CN218341013U - 增材制造设备及其光路系统 - Google Patents

Abstract

一种增材制造设备的光路系统及其增材制造设备，其中光路系统包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元、直线运动模块和安装座，激光器安装在光束发散角可调单元中，安装座的通孔内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，安装座可移动地设置于直线运动模块上，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，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。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，使得其能提升激光扫描系统的成型效率和成型质量。

Description

增材制造设备及其光路系统

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及其光路系统。

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，提供一种增材制造设备及其光路系统，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、直线运动模块和安装座，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，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，使得激光器的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，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。作为本实用新型的进一步优选方案，所述直线运动模块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。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述增材制造设备的光路系统还包括驱动机构，用于驱动安装座在直线运动模块上进行移动。

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，当安装座移入光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路时，安装座的通孔的轴心与入射该通孔的激光的轴心重合，且通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，当安装座的通孔内设置有扩束镜时，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。

本实用新型还提供了一种增材制造设备，包括上述任一项所述的增材制造设备的光路系统。

本实用新型增材制造设备及其光路系统，通过包括激光器、光束发散角可调单元、振镜单元、直线运动模块和安装座，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，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，使得激光器的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，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，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。

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、直线运动模块，51、导轨，52、滑块，6、安装座，61、通孔，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、直线运动模块5和安装座6，所述激光器1安装在光束发散角可调单元中，所述安装座6的通孔61内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，所述安装座6可移动地设置于直线运动模块5上，以将安装座6移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光器1的激光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。在此需说明的是，本申请的振镜单元包含聚焦镜。

具体地，所述直线运动模块5包括两根平行布设的导轨51，以及可在导轨51上进行移动的滑块52，当然，本申请的直线运动模块5还可以为其它具体结构，在此不做一一列举。

在此需说明的是，本申请的安装座6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5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51加驱动器方式；直线电机加导轨51加驱动器方式等，在此对其不做详细阐述和一一列举。

所述安装座6的通孔61内设置有衍射光学元件和/或扩束镜。具体地，当安装座6的通孔61内设有扩束镜时，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。而当安装座6的通孔61内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4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，所述安装座6的通孔61内还可以设有衍射光学元件和扩束镜。

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），或者所述振镜单元包括二轴振镜8和场镜9，如图2所示。

优选地，当安装座6移入光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路时，安装座6的通孔61的轴心与入射该通孔61的激光4的轴心重合，且通孔61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61，进而聚焦到粉面上。

本实用新型还提供了一种增材制造设备，包括上述任一实施例所述的增材制造设备的光路系统。

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，安装座6的通孔61内设置有衍射光学元件，所述安装座6可移动地设置于直线运动模块5上，当安装座6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6的通孔61的轴心与入射该通孔61的激光4的轴心重合，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；而当安装座6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处于同一焦平面的另一种聚焦光斑。

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、直线运动模块和安装座，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，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，使得激光器的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，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。

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，所述直线运动模块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。

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，用于驱动安装座在直线运动模块上进行移动。

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。

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，当安装座移入光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路时，安装座的通孔的轴心与入射该通孔的激光的轴心重合，且通孔的直径大于激光的直径。

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。

7.根据权利要求1至6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。

8.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，当安装座的通孔内设置有扩束镜时，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。

9.一种增材制造设备，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的增材制造设备的光路系统。

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