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述衍射光学元件为单阶或多阶衍射光学元件。

7.一种权利要求1至6任一项所述增材制造设备的光路调节系统的光路调节方法，其特征在于，所述方法包括：

调节光斑切换模块，以使激光器发出的激光在光束发散角可调单元的调节下，依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑；

其中，当所述光斑切换模块形成的光路设有扩束镜时，调整该扩束镜的调节单元和光束发散角可调单元，否则，调整光束发散角可调单元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面处于同一焦平面。

8.根据权利要求7所述的光路调节方法，其特征在于，包括：

在扩束镜切入光斑切换模块前，在聚焦光斑位置放一个光束质量分析仪，通过调整调整光束发散角可调单元，使聚焦光斑及焦平面在加工平面；在扩束镜切入光斑切换模块后，通过手动调节扩束镜的调节单元，使光束质量分析仪显示的光斑调节到最小，此时焦平面也已调到加工平面，从而实现了至少两种不同光斑大小的聚焦光斑处于同一焦平面。

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