CN115401215B - 使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及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柱面镜组，非球柱面镜组包括相互正交的第一非球柱面镜和第二非球柱面镜，第一非球柱面镜将入射的圆形光束光斑从点光斑转换为线光斑，第二非球柱面镜将第一非球柱面镜出射的线光斑转换为方形面光斑。本发明通过非球柱面镜组实现了对圆形高斯光束光斑向方形光斑的转换，克服了以任何方式调节圆形光斑能量分布均无法实现打印扫描线能量真正平顶分布的问题，有利于提高3D打印质量。

Description

使用非球柱面镜组调节光斑形状及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，具体涉及一种使用非球柱面镜组调节方形光斑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

本发明以将圆形高斯光束转换为能量分布平顶的方形光束，并通过旋转非球柱面镜组的角度改变光斑方向，以保持方向光斑的边始终与扫描线方向垂直，进而提高SML金属3D激光打印质量为目的，提供了一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及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：

提供一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，包括安装在所述装置外壳内的非球柱面镜组，所述非球柱面镜组包括相互正交的第一非球柱面镜和第二非球柱面镜，所述第一非球柱面镜将入射的圆形光束光斑从点光斑转换为线光斑，所述第二非球柱面镜将所述第一非球柱面镜出射的所述线光斑转换为方形面光斑。

作为优选，所述第一非球柱面镜和/或所述第二非球柱面镜的曲率c与圆锥系数k满足以下公式(1)表达的关系：

k＝-0.22c²-0.73c+0.15 公式(1)。

作为优选，所述第一非球柱面镜和/或所述第二非球柱面镜的曲率c与圆锥系数k满足以下公式(2)表达的关系：

公式(2)中，Z表示所述非球柱面镜的曲面高度；

r表示非球柱面镜的曲面距离轴心的距离。

作为优选，所述非球柱面镜由熔融石英制成。

作为优选，所述装置还包括一旋转装置，所述旋转装置用于旋转所述非球柱面镜组的角度以改变方形光斑方向，进而使得方形光斑的边与扫描线垂直。

作为优选，控制所述旋转装置旋转以保持所述方形光斑的边始终与扫描线方向垂直的方法通过以下公式(3)表达：

公式(3)中，(x₀,y₀)表示打印向量的起始位置的坐标；

(x₁,y₁)表示所述打印向量的结束位置的坐标；

θ表示保持所述方形光斑与扫描线方向垂直需要旋转的角度。

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柱面镜组，所述非球柱面镜组对入射光束进行光斑形状及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；

作为优选，所述聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。

本发明还提供了一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的方法，通过所述的装置实现，包括步骤：

S1，确定打印向量；

S2，根据所述打印向量的起始位置坐标和结束位置坐标，计算可保持方形光斑的边与3D打印扫描线保持垂直的旋转角度θ，计算方式通过以下公式(4)表达：

公式(4)中，(x₀,y₀)表示所述打印向量的起始位置的坐标；

(x₁,y₁)表示所述所述打印向量的结束位置的坐标；

S3，驱动旋转装置旋转并带动所述非球柱面镜组旋转所述旋转角度θ。

本发明通过非球柱面镜组实现了对圆形高斯光束光斑向方形光斑的转换，克服了以任何方式调节圆形光斑能量分布均无法实现打印扫描线能量真正平顶分布的问题，有利于提高3D打印质量。且通过旋转非球柱面镜组，以改变方形光斑方向，使得方形光斑的边始终与扫描线方向保持垂直，进一步提升了3D打印的质量。

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使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置示意图；

图7是本发明另一实施例提供的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置示意图；

图8是通过非球柱面镜组将圆形高斯光束光斑转换为能量分布为平顶的方形光斑的原理示意图；

图9是非球柱面镜组的三维结构示意图；

图10是图9的主视图；

图11是图9的俯视图；

图12是高斯光束经过非球柱面镜组变换为方形光斑的示意图；

图13是经图12所示的非球柱面镜组出射的方形光斑形状的示意图；

图14是图13所示的方形光斑在X轴方向上的能量分布示意图；

图15是图13所示的方形光斑在Y轴方向上的能量分布示意图；

图16是非球柱面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17是圆形光斑和方形光斑在扫描线上的投影形状对比示意图；

图18是旋转非球柱面镜组以改变方向光斑方向的示意图；

图19是本发明一实施例提供的使用非球柱面镜组调节光斑形状及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Ei＝e×Si。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(1)为：

公式(1)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(1)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，实现了将常规的圆形高斯光束光斑转变为能量分布为平顶的方形光束光斑，来实现激光扫描线能量分布的均匀。并且，本发明通过旋转非球柱面镜组来改变非球柱面镜组的角度，进而改变方形光斑的方向，使得方形光斑的边始终与扫描线垂直，以保证扫描线的线宽恒定，解决了方形光斑的边因与扫描线不垂直，导致方形光斑在扫描线上的投影出现变形，影响打印效果的问题。

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。最为关键的是，如上面分析可知，圆形光斑在原理上，无法实现扫描线光束真正的能量平顶分布，唯一能真正实现平顶扫描光束的方法是使用方形光斑。因此，本发明实施例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，而是通过非球柱面镜组将圆形高斯光束光斑转化为能量分布为平顶的方形光束(非球柱面镜组将圆形高斯光束光斑转换为能量分布为平顶的方形光斑的原理请参照图8和图12)。另外，通过旋转非球柱面镜组来改变非球柱面镜组的角度，进而改变方形光斑的方向，使得方形光斑的边始终与扫描线垂直，以保证扫描线的线宽恒定，解决了方形光斑的边因与扫描线不垂直，导致方形光斑在扫描线上的投影出现变形，影响打印效果的问题。

在SLM金属3D打印中，扫描打印的内容包含填充部分和描边部分，每层的光束扫描方向并不确定，是随机变化的。为了保持扫描线宽度恒定，方形光斑的边要如图18中的a图所示，要始终垂直于扫描方向，不能出现方形光斑与扫描线方向倾斜的情况。因此，本申请中，使用方形光斑进行3D打印，需要满足以下两个条件：

1、将圆形高斯光束光斑转换为能量分布为平顶的方形光斑光束；

2、扫描过程中要确保方形光斑与扫描线方向时刻保持垂直。

为了满足第1个条件，本发明实施例提供的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，如图6和图7，包括安装在装置外壳内的非球柱面镜组1(非球柱面镜组的三维结构请参照图9，图9的主视图参照图10，图9的俯视图参照图11)，非球柱面镜组1包括相互正交的第一非球柱面镜11和第二非球柱面镜12，第一非球柱面镜11将入射的圆形高斯光束光斑从点光斑转换为线光斑，而第二非球柱面镜12则将从第一非球柱面镜11出射的线光斑转换为方形面光斑。方形面光斑经过图12中的聚焦器件4(优选为聚焦透镜或FTheta场镜)成像后，变为3D打印所需的方形光斑(方形光斑的形状示意图请参见图13)。

非球柱面镜组将入射的圆形高斯光束光斑转换为能量分布为平顶的方形光斑的效果与非球柱面镜的材料、曲率、圆锥系数等参数有关。本申请中，经反复实验总结发现，当第一非球柱面镜11和第二非球柱面镜12的曲率c与圆锥系数k满足以下公式(2)表达的关系时，非球柱面镜组具有良好地能量分布调节性能：

k＝-0.22c²-0.73c+0.15 公式(2)

公式(2)所指的c的具体含义如图16所示，c表示非球柱面镜的顶点处的曲率。

例如，非球柱面镜具有如下表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：

表a

当c＝6mm时，由公式(2)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。

为了确保非球柱面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(3)表达的关系：

公式(3)中，如图16所示，Z表示非球柱面镜的曲面高度；

r表示曲面距离轴心的距离；

c表示非球柱面镜顶点处的曲率。

本实施例中计算非球柱面镜的曲面高度Z的方法还可使用如下公式(4)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(3)、(4)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(2)表达的关系时，非球柱面镜具有较佳的光斑形状变换及能量分布调节性能，该条件下，入射的圆形光斑光束经非球柱面镜组转换为方形光斑后在X轴和Y轴方向上的能量分布如图15、图15所示，光强分布为平顶，呈现了良好的能量分布调节性能。

使用圆形光斑进行3D打印时，由于圆形是各向同性的，因此对于光斑无需做方向改变，圆形光斑的边也能如图17中的a图中所示的与扫描线方向垂直但方形光斑具有方向性，如不对其方向作出调整，则当打印扫描的方向改变时，方形光斑在扫描线上的投影会出现变形，影响打印效果。

3D打印中，方形光斑的方向取决于非球柱面镜组的方向，可以以图18所示的方式旋转非球柱面镜组的角度以改变方形光斑的方向，使得方形光斑的边始终与扫描线方向保持垂直。控制旋转装置旋转以保持方形光斑的边始终与扫描线方向垂直的方法通过以下公式(5)表达：

公式(5)中，(x₀,y₀)表示打印向量的起始位置的坐标；

(x₁,y₁)表示打印向量的结束位置的坐标；

θ表示保持方形光斑与扫描线方向垂直需要旋转的角度。

具体而言，安装非球柱面镜组时，调整初始角度，使得方形光斑的边垂直于水平打印方向，并将此时的角度值设为角度零点。对于任意需要打印的向量，向量起始和结束位置的坐标分别为(x₀,y₀)、(x₁,y₁)，则对于该打印向量，非球柱面镜组需要转动的角度θ为上述公式(5)表达的计算方式计算而得。通过旋转电机控制旋转转置旋转以带动非球柱面镜组旋转θ角度，这样便能保持扫描线的线宽恒定以及能量分布始终为平顶的均匀能量分布。作为优选，使用非球面透镜调节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3、聚焦器件4和振镜反射镜5，光纤激光器6发生的高斯光束经准直镜2准直后直接入射到非球柱面镜组1，非球柱面镜组1对入射光束进行光斑形状变换及能量分布调节后出射给准直透镜3进行准直，准直光束入射到聚焦器件4进行聚焦后经振镜反射镜5反射后形成在打印工作面上或首先经振镜反射镜5反射后再通过聚焦器件4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使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的方法，使用上述的装置实现，如图19所示，该方法包括步骤：

S1，确定打印向量；

S2，根据打印向量的起始位置坐标和结束位置坐标，计算可保持方形光斑的边与3D打印扫描线保持垂直的旋转角度θ，计算方式通过以下公式(6)表达：

公式(6)中，(x₀,y₀)表示所述打印向量的起始位置的坐标；

(x₁,y₁)表示所述所述打印向量的结束位置的坐标；

S3，驱动旋转装置旋转并带动非球柱面镜组旋转旋转角度θ。

综上，本发明通过非球柱面镜组实现了对圆形高斯光束光斑向方形光斑的转换，克服了以任何方式调节圆形光斑能量分布均无法实现打印扫描线能量真正平顶分布的问题，有利于提高3D打印质量。且通过旋转非球柱面镜组，以改变方形光斑方向，使得方形光斑的边始终与扫描线方向保持垂直，进一步提升了3D打印的质量。

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 (6)

1.一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，其特征在于，包括安装在所述装置外壳内的非球柱面镜组，所述非球柱面镜组包括相互正交的第一非球柱面镜和第二非球柱面镜，所述第一非球柱面镜将入射的圆形光束光斑从点光斑转换为线光斑，所述第二非球柱面镜将所述第一非球柱面镜出射的所述线光斑转换为方形面光斑；

所述第一非球柱面镜和所述第二非球柱面镜的

与圆锥系数/>

满足以下公式（1）表达的关系：

；

所述第一非球柱面镜和所述第二非球柱面镜的曲率

与圆锥系数/>

满足以下公式（2）表达的关系：

；

公式（2）中，

表示所述非球柱面镜的曲面高度；

表示非球柱面镜的曲面距离轴心的距离；

所述装置还包括一旋转装置，所述旋转装置用于旋转所述非球柱面镜组的角度以改变方形光斑方向，进而使得方形光斑的边与扫描线垂直。

2.根据权利要求1所述的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，其特征在于，所述非球柱面镜由熔融石英制成。

3.根据权利要求1所述的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，其特征在于，控制所述旋转装置旋转以保持所述方形光斑的边始终与扫描线方向垂直的方法通过以下公式（3）表达：

；

公式（3）中，

表示打印向量的起始位置的坐标；

表示所述打印向量的结束位置的坐标；

表示保持所述方形光斑与扫描线方向垂直需要旋转的角度。

4.根据权利要求1或3所述的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，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柱面镜组，所述非球柱面镜组对入射光束进行光斑形状及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。

5.根据权利要求4所述的使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，其特征在于，所述聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。

6.一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的方法，通过如权利要求1-5任意一项所述的装置实现，其特征在于，包括步骤：

S1，确定打印向量；

S2，根据所述打印向量的起始位置坐标和结束位置坐标，计算可保持方形光斑的边与3D打印扫描线保持垂直的旋转角度

，计算方式通过以下公式（4）表达：

；

公式（4）中，

表示所述打印向量的起始位置的坐标；

表示所述打印向量的结束位置的坐标；

S3，驱动旋转装置旋转并带动所述非球柱面镜组旋转所述旋转角度

。

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