CN210969947U - 一种多光束增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于增材制造相关技术领域，其公开了一种多光束增材制造设备，所述设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，激光束产生及控制模块与增材制造装置相对设置，增材制造装置包括成形平台及成形缸，成形缸连接于成形平台；激光束产生及控制模块包括激光器、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台，正棱锥镜的底面设置在安装平台上，其与激光器相对设置；激光器设置在正棱锥镜的上方；多个扩束准直及扫描系统绕正棱锥镜的中心轴均匀排布；聚焦系统位于扩束准直及扫描系统及出光口之间，且聚焦系统位于扩束准直及扫描系统下方。本实用新型较低了成本，提高了效率，适用性较强。

Description

一种多光束增材制造设备

技术领域

本实用新型属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种多光束增材制造设备。

背景技术

作为最具潜力的一种增材制造方法，金属增材制造技术基于零件三维模型，以金属粉末/丝材为原料，在高能束流的作用下，以分层熔化、逐层叠加的方式直接制造致密的金属零件。由于能实现几乎任意复杂形状金属零件的整体制造成形，因此该技术在航空航天、武器装备、医疗等领域具有重要的应用价值。

然而，成形效率以及成形零件尺寸偏小限制了该技术的快速发展以及应用范围。因此，多能束增材制造技术成为研究的热点，它是通过使用多个能束同时扫描或者分区扫描的方式实现大尺寸宽幅面的快速成形。然而，在目前的多光束增材制造技术中，普遍是通过增加激光器的数量来扩大成形幅面，该方法过程复杂、不易实现，而且每个激光束的能量利用率较小；同时，由于相互干涉等原因，目前还不能实现每束激光都能对整个幅面进行扫描加工的效果；另一个方面，目前的多光束增材制造装配体积较大，造价成本较高，难以得到大规模的应用。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如中国专利201680034015.7采用多个激光器阵列实现多光束同时成形，该装备中单光束只能针对各自的区域进行扫描加工。另一方面，各成形区域存在部分搭接区域，每束激光并不能对整个成形区域进行加工。又如中国专利201510104702.9提出采用多个电子束和激光束复合扫描的方法实现增材制造，该方法也是通过阵列电子束发生器以及激光器来提高成形装配效率和扩大成形幅面，同样每个能束并不能辐照整个成型区域，而且装备复杂，成本较高，再如专利201810403444.8采用多个激光器配套多个振镜扫描系统，同样每个激光束分区扫描，扫描区间之间存在部分搭接区域。相应地，本领域存在着发展一种成本较低的多光束增材制造设备的技术需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种多光束增材制造设备，其基于现有多光束增材制造的特点，研究及设计了一种成本较低、效率较高的多光束增材制造设备。所述设备通过采用正棱锥镜均匀分光系统与扫描系统相相结合的方法，高功率激光束经过正棱锥镜的顶点被均匀地分成若干个激光束，每个激光束经过棱锥镜的侧面射出，再通过对应的扩束准直和扫描系统、聚焦系统，最后从相应的出光口射出辐照粉末，实现多个激光束同时扫描加工。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种多光束增材制造设备，该制造设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，所述激光束产生及控制模块与所述增材制造装置相对设置，所述增材制造装置包括成形平台及成形缸，所述成形缸连接于所述成形平台；

所述激光束产生及控制模块包括激光器、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台，所述正棱锥镜的底面设置在所述安装平台上，其与所述激光器相对设置；所述激光器设置在所述正棱锥镜的上方；多个所述扩束准直及扫描系统绕所述正棱锥镜的中心轴均匀排布；所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统及所述出光口之间，且所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统下方；

所述激光器用于向所述正棱锥镜发射一束激光束；所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束；多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台上的粉末以进行激光选区熔化成形。

进一步地，所述激光器的中心轴与所述正棱锥镜的中心轴重合。

进一步地，所述扩束准直及扫描系统的数量、所述聚焦系统的数量及所述出光口的数量相同。

进一步地，所述正棱锥镜为正n棱锥镜，n为大于等于3的正整数。

进一步地，所述正棱锥镜为正三棱锥镜、正四棱锥镜或者正五棱锥镜。

进一步地，所述正棱锥镜的倾角α的角度为0<α<90°。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，本实用新型提供的多光束增材制造设备主要具有以下有益效果：

1.所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束，多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台上的粉末以进行激光选区熔化成形，采用正棱锥镜分光的方式实现多光束同时加工，且每束激光束能够扫描整个成形幅面，同时每束激光可以单独/协同的工作，降低了成本，提高了效率及灵活性，适用性较强。

2.本实用新型采用分光的方法将单束高功率激光束分成多束激光进行同时加工，与传统的单光束成形装置相比，多光束同时扫描加工大大地提高了装置的成形效率，同时多束激光扫描加工明显的扩大了成形幅面的大小；另一方面，现有的激光增材制造装备中，使用时激光的功率一般在总功率的60％左右，能量利用率不高，通过上述分光的方法，每束激光束可达到90％以上的利用率，相比之下，提高了单个激光束的能量利用率。

3.本实用新型由于采用单个高功率激光束输入(一台激光器)便可以实现多光束同时加工，相比之下，容易实现、可控性强，而且将激光器的数量减少数倍，制造成本更低。

4.本实用新型采用棱锥镜配套扫描系统进行多光束同时扫描加工，通过控制棱锥镜的侧面倾角可以快速地调节成形幅面的尺寸，实现大、中、小幅面的快速调节，操作简便。

5.本实用新型采用侧面完全一致的正棱锥镜进行均匀分光，因此每个激光束的光束质量近乎完全相同，加工零部件时不存在区域的差异性，保证了整体零部件性能的一致性和优异性，而现有的多光束增材制造装备难以保证多个激光器射出的激光完全一致，从而也会导致成形的零部件的不同位置具有差异性。

附图说明

图1是本实用新型第一实施方式提供的多光束增材制造设备的成形示意图；

图2是图1中的多光束增材制造设备的激光束产生及控制模块的示意图；

图3中的(a)、(b)、(c)分别是本实用新型第二实施方式提供的多光束在增材制造设备涉及的三种棱锥镜的结构示意图；

图4中的(a)、(b)、(c)分别是图3中的三种棱锥镜沿另一个角度的示意图；

图5中的(a)、(b)、(c)分别是本实用新型第三实施方式提供的多光束增材制造设备涉及的三种倾角的棱锥镜的示意图；

图6是图5中的两种倾角的棱锥镜的扫描示意图；

图7是本实用新型第四实施方式提供的多光束增材制造设备涉及的采用四组单束激光束分成十束激光束的整列结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一激光束产生及控制模块，1'-第二激光束产生及控制模块，1"-第三激光束产生及控制模块，1"'-第四激光束产生及控制模块，1""-第五激光束产生及控制模块，2-第一激光束，2'-第二激光束，2"-第三激光束，2'"-第四激光束，3-成形平台，4-送粉机构，5-粉末回收机构，6-铺粉轴，7-成形区，8-成形缸，9-激光器，10-第一扩束准直及扫描系统，10'-第二扩束准直及扫描系统，10"-第三扩束准直及扫描系统，10'"-第四扩束准直及扫描系统，10""-第五扩束准直及扫描系统，10""'-第六扩束准直及扫描系统，11-第一聚焦系统，11'-第二聚焦系统，11"-第三聚焦系统，11'"-第四聚焦系统，12-分光正四棱锥镜，12'-分光正三棱锥镜，12"-分光正五棱锥镜，12'"-分光正六棱锥镜，12""-第一分光正棱锥镜，12""'-第二分光正棱锥镜，12'""'-第三分光正棱锥镜，13-第一出光口，13'-第二出光口，13"-第三出光口，13"'-第四出光口，14-安装平台，15-第一扫描幅面，16-第二扫描幅面。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本实用新型第一实施方式提供的多光束增材制造设备，通过棱锥镜的分光方式，配备对应的扩束准直和扫描系统、聚焦系统，实现多光束快速扫描加工成形的目的。本实用新型由于采用棱锥镜均匀分光的方式实现“一分多”或者“多分多”的功能，不仅提高了成形效率，而且可以实现大尺寸零部件的多光束快速成形。相比现有的多光束增材制造方法，本实用新型由于输入光束数量少，更容易实现，成本更低，可控性更强。另一方面，该方法通过控制棱锥镜的倾角可以控制激光扫描幅面的大小，可以满足不同成形幅面的加工要求。

所述增材制造设备包括激光束产生及控制模块、成形平台3、送粉机构4、粉末回收机构5、铺粉轴6及成形缸8，所述成形平台3设置在所述成形缸8上，所述铺粉轴6设置在所述成形平台3上，且所述成形缸8及所述铺粉轴6分别位于所述成形平台3相背的两侧，且所述铺粉轴6位于所述成形平台3的一端。所述粉末回收机构5连接于所述成形平台3上，且其与所述成形缸8相对设置。所述送粉机构4设置在所述铺粉轴6上方，且所述送粉机构4临近所述铺粉轴6设置。所述成形平台3上形成有成形区7，所述成形区7位于所述成形平台3的中部。所述激光束产生及控制模块位于所述成形区7上方，其用于产生激光束及将所述激光束均匀的分成若干个激光束，并对每束激光束进行扩束及聚焦，进而所述激光束对零部件实现多光束扫描加工。

本实施方式中，所述送粉机构4用于送粉给所述送粉轴6，所述粉末回收机构5用于对所述成形平台3上剩余的粉末进行回收及暂存；所述送粉机构4、所述铺粉轴6、所述成形平台3、所述成形缸8及所述粉末回收机构5组成增材制造装置；所述设备是在真空或者惰性气体保护环境中进行的，可以有效防止材料的氧化。

所述激光束产生及控制模块包括激光器9、第一扩束准直及扫描系统10、第二扩束准直及扫描系统10’、第三扩束准直及扫描系统10”、第四扩束准直及扫描系统10’”、第一聚焦系统11、第二聚焦系统11’、第三聚集系统11”、第四聚焦系统11’”、第一分光正四棱锥镜12、第一出光口13、第二出光口13’、第三出光口13”、第四出光口13”’及安装平台14。

所述第一分光正四棱锥镜12的底面设置在所述安装平台14上，所述激光器9设置在所述第一分光正四棱锥镜12上方，其中心轴与所述第一分光正四棱锥镜12的中心轴重合。所述第一扩束准直及扫描系统10、所述第二扩束准直及扫描系统10’、所述第三扩束准直及扫描系统10”及所述第四扩束装置及扫描系统10”’分别设置在所述第一分光正四棱锥镜12的周围，且绕所述第一分光正四棱锥镜12的中心轴均匀排布。本实施方式中，所述第一扩束准直及扫描系统10、所述第二扩束准直及扫描系统10’、所述第三扩束准直及扫描系统10”及所述第四扩束准直及扫描系统10’”分别与所述第一分光正四棱锥镜12的四个棱锥镜面相对设置。

所述第一扩束准直及扫描系统10、所述第一聚焦系统11及所述第一出光口13沿竖直方向自上而下间隔设置，且所述第一扩束准直及扫描系统10的中心轴、所述第一聚焦系统11的中心轴及所述第一出光口13的中心轴重合。

所述第二扩束准直及扫描系统10’、所述第二聚焦系统11’及所述第二出光口13’沿竖直方向自上而下间隔设置，且所述第二扩束准直及扫描系统10’的中心轴、所述第二聚焦系统11’的中心轴及所述第二出光口13’的中心轴重合。

所述第三扩束准直及扫描系统10”、所述第三聚焦系统11”及所述第三出光口13”沿竖直方向自上而下间隔设置，且所述第三扩束准直及扫描系统10”的中心轴、所述第三聚焦系统11”的中心轴及所述第三出光口13”的中心轴重合。

所述第四扩束准直及扫描系统10’”、所述第四聚焦系统11’”及所述第四出光口13’”沿竖直方向自上而下间隔设置，且所述第四扩束准直及扫描系统10’”的中心轴、所述第四聚焦系统11’”的中心轴及所述第四出光口13’”的中心轴重合。

所述送粉机构4送粉到所述铺粉轴6，所述铺粉轴6在所述成形区7表面均匀的铺置一层预定厚度的粉末。所述激光器9发出一束高功率激光束，所述高功率激光束进入所述第一分光正四棱锥镜12，所述第一分光正四棱锥镜12用于将所述高功率激光束分成四束完全相同的激光束，这四束激光束分被为第一激光束2、第二激光束2’、第三激光束2”及第四激光束2’”。所述第一激光束2、所述第二激光束2’、所述第三激光束2”及所述第四激光束2’”分别进入所述第一扩束准直及扫描系统10、所述第二扩束准直及扫描系统10’、所述第三扩束准直及扫描系统10”及所述第四扩束准直及扫描系统10’”，进而分别经由所述第一聚焦系统11、所述第二聚焦系统11’、所述第三聚焦系统11”及所述第四聚焦系统11’”进入所述第一出光口13、所述第二出光口13’、所述第三出光口13”及所述第四出光口13’”，且分别经由所述第一出光口13、所述第二出光口13’、所述第三出光口13”及所述第四出光口13’”射出到所述成形区7。根据当前层切片的图形，所述第一激光束2、所述第二激光束2’、所述第三激光束2”及所述第四激光束2’”同时熔化后/烧结预置的粉末层，成形完毕后，所述成形缸8下降一个层厚高度，重复以上步骤，直至完成零件的制备。

请参阅图3及图4，本实用新型第二实施方式提供的多光束增材制造设备与本实用新型第一实施方式提供的多光束增材制造设备基本相同，不同点在于正棱锥镜。所述制造设备的棱锥镜可以为分光正三棱锥镜12’、分光正六棱锥镜12’”及分光正五棱锥镜12”中的任一个；理论上来说，所述棱锥镜可以为N棱锥镜。

其中，当所述棱锥镜为三棱锥镜时，所述棱锥镜可以将所述激光器9发出的一束激光束分为三束激光束；当所述棱锥镜为五棱锥镜时，所述棱锥镜可以将所述激光器9发出的一束激光束分为五束激光束；当所述棱锥镜为n棱锥镜时，所述棱锥镜可以将所述激光器9发出的一束激光束分为n束激光束。通过调整所述棱锥镜的种类可以实现任意数量的激光束的输出。

请参阅图5及图6，本实用新型第三实施方式提供的多光束增材制造设备与本实用新型第一实施方式提供的多光束增材制造设备基本相同，主要不同点在于棱锥镜的角度。所述棱锥镜可以为倾角为45°的第一分光正棱锥镜12””、倾角为60°的第二分光正棱锥镜12”’”及倾角为75°的第三分光正棱锥镜12’”’”，理论上，所述棱锥镜的倾角可以为0<α<90°中的任意值。

所述激光器9发出的高功率激光束自棱锥镜的顶点入射，在不同倾角的四棱锥镜的作用下，激光束仍然被分成四束激光束，但是每束激光束的出射方向不同，再在扩束准直和扫描系统及聚焦系统的作用下，所述激光束的扫描范围会发生变化，即通过采用不同的正棱锥镜的倾角，可以调节成形幅面的大小。

请参阅图6，激光束分别经过第一分光正棱锥镜12””及第二分光正棱锥镜12”’”，并通过对应的第五扩束准直及扫描系统10””及第六扩束准直及扫描系统10”’”后辐照所述成形平台3上的粉末，得到了第一扫描幅面15及第二扫描幅面16，所述第一扫描幅面15及所述第二扫描幅面16的尺寸不同。

请参阅图7，本实用新型第四实施方式提供的多光束增材制造设备与本实用新型第一实施方式提供的多光束增材制造设备基本相同，主要不同点在于激光束产生及控制模块的数量。本实施方式包括四个激光束产生及控制模块，分别为第二激光束产生及控制模块1’、第三激光束产生及控制模块1”、第四激光束产生及控制模块1”’及第五激光束产生及控制模块1””。所述第二激光束产生及控制模块1’、所述第三激光束产生及控制模块1”、所述第四激光束产生及控制模块1”’及所述第五激光束产生及控制模块1””形成阵列，并分别在对应的棱锥镜的作用下，形成10束激光束同时选区熔化扫描成形，该10束激光束是相同的。

本实施方式中，从同一个激光束产生及控制模块得到的激光束完全一致，每个激光束产生及控制模块所产生的激光束的个数可以相同也可以不同。

本实用新型还提供了一种多光束增材制造方法，所述制造方法主要包括以下步骤：

(1)提供如上所述的多光束增材制造设备，并将所述制造设备的成型腔进行抽真空或者填充惰性气体。由此，可以保证成形过程中粉末与激光相互作用时不被氧化。

(2)在所述铺粉轴的作用下，预先在所述成形平台3的成形区7铺置一层粉末。

(3)所述激光器发射出激光束，所述激光束依次通过所述棱锥镜、所述扩束准直与扫描系统、所述聚焦系统及所述出光口，并辐照在所述粉末上以进行激光选区熔化成形，待当前层成形完毕之后，所述成形缸下降一个层厚的高度。

具体地，所述激光器发射出激光束，所述激光束经过所述棱锥镜顶点并在正棱锥镜的作用下，激光束被均分成多个激光束；之后，多个所述激光束分别自正棱锥镜的多个侧面出射，多个所述激光束经过对应的多组扩束准直和扫描系统、多个所述聚焦系统后自多个出光口射出。最后，多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成形完毕之后，成形缸下降一个层厚的高度。

(4)重复步骤(2)及步骤(3)，直至完成实体零件的成形。

本实施方式中，所述粉末的材料包括钛合金、铝合金、镁合金、铜合金等金属材料、以及陶瓷、高分子材料及复合材料等非金属材料；棱锥镜采用正三棱锥、正四棱锥、正五棱锥直至正N棱锥，根据所需要的激光束数量选择合适的棱锥镜；扩束准直和扫描系统、聚焦系统组根据分束的数量决定，且一一对应；正棱锥镜的倾斜角可以决定扫描区域的范围大小，可为30°、45°、60°以及75°等；每个激光束可以对成形区域进行单独全覆盖扫描加工，也可以对成形区域进行分区扫描加工。

其中，实现n个激光束的同时扫描加工方式可为：(1)单束高功率激光束经过N棱锥镜分光形成n个激光束同时输出；(2)多束高功率激光束经过多组包含棱锥镜的分光装置形成n个激光束同时输出。

本实用新型提供的多光束增材制造设备，所述多光束增材制造设备通过棱锥镜分光的方式实现多光束同时加工，提高了增材制造技术的成形效率以及扩大了成形零部件的尺寸，而且每束激光可以实现全幅面扫描加工，能够实现大、中、小幅面的快速调节，操作简便，成本较低，成形效率较高。此外，通过改变棱锥镜的种类可以实现任意数量的激光束输出，而且通过改变棱锥镜的倾角可以改变激光的扫描范围，实现大、中、小幅面的任意可调。该方法成形零部件过程是在真空或惰性气体保护环境中进行，能够有效防止材料的氧化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多光束增材制造设备，其特征在于：

所述设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，所述激光束产生及控制模块与所述增材制造装置相对设置，所述增材制造装置包括成形平台(3)及成形缸(8)，所述成形缸(8)连接于所述成形平台(3)；

所述激光束产生及控制模块包括激光器(9)、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台(14)，所述正棱锥镜的底面设置在所述安装平台(14)上，其与所述激光器(9)相对设置；所述激光器(9)设置在所述正棱锥镜的上方；多个所述扩束准直及扫描系统绕所述正棱锥镜的中心轴均匀排布；所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统及所述出光口之间，且所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统下方；

所述激光器(9)用于向所述正棱锥镜发射一束激光束；所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束；多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台(3)上的粉末以进行激光选区熔化成形。

2.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述激光器(9)的中心轴与所述正棱锥镜的中心轴重合。

3.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述扩束准直及扫描系统的数量、所述聚焦系统的数量及所述出光口的数量相同。

4.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述正棱锥镜为正n棱锥镜，n为大于等于3的正整数。

5.如权利要求4所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述正棱锥镜为正三棱锥镜、正四棱锥镜或者正五棱锥镜。

6.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述正棱锥镜的倾角α的角度为0<α<90°。

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