CN217982010U - 一种增材制造设备的光路系统 - Google Patents

Abstract

一种增材制造设备的光路系统，包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元，以及设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间的安装盒，安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，安装盒的相对两侧分别设有入，出光孔，且位于入、出光孔之间的两片反射镜位置可调，通过调节该两片反射镜的位置使得激光器的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，且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；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。本实用新型生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑处在同一焦平面，使得其能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

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。

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，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。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供了一种增材制造设备的光路系统，该光路系统由一套激光器和一套振镜组成，且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，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，本实用新型提供了一种增材制造设备的光路系统，包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元，以及设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间的方形的安装盒，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且所述安装盒的相对两侧分别设有入光孔，出光孔，且位于入光孔和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器的激光通过或不通过所述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，且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；其中，所述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。

作为本实用新型的进一步优选方案，将最靠近入光孔的反射镜记作第一反射镜，以第一反射镜为起点，按照顺时针方向将设置在安装盒其它三个角的反射镜分别记作第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜的位置可调，所述第三反射镜和第四反射镜分别固定安装在安装盒的两个角落，且第三反射镜的入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈135度，第四反射镜的入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈45度。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述第二反射镜和第三反射镜之间、第三反射镜和第四反射镜之间，以及第四反射镜和第一反射镜之间的三个位置中至少一个位置设有衍射光学元件和/或扩束镜。

作为本实用新型的进一步优选方案，将第一反射镜和第二反射镜的反射平面调整至与射入入光孔的激光的中心轴平行，此时激光器的激光不通过所述四片反射镜形成的光路；将第一反射镜的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈135度，且将第二反射镜的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈45度，此时激光器的激光通过所述四片反射镜形成的光路。

作为本实用新型的进一步优选方案，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。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述入光孔的轴心与入射该入光孔的激光的轴心重合，且入光孔的直径大于激光的直径。

作为本实用新型的进一步优选方案，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。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述衍射光学元件为单阶或多阶衍射光学元件。

作为本实用新型的进一步优选方案，当所述四片反射镜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。

本实用新型的增材制造设备的光路系统，通过包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元，以及设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间的方形的安装盒，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且所述安装盒的相对两侧分别设有入光孔，出光孔，且位于入光孔和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器的激光通过或不通过所述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，且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；其中，所述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，使得本实用新型的增材制造设备的光路系统得到的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，本实用新型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为本实用新型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2为本实用新型中安装盒的俯视图；

图3为本实用新型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、安装盒，51、入光孔，52、出光孔，53、第一反射镜，54、第二反射镜，55、第三反射镜，56、第四反射镜，7、动态聚焦模块，8、二轴振镜，9、场镜。

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和图2所示，增材制造设备的光路系统包括激光器1、光束发散角可调单元、振镜单元，以及设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间的方形的安装盒5，所述激光器1安装在光束发散角可调单元中，所述安装盒5的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且所述安装盒5的相对两侧分别设有入光孔51，出光孔52，且位于入光孔51和出光孔52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器1的激光4通过或不通过所述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，且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；其中，所述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。在此需说明的是，本申请的振镜单元包含聚焦镜。具体地，当所述四片反射镜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。在此需说明的是，具体如何调整扩束镜的调节单元和光束发散角可调单元对于本领域的技术人员来说是已知的，因此在此对其不做一一列举。而当所述四片反射镜形成的光路设有衍射光学元件时，由于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，这样便达到了显著提升单套激光扫描组件的成型效率和成型质量的目的。

具体地，所述衍射光学元件为单阶或多阶衍射光学元件。当然，所述四片反射镜形成的光路中还可以设有衍射光学元件和扩束镜。

如图2（该图是去掉安装盒5顶板的俯视图）所示，将最靠近入光孔51的反射镜记作第一反射镜53，以第一反射镜53为起点，按照顺时针方向将设置在安装盒5其它三个角的反射镜分别记作第二反射镜54、第三反射镜55和第四反射镜56；所述第一反射镜53和第二反射镜54的位置可调，所述第三反射镜55和第四反射镜56分别固定安装在安装盒5的两个角落，且第三反射镜55的入射面的法线和首次入射安装盒6的激光4的轴心射线呈135度，第四反射镜56的入射面的法线和首次入射安装盒6的激光的轴心射线呈45度。

在一具体实施中，如图2所示，所述第二反射镜54和第三反射镜55之间（参见图2的E位置）、第三反射镜55和第四反射镜56之间（参见图2的F位置），以及第四反射镜56和第一反射镜53之间（参见图2的G位置）的三个位置中至少一个位置设有衍射光学元件和/或扩束镜。

将第一反射镜53和第二反射镜54的的反射平面调整至与射入入光孔51的激光4的中心轴平行，此时激光器1的激光4不通过所述四片反射镜形成的光路；将第一反射镜53的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒6的激光4的轴心射线呈135度，且将第二反射镜54的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒6的激光4的轴心射线呈45度，此时激光器1的激光4通过所述四片反射镜形成的光路。在此需说明的是，本申请的图2仅示出了一种优选的光路布置结构以使激光器1的激光4通过所述四片反射镜形成的光路，此光路布置结构可使得设计人员便于调整反射镜片。但在具体实施中，还可以采用其它的具体光路结构，例如第三反射镜55和第四反射镜56的安装位置不同，或者第一反射镜53和第二反射镜54的调整位置不同等等，在此不做具体阐述。

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1所示，所述振镜单元可包括二轴振镜8和动态聚焦模块7（其组成三轴振镜），或者所述振镜系统包括二轴振镜8和场镜9，如图3所示。

优选地，所述入光孔51的轴心与入射该入光孔51的激光4的轴心重合，且入光孔51的直径大于激光4的直径，这样可保证激光4能够无损通过转盘的通孔，进而聚焦到粉面上。

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

如图1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，方形的安装盒5设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间，所述安装盒5的四角内分别竖向设置有四片反射镜，如图1所示，分别为第一反射镜53、第二反射镜54、第三反射镜55和第四反射镜56，且所述安装盒5的相对两侧分别设有入光孔51，出光孔52，且位于入光孔51和出光孔52之间的第一反射镜53和第二反射镜54位置可调，该第一反射镜53和第二反射镜54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53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，当第二反射镜的反射平面54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53、第二反射镜54、第三反射镜55和第四反射镜56不参与光路，平行激光4由入光孔51轴心射入，从出光孔52轴心射出到达动态聚焦模块7或者二维振镜的入射圆孔的轴心，此时第一反射镜53和第二反射镜54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53和第二反射镜54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53绕着o2转动到如图3所示，此时第一反射镜53的入射面的法线和首次入射安装盒5的平行激光4的轴心射线呈135度的位置，当第二反射镜54反射镜绕着o1转动到如图3所示，此时第二反射镜54的法线和首次入射安装盒5的激光4的轴心射线呈45度的位置，第一反射镜53和第二反射镜54此时的位置称为有效位置，本实施例中第三反射镜55和第四反射镜56垂直于安装盒5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度，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度，度，以使平行激光4由入光孔51的轴心射入，经过第一反射镜53反射到第四反射镜56，再反射到第三反射镜55，然后反射到第二反射镜54，从出光孔52的轴心射出达到动态聚焦模块7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53和第二反射镜54处于有效位置时，位置F为第一衍射光学元件，在粉面形成环形的聚焦光斑；位置F为第二衍射光学元件时，在粉面形成平顶光斑；位置F为可调焦扩束镜时，在粉面形成高斯光斑；当第一反射镜53和第二反射镜54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和第二衍射光学元件的特性不同，使得其产生的光斑形状也不太，优选采用环形的聚焦光斑。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实用新型专利范围的限制。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 (9)

1.一种增材制造设备的光路系统，其特征在于，包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元，以及设置于振镜单元和光束发散角可调单元之间的方形的安装盒，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且所述安装盒的相对两侧分别设有入光孔，出光孔，且位于入光孔和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器的激光通过或不通过所述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，且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；其中，所述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，将最靠近入光孔的反射镜记作第一反射镜，以第一反射镜为起点，按照顺时针方向将设置在安装盒其它三个角的反射镜分别记作第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜的位置可调，所述第三反射镜和第四反射镜分别固定安装在安装盒的两个角落，且第三反射镜的入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈135度，第四反射镜的入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈45度。

3.根据权利要求2所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，所述第二反射镜和第三反射镜之间、第三反射镜和第四反射镜之间，以及第四反射镜和第一反射镜之间的三个位置中至少一个位置设有衍射光学元件和/或扩束镜。

4.根据权利要求3所述的增材制造设备的光路系统，其特征在于，将第一反射镜和第二反射镜的反射平面调整至与射入入光孔的激光的中心轴平行，此时激光器的激光不通过所述四片反射镜形成的光路；将第一反射镜的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈135度，且将第二反射镜的位置调整以使其入射面的法线和首次入射安装盒的激光的轴心射线呈45度，此时激光器的激光通过所述四片反射镜形成的光路。

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。

6.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，所述入光孔的轴心与入射该入光孔的激光的轴心重合，且入光孔的直径大于激光的直径。

7.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。

8.根据权利要求1至7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。

9.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，当所述四片反射镜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。

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