CN115464154B - 使用轴锥镜调节3d打印光束激光能量分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用轴锥镜调节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锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到锥镜匀光模块后，通过锥镜间距调节装置调节锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。本发明通过改变锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜之间的间距，以改变扫描线光束能量分布，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。

Description

使用轴锥镜调节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，具体涉及一种使用轴锥镜调节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，提供了一种使用轴锥镜调节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：

提供一种使用轴锥镜调节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锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块后，通过所述锥镜间距调节装置调节所述锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。

作为优选，所述光束为高斯光束。

作为优选，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对而平面背离设置。

作为优选，所述装置还包括准直镜，所述准直镜用于将光纤激光器发生的所述光束进行准直后入射到所述锥镜匀光模块中。

作为优选，所述装置还包括聚焦器件，所述聚焦器件用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后形成在打印工作面上。

作为优选，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后入射给振镜反射镜，经所述振镜反射镜的反射后形成在所述打印工作面上。

作为优选，所述聚焦器件为FTheta场镜，经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束经振镜反射镜反射后入射到所述FTheta场镜，经所述FTheta场镜聚焦后形成在所述打印工作面上。

作为优选，所述装置还包括所述振镜反射镜。

作为优选，经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的扫描线的能量分布E的计算方式通过以下公式(1)表达：

公式(1)中，e₀表示入射的所述光束的中心能量；

R₁表示入射到所述锥镜匀光模块的所述光束的直径；

R₂表示从所述锥镜匀光模块出射的所述光束的直径；

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；

R₂、R₁的比值K通过以下公式(2)计算而得：

公式(2)中，L表示所述锥镜匀光模块中的所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距；

R₁表示入射到所述第一轴锥镜的所述光束的直径；

a表示所述第一轴锥镜的锥角；

n表示所述第一轴锥镜或所述第二轴锥镜的折射率。

本发明还提供了一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，使用所述的装置实现，所述方法包括步骤：

S1，调节安装在所述装置中的锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块中，所述锥镜匀光模块输出经能量分布调节后的所述光束并经聚焦后出射到打印工作面上。

本发明通过改变锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜之间的间距，以改变扫描线光束能量分布，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。

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轴锥镜调节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使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；

图8是通过锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜改变激光能量分布的原理示意图；

图9是高斯光束能量分布图；

图10是经调节后的光斑光束的能量分布示意图；

图11是光束直径变倍倍率K＝0.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；

图12是光束直径变倍倍率K＝0.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；

图13是光束直径变倍倍率K＝1时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；

图14是光束直径变倍倍率K＝1时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；

图15是光束直径变倍倍率K＝1.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；

图16是光束直径变倍倍率K＝1.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；

图17是光束直径变倍倍率K＝2.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；

图18是光束直径变倍倍率K＝2.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图.

图19是本发明一实施例提供的使用轴锥镜调节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，通过调节锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离来调节激光扫描线的能量分布，以适应不同打印需求。

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，通过两只轴锥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9)的功能，使用成本低，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使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，如图6，包括安装在装置外壳内的锥镜匀光模块1和锥镜间距调节装置(图中未示出)，准直后的光束入射到锥镜匀光模块后，通过锥镜间距调节装置调节锥镜匀光模块中的第一轴锥镜11和第二轴锥镜12的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。

以下对通过调节第一轴锥镜11和第二轴锥镜12之间的间距来改变入射光束能量分布的原理进行说明：

如图8所示，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锥镜匀光模块出射的光束的直径，调节原理为通过以下公式(2)表达：

公式(2)中，K为从锥镜匀光模块出射的光束直径R₂与入射到锥镜匀光模块的光束直径R₁的比值；

L表示锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距；

R₁表示入射到第一轴锥镜的光束的直径；

a表示第一轴锥镜的锥角；

n表示所述第一轴锥镜或第二轴锥镜的折射率。

而经锥镜匀光模块作能量分布调节后形成在打印工作面上的光斑能量分布e的计算方式通过以下公式(3)表达：

经锥镜匀光模块作能量分布调节后的光斑能量分布图请参照图10。由图10可知，能量分布调节后，光斑能量呈中心能量低而边缘能量高的状态，符合调节预期。

而经锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的扫描线的能量分布E的计算方式通过以下公式(4)表达：

公式(3)-(4)中，e₀表示入射的高斯光束的中心能量；

R₁表示入射到锥镜匀光模块的高斯光束的直径；

R₂表示从锥镜匀光模块出射的高斯光束的直径；

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。

由上述公式(3)-(4)可知，使用两个面对面的轴锥镜，通过改变两个轴锥镜的间距，即可改变激光光束的能量分布。

图11-18为不同光束直径变倍倍率K下经锥镜匀光模块调节后的光斑能量或扫描线能量的分布示意图。由图11-18可以看出，通过调节第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，可以改变激光光斑的能量分布，进而改变激光光斑扫描线的能量分布，在实际使用中可以根据打印需求，通过调节两个轴锥镜的间距来调整激光光斑的能量分布。

图6示出的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置还包括准直镜2、聚焦透镜3和振镜反射镜4，准直镜2用于将光纤激光器6发生的光束进行准直后入射到锥镜匀光模块1中；聚焦透镜3用于对经锥镜匀光模块1作能量分布调节后出射的光束聚焦后入射给振镜反射镜4，经振镜反射镜4的反射后形成在打印工作面上。

图7示出了另一实施例提供的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，该装置与图6所示的装置的区别在于，以FTheta场镜5替换图6中的聚焦透镜3作为光束聚焦器件，且FTheta场镜5的作用是对经振镜反射镜4反射后的光束进行聚焦。

本发明还提供了一种使用轴锥镜调节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19所示，该方法包括步骤：

S1，调节安装在图6或7所示的装置中的锥镜匀光模块1中的第一轴锥镜11和第二轴锥镜12间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到锥镜匀光模块1中，锥镜匀光模块1输出经能量分布调节后的光束并经聚焦后出射到打印工作面上。

综上，本发明通过改变锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜之间的间距，以改变扫描线光束能量分布，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。

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)

1.一种使用轴锥镜调节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锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块后，通过所述锥镜间距调节装置调节所述锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节；

经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的扫描线的能量分布E的计算方式通过以下公式（1）表达：

，

公式（1）中，e ₀表示入射的所述光束的中心能量；

R ₁表示入射到所述锥镜匀光模块的所述光束的直径；

R ₂表示从所述锥镜匀光模块出射的所述光束的直径；

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；

R ₁、R ₂的比值K通过以下公式（2）计算而得：

，

公式（2）中，L表示所述锥镜匀光模块中的所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距；

R ₁表示入射到所述第一轴锥镜的所述光束的直径；

a表示所述第一轴锥镜的锥角；

n表示所述第一轴锥镜或所述第二轴锥镜的折射率。

2.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述光束为高斯光束。

3.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对而平面背离设置。

4.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括准直镜，所述准直镜用于将光纤激光器发生的所述光束进行准直后入射到所述锥镜匀光模块中。

5.根据权利要求1或4所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括聚焦器件，所述聚焦器件用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后形成在打印工作面上。

6.根据权利要求5所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后入射给振镜反射镜，经所述振镜反射镜的反射后形成在所述打印工作面上。

7.根据权利要求5所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述聚焦器件为FTheta场镜，经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束经振镜反射镜反射后入射到所述FTheta场镜，经所述FTheta场镜聚焦后形成在所述打印工作面上。

8.根据权利要求6或7所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括所述振镜反射镜。

9.一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，使用如权利要求1-8任意一项所述的装置实现，其特征在于，包括步骤：

S1，调节安装在所述装置中的锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块中，所述锥镜匀光模块输出经能量分布调节后的所述光束并经聚焦后出射到打印工作面上。