CN218799127U - 一种双激光单振镜打印系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及的一种双激光单振镜打印系统，其包括低功率高光束质量激光器、高功率激光器和振镜单元；所述的低功率高光束质量激光器在打印轮廓线时开启，用于向振镜单元发射第一入射激光；所述的高功率激光器在打印填充线时开启，用于向振镜单元发射第二入射激光；所述的第一入射激光和第二入射激光存在交点，所述的振镜单元设置在第一入射激光和第二入射激光的交点处，且第二入射激光的光斑直径大于第一入射激光的光斑直径；所述的振镜单元通过调整反射角的方式使得反射后的第一入射激光和第二入射激光的路线重合。本实用新型在保持简单的光路系统以及较低的设备成本的前提下，提高了填充线扫描的效率。

Description

一种双激光单振镜打印系统
技术领域
本实用新型属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种双激光单振镜打印系统。
背景技术
激光选区熔化技术(SLM)是利用聚焦激光束，把金属或者合金粉末逐层选区熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，实现精密零件及个性化、定制化器件的制造，其打印工艺过程为：首先将三维CAD模型切片离散并规划扫描路径，得到可控制激光束扫描的路径信息。其次计算机逐层调入路径信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍呈松散状。加工完一层后，粉缸上升，成形缸降低切片层厚的高度，铺粉板将粉末供从粉缸刮到成形平台上，激光将新铺的粉末在加工平面熔化，与上一层熔为一体。重复上述过程，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的金属零件。
采用上述打印技术打印每层文件时，对文件扫描内容分为两部分，分别为轮廓线和填充线，如图1所示，路线1为轮廓线，路线2为填充线。轮廓线和填充线的对打印的要求不相同：1、轮廓线要求尽可能光斑小，打印精确，这样能够保证零件的表面质量足够好，粗糙度低；填充线则要求打印效率高，能够尽快扫描完成填充内容；2、在一个打印图案里，填充线的数量远多于扫描线的数量，以图1所示的矩形图案为例，假定矩形图案边长为10mm，扫描光斑直径为100um，则打印这个矩形图案，需要100条填充线和4条轮廓线，对于常规的300mm以上尺寸大型零件，填充线比轮廓线的数量多2～3个数量级。
因此在打印中为了能够提高打印效率又不降低精度，可以采用的方式是可变光斑系统，轮廓线打印时使用小光斑进行精确打印，填充线打印时使用大光斑，提高激光功率，增加填充线间距，减少填充线数量，从而提高打印效率。比如，授权公告号为CN109878075B公开的一种3D打印中采用连续可变光斑扫描加工的方法，该方法包括下列步骤：针对3D打印中的单个切片层，设定激光扫描加工的最大光斑半径和最小光斑半径，将待扫描区域划分为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域采用最小光斑扫描加工，第二区域采用最大光斑扫描加工；第三区域采用逐级补偿，通过逐级增大光斑的扫描半径逐级扫描该区域，实现该区域的扫描加工，各个区域的扫描过程中按照光斑半径逐渐变大或变小进行连续变化，实现连续可变光斑扫描加工。
对于此类方案，存在如下缺点：1、要求光路对于打印光斑进行大小调节，因此光路系统会更加复杂，对于打印可靠性要求极高的3D打印，无疑会增加故障率；2、可变光斑的倍率也不高，目前常规应用场合可用的光斑变化倍率为1:2，即打印轮廓线使用约100um光斑进行扫描，打印填充线则使用200um进行扫描；3、激光器使用受限，以SLM金属打印为例，100um光斑进行打印扫描，需要的激光功率为500W，如使用200um光斑进行打印扫描，则需要激光功率为1000W，SLM金属打印对激光器光束质量要求很高，通常要求打印激光光束质量M2低于1.1，目前市面激光器质量M2低于1.1的激光器的功率最大仅为1000W，纯单模高质量激光器的功率限制，也使得打印填充线时进一步扩大光斑，提高打印效率受到限制，市面上更高功率的激光器，则无法做到M2低于1.1。
对于3D金属打印SLM工艺进行研究发现，打印激光光束质量M2对于打印轮廓的粗糙度有直接的影响，对于打印填充线则无明显影响，即使用光束质量并不高的激光器，打印填充线也能保证打印零件的质量，因此也可以使用两套振镜系统，使用两台不同的激光器。激光器1可以使用类似于500W的激光器，用直径100um的光斑用于打印轮廓，激光器2则可以使用高功能激光器，如2000～5000W激光器，用于打印填充线，这样既能保证轮廓线的高精度和低粗糙度，也能大幅提高填充线的打印效率。
此方案又有如下缺点：1、使用两套振镜完成此系统，两套振镜系统的图案拼接问题会影响打印质量，多头拼接的精确度以及稳定性一直是一个障碍；与此同时，多头拼接仅仅只需要拼接多激光头之间的交界处，而使用此方案由两套振镜分别完成轮廓线打印和填充线打印，则需要每一个图案的每一个角落，轮廓线和填充线均能高精度高稳定的拼接，对于两个振镜的精度和稳定性要求极为苛刻；2、振镜系统以及所附带的F-Theta镜头的成本也相对较为高昂。
实用新型内容
本实用新型提供了一种双激光单振镜打印系统，以解决3D打印过程中填充线的打印效率低的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：
本实用新型涉及的一种双激光单振镜打印系统，其包括低功率高光束质量激光器、高功率激光器和振镜单元；所述的低功率高光束质量激光器在打印轮廓线时开启，用于向振镜单元发射第一入射激光；所述的高功率激光器在打印填充线时开启，用于向振镜单元发射第二入射激光；所述的第一入射激光和第二入射激光存在交点，所述的振镜单元设置在第一入射激光和第二入射激光的交点处，且第二入射激光的光斑直径大于第一入射激光的光斑直径；所述的振镜单元通过调整反射角的方式使得反射后的第一入射激光和第二入射激光的路线重合。
优选地，所述的低功率高光束质量激光器与振镜单元之间设有第一准直透镜，第一准直透镜用于将第一入射激光调节为平行光束，并调节第一入射激光的光斑直径；所述的高功率激光器与振镜单元之间设有第二准直透镜，第二准直透镜用于将第二入射激光调节为平行光束，并调节第二入射激光的光斑直径。通过控制第一准直透镜和第二准直透镜的位置，可实现对第一入射激光和第二入射激光光斑大小的精确控制。
优选地，所述的低功率高光束质量激光器采用光束质量M2小于1.1的纯单模激光器，进而提高打印轮廓线时的精确度。
优选地，所述的调节后的第二入射激光的光斑直径是调节后的第一入射激光的光斑直径的10倍，进而成倍地提打印高填充线的效率。
优选地，所述的振镜单元包括X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜和Y轴振镜均由电机调节倾斜角度。
采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本实用新型涉及的双激光单振镜打印系统设置两个激光器，分别为低功率高光束质量激光器和高功率激光器，打印过程中，使用低功率高光束质量激光器发出的第一入射激光扫描轮廓线，使用高功率激光器发出的第二入射激光扫描填充线，对于打印精度要求不那么高的填充线部分，采用光束质量M2大于1.1的高功率激光器，能够进一步扩大第二入射激光的光斑大小，进而进一步提升打印效率。
2.本实用新型涉及的双激光单振镜打印系统使用低功率高光束质量激光器发出的第一入射激光扫描轮廓线，使用高功率激光器发出的第二入射激光扫描填充线，第二入射激光的光斑直径大于第一入射激光的光斑直径，与采用可变光斑系统调整光斑直径相比，本实用新型的光路系统更为简单。
3.本实用新型涉及的双激光单振镜打印系统的两个激光器共用一套振镜单元，在打印轮廓线和填充线时，通过改变振镜单元的反射角来调整第一入射激光和第二入射激光的方向，使得反射后的第一入射激光和第二入射激光的路线重合，与采用两套振镜单元的方案相比，无需对轮廓线和填充线进行拼接，对打印质量的影响较小，也可节约一套振镜单元的费用，减少打印设备的成本。
附图说明
图1是文件扫描内容示意图；
图2是双激光单振镜打印系统的光路图；
图3是振镜单元的立体图；
图4是打印轮廓线时的入射激光光束的路径图；
图5是打印填充线时的入射激光光束的路径图。
附图说明：1-低功率高光束质量激光器，2-高功率激光器，3-X轴振镜，4-Y轴振镜，5-第一入射激光，6-第二入射激光，7-第一准直透镜，8-第二准直透镜，9-电机。
具体实施方式
为进一步了解本实用新型的内容，结合实施例对本实用新型作详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
参照附图2所示，本实用新型涉及的一种双激光单振镜打印系统包括低功率高光束质量激光器1、高功率激光器2和振镜单元。所述的低功率高光束质量激光器1在打印轮廓线时开启，用于向振镜单元发射第一入射激光5；所述的高功率激光器在打印填充线时开启，用于向振镜单元发射第二入射激光6；所述的第一入射激光5和第二入射激光存在交点6，所述的振镜单元设置在第一入射激光5和第二入射激光6的交点处，且第二入射激光6的光斑直径大于第一入射激光5的光斑直径，其具体实现方式为：低功率高光束质量激光器1与振镜单元之间设有第一准直透镜7，第一准直透镜7用于将第一入射激光5调节为平行光束，并调节第一入射激光5的光斑直径；所述的高功率激光器2与振镜单元之间设有第二准直透镜8，第二准直透镜8用于将第二入射激光6调节为平行光束，并调节第二入射激光6的光斑直径。通过控制第一准直透镜7和第二准直透镜8的位置，可实现对第一入射激光和第二入射激光光斑大小的精确控制。
上述低功率高光束质量激光器采用500W的光束质量M2小于1.1的纯单模激光器，经过第一准直透镜7调焦后，第一入射激光5变为光斑直径为100μm的平行光束，可以满足打印轮廓线时的精度要求；上述高功率激光器2使用5000W激光器，考虑到填充线的打印数量是轮廓线的100～1000倍，经过第二准直透镜8调焦后，第二入射激光6变为光斑直径为1000μm的平行光束，即调节后的第二入射激光6的光斑直径是调节后的第一入射激光5的光斑直径的10倍，进而成倍地提打印高填充线的效率。
所述的振镜单元通过调整反射角的方式使得反射后的第一入射激光5和第二入射激光6的路线重合。参照图3所示，所述振镜单元包括X轴振镜3和Y轴振镜4，X轴振镜3和Y轴振镜4均由电机调节倾斜角度，扫描轮廓线和填充线时，X轴振镜3的角度是不同的，第一入射激光5和第二入射激光6在不同角度的X轴振镜3反射后，第一入射激光5和第二入射激光6的路径重合，第一入射激光5和第二入射激光6再经过Y轴振镜4的反射，投影到打印工作面上。
采用上述双激光单振镜打印系统的打印方法，其包括以下步骤：
S1.设置低功率高光束质量激光器1、高功率激光器2和振镜单元，低功率高光束质量激光器1和高功率激光器2之间存在夹角θ，使得低功率高光束质量激光器1发出的第一入射激光5和高功率激光器2发出的第二入射激光6存在交点，所述的振镜单元设置在第一入射激光5和第二入射激光6的交点处；在低功率高光束质量激光器1和振镜单元之间设置用于调整光束的第一准直透镜7，第一入射激光5经过第一准直透镜7调整后，形成光斑直径为100μm的平行光束；高功率激光器2和振镜单元之间设置用于调整光束的第二准直透镜7，第二入射激光6经过第二准直透镜8调整后，形成光斑直径为1000μm的平行光束；
S2.参照附图4所示，当打印轮廓线时，开启低功率高光束质量激光器1，关闭高功率激光器2(此过程中，第二入射激光实际不存在，用虚线表示)，调整振镜单元的反射角度，第一入射激光5经过X轴振镜3和Y轴振镜4的反射后，投影在打印工作面上，进而采用第一入射激光5扫描轮廓线；
S3.参照附图5所示，当打印当打印填充线时，由于对光束质量无特别严格要求，因此可以使用更高功率的激光器，不必在意因为激光器光束质量的下降而导致零件表面质量不高的问题，开启高功率激光器2，关闭低功率高光束质量激光器1(此过程中，第一入射激光实际不存在，用虚线表示)，调整振镜单元的反射角度，第二入射激光6经过X轴振镜3和Y轴振镜4的反射后投影在打印工作面上，进而采用第二入射激光6扫描填充线。
步骤S2和步骤S3中，由于打印轮廓线和打印填充线时X轴振镜3的角度不同，根据光线反射定理，入射角等于出射角，则X轴振镜的角度差为两只激光器夹角的一半，即X轴振镜的角度差为θ/2，保证第一入射激光5和第二入射激光6在经过X轴振镜3反射后的路径是重叠的，不存在拼接问题，可以保证打印质量稳定可靠。
以上结合实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种双激光单振镜打印系统，其特征在于：其包括低功率高光束质量激光器、高功率激光器和振镜单元；所述的低功率高光束质量激光器在打印轮廓线时开启，用于向振镜单元发射第一入射激光；所述的高功率激光器在打印填充线时开启，用于向振镜单元发射第二入射激光；所述的第一入射激光和第二入射激光存在交点，所述的振镜单元设置在第一入射激光和第二入射激光的交点处，且第二入射激光的光斑直径大于第一入射激光的光斑直径；所述的振镜单元通过调整反射角的方式使得反射后的第一入射激光和第二入射激光的路线重合。
2.根据权利要求1所述的双激光单振镜打印系统，其特征在于：所述的低功率高光束质量激光器与振镜单元之间设有第一准直透镜，第一准直透镜用于将第一入射激光调节为平行光束，并调节第一入射激光的光斑直径；所述的高功率激光器与振镜单元之间设有第二准直透镜，第二准直透镜用于将第二入射激光调节为平行光束，并调节第二入射激光的光斑直径。
3.根据权利要求2所述的双激光单振镜打印系统，其特征在于：所述的低功率高光束质量激光器采用光束质量M2小于1.1的纯单模激光器。
4.根据权利要求2所述的双激光单振镜打印系统，其特征在于：所述的调节后的第二入射激光的光斑直径是调节后的第一入射激光的光斑直径的10倍。
5.根据权利要求1所述的双激光单振镜打印系统，其特征在于：所述的振镜单元包括X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜和Y轴振镜均由电机调节倾斜角度。
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