CN220679377U - 增材制造用激光束振动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于3D打印领域，涉及一种增材制造用激光束振动装置，包括光路振动装置；光路振动装置包括反射镜以及与反射镜固定的激振器，反射镜设置在激光器的出射光路上；激振器带动反射镜振动。本实用新型提供了一种空间布局好、结构简单、响应快、能够实现聚焦光斑的能量抖动以及能对熔池形成高速搅拌的增材制造用激光束振动装置。

Description

增材制造用激光束振动装置

技术领域

本实用新型属于3D打印领域，涉及一种激光束振动装置，尤其涉及一种增材制造用激光束振动装置。

背景技术

在金属3D打印过程中，往往需要通过额外的振动装置并直接作用于粉末/丝材或者熔池，从而实现对熔池的振动搅拌作用，如公开号是CN109604603A的发明申请中，公开了一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置，该装置是利用超声振动头通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；再例如，公开号是CN 114632944 A的发明申请中公开了一种基于多能场的异种材料增材制造方法，其中，在丝材一侧安装超声波振动装置，使丝材产生超声振动。

目前，通过激光振动实现熔池的振动搅拌作用的研究较为欠缺，如公开号是CN111590198A的发明申请中公开了利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，其中，特种机电模块能够带动聚焦镜超高频的微震荡，输出的光斑直径随着聚焦镜振幅的变化而实时变化，可以实现光斑形态的高响应调节，其特点是光斑中心位置不变，通过改变光斑直径即光斑大小来改善熔池状态，该方案的缺点是：光斑中心位置不变，作用点固定，对熔池的改善作用不明显。再例如，公开号是CN114535609A的发明申请中，公开了一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法，利用两个彼此垂直安装的高频扭转振镜的相互扭转，带动激光束实现高频小振幅的任意方向的振动，从而产生超高频振动激光束，该方案的缺点是：1)需要两个扭转振镜，且两个扭转振镜垂直安装，空间布局性差；2)高频扭转机构为压电超声扭转机构或机械超声扭转机构，需要把直线运动转换成振镜的扭转运动，结构复杂，控制难度大，响应时间长，影响成形效率；3)经扭转运动后，反射的光束位置变化速度为非线性，控制难度大，且由于光路反射导致光路转角是机械转角的两倍，故也会放大误差，导致控制精度变差，从而影响振动效果。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种空间布局好、结构简单、响应快、能够实现聚焦光斑的能量抖动以及能对熔池形成高速搅拌的增材制造用激光束振动装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述增材制造用激光束振动装置包括光路振动装置；所述光路振动装置包括反射镜以及与反射镜固定的激振器，反射镜设置在激光器的出射光路上；所述激振器带动反射镜振动。

上述反射镜是一组或多组。

上述反射镜是多组时，所述激振器的数量与反射镜的数量相对应，多组反射镜沿激光器的出射光路依次设置。

上述反射镜是多组时，所述反射镜包括第一反射镜以及第二反射镜；第一反射镜所在平面与第二反射镜所在平面平行；所述第一反射镜置于激光器的出射光路上；所述第二反射镜置于经第一反射镜后所形成的反射光的光路上。

上述反射镜是多组时，所述反射镜包括第一反射镜以及第二反射镜；第一反射镜所在平面与第二反射镜所在平面之间设置有夹角；所述第一反射镜置于激光器的出射光路上；所述第二反射镜置于经第一反射镜后所形成的反射光的光路上。

上述激振器的振动频率为20kHz～400kHz，振幅为1um～100um。

上述激振器是超声波激振器、电磁激振器或压电式激振器。

上述光路振动装置是一路或多路，所述光路振动装置是多路时，多路光路振动装置相并行。

上述增材制造用激光束振动装置还包括扩束镜；

所述扩束镜置于激光器和光路振动装置之间；

或者，

所述激光器、光路振动装置以及扩束镜沿激光器的出射光路自前而后依次设置。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种增材制造用激光束振动装置，包括光路振动装置；光路振动装置包括反射镜以及与反射镜固定的激振器，反射镜设置在激光器的出射光路上；激振器带动反射镜振动。本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置安装布置自由，在现有技术上升级改造难度小。通过空间布置的两个反射镜的直线往复振动，即可实现光束的全方向超高频、小振幅振动。本实用新型是直线往复运动，可以不垂直安装、无需将直线运动转换为扭转运动，因此有空间布局性好、结构简单，控制容易、响应快、误差小、精度高等优点。与传统熔池产生振动作用不同，本实用新型是粉末自身不振动，通过光束机械振动，实现聚焦光斑的能量抖动，促使熔池非接触式振动，从而对熔池形成高速搅拌，降低零件孔隙率，增加零件致密度，提高成形质量达到改善熔池状态的目的。

附图说明

图1是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(单镜单方向)在实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(单镜单方向)在实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(多镜单方向)在实施例3的结构示意图；

图4是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(多光路)在实施例3的结构示意图；

图5是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(多镜全方向)在实施例4的结构示意图；

图6是本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置(多光路)在实施例4的结构示意图；

其中：

1-激光器；2-准直镜；3-扩束镜；4-第一反射镜；5-第一激振器；6-振镜；7-场镜；8-粉床；9-第二反射镜；10-第二激振器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所提供的技术方案做详细说明。

实施例1

参见图1，本实用新型提供了一种增材制造用激光束振动装置包括激光器1、准直镜2、扩束镜3、第一反射镜4、第一激振器5、振镜6以及场镜7，其中，准直镜2、扩束镜3、第一反射镜4、振镜6以及场镜7沿激光器1的出射光所在光路自前而后依次设置；第一激振器5固定设置在第一反射镜4上。

第一激振器5的振动频率为20kHz～400kHz，振幅为1um～100um。成形材料的熔点和振动频率成反比，成形粉末的粒径和振幅成正比，如：当成形材料的熔点为980℃，粉末粒径D90为30um时，选则振动频率为300kHz、振幅为3um的激振器。第一激振器5可以是超声波激振器、电磁激振器或压电式激振器，在本实施例中，示例性的，第一激振器5选择超声波激振器。由于第一激振器5可以产生超高频以及小振幅的振动，同时第一激振器5与第一反射镜4固定相连，因此，第一激振器5带动第一反射镜4做同步进行超高频以及小振幅振动，即，第一反射镜4的振动频率和振幅与第一激振器5的振动频率和振幅是相同。

激光器1所产生的激光光束通过第一反射镜4反射后，由于第一反射镜4在第一激振器5的作用下会产生超高频以及小振幅振动作用，因此，从第一反射镜4反射至振镜6的激光束也产生相应的振动，更进一步，在经过场镜7聚焦后形成的光斑也会产生高频率、小振幅“抖动”，最终实现聚焦光斑在粉床8上的能量抖动，从而对粉床8上的熔池形成高速搅拌。本实施例有且采用一块反射镜，通过一个激振器的作用，最终实现激光束单镜单方向的振动效果。

实施例2

本实施例与实施例1的结构基本相同，均是采用一块反射镜，通过一个激振器的作用，最终实现激光束单镜单方向的振动效果。但与实施例1所不同的是，扩束镜3与第一反射镜4的位置。即，本实施例所提供的增材制造用激光束振动装置包括激光器1、准直镜2、第一反射镜4、扩束镜3、第一激振器5、振镜6以及场镜7，其结构请参见图2所示。其中，准直镜2、第一反射镜4、扩束镜3、振镜6以及场镜7沿激光器1的出射光所在光路自前而后依次设置；第一激振器5固定设置在第一反射镜4上。其他作用方式及原理与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上做的变形或延伸，与实施例1所不同的是，本实施例中采用两块反射镜，同时采用的激振器也是两个。参见图3，本实施例所提供的增材制造用激光束振动装置，具体包括激光器1、准直镜2、扩束镜3、第一反射镜4、第一激振器5、第二反射镜9、第二激振器10、振镜6以及场镜7，准直镜2、扩束镜3、第一反射镜4、第二反射镜9、振镜6以及场镜7沿激光器1的出射光所在光路自前而后依次设置；第一激振器5固定设置在第一反射镜4上，第二激振器10固定设置在第二反射镜9上。

第一反射镜4和第二反射镜9平行设置，能够确保从第二反射镜9的出射激光束所在方向与入射至第一反射镜4的入射激光束所在方向相同，提升空间布局。同时，由于第一反射镜4和第二反射镜9平行，最终实现一个方向上的振动。

第二激振器10和第一激振器5可以是相同种类的激振器，或者采用完全不相同种类的激振器，例如，第一激振器5采用超声波激振器，第二激振器10采用电磁激振器或压电式激振器。示例性的，本实施例中所采用的第一激振器5与第二激振器10均采用电磁激振器。

本实施例的工作原理与实施例1基本相同，所不同的是入射至第一反射镜4的激光光束在经过第一反射镜4反射后(第一次振动)，直接入射至第二反射镜9上(第二次振动)，最终将从第二反射镜9反射的激光光束(有振动)依次入射至振镜6以及场镜7，在经过场镜7聚焦后形成的光斑也会产生高频率、小振幅“抖动”，最终实现聚焦光斑在粉床8上在一个方向上的能量抖动，从而对粉床8上的熔池形成高速搅拌。

当然，本实施例还可以根据实施例2的结构进行设置，其功能及工作方式在此不再赘述。

参见图4，是在图3的基础上进行的扩展。与图3所示的结构不同的是，在图4中，增材制造用激光束振动装置包括由多个激光器1所产生的多路激光光束，多路激光光束上均设置第一反射镜4和第二反射镜9，第一反射镜4和第二反射镜9平行设置，通过多路激光光束，可实现单方向大面积(多个光路相互并行，例如以矩阵的方式排布，最终形成大面积)的能量抖动。

实施例4

本实施例与实施例3的结构基本相同，所不同的是第一反射镜4和第二反射镜9为空间布置，即采用非平行的方式设置，其结构请参见图5所示。

入射至第一反射镜4的激光光束(以下简称第一入射光)所在的轴线和第一反射镜4的镜面之间的线面夹角是45°，第一入射光经第一反射镜4反射后形成第一反射光，第一反射光到达第二反射镜9并经第二反射镜9反射形成第二反射光，第二反射镜9的反射面和第一反射光所在轴线之间的线面夹角是45°，且第二反射光所在轴线与第一入射光所在轴线和第一反射光所在轴线构成的面构成线面垂直，此时，第一反射镜4镜面法线和第二反射镜9镜面法线夹角为120°。第一激振器5可带动第一反射镜4做沿第一反射镜4镜面法线方向的超高频、小振幅振动；与此同时，第二激振器10可带动第二反射镜9做沿第二反射镜9镜面法线方向的超高频、小振幅振动，当第一反射镜4振动时，第一反射光会沿着第一反射镜4出射方向的法向同步振动，同理，当第二反射镜9振动时，第二反射光在上述振动的基础上沿着第二反射镜9出射方向的法向同步振动，由于第二反射光所在轴线与第一入射光所在轴线和第一反射光所在轴线构成的面构成线面垂直，故在第一反射镜4和第二反射镜9的联合作用下，可实现光束的全方向振动。

参见图6，是在图5所示增材制造用激光束振动装置的基础上做的变形或延伸，即，图6所采用的结构包括至少两路图5所示的结构，工作过程与图5所示的增材制造用激光束振动装置的工作过程相同，不再赘述。

基于本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置在进行增材制造时，首先，在激光出光之前，打开激振器，激振器产生高频振动，带动反射镜振动；开启激光器，由激光器产生激光光束，激光光束通过包括反射镜在内的光学元件，进行聚焦，供给能量；激光器配合振镜扫描过程，进行开关，振镜扫描完成本层制造所需的所有扫描后，激光器关闭；关闭激振器，激振器不产生高频振动，反射镜也不振动；重复前述步骤，完成每层制造。

本实用新型所提供的增材制造用激光束振动装置，区别于常规的熔池高频振动，而是让光束能量“振动”，从而改善熔池状态。

Claims (7)

1.一种增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述增材制造用激光束振动装置包括光路振动装置；所述光路振动装置包括反射镜以及与反射镜固定的激振器，反射镜设置在激光器的出射光路上；所述激振器带动反射镜振动；所述反射镜是一组或多组；所述反射镜是多组时，所述激振器的数量与反射镜的数量相对应，多组反射镜沿激光器的出射光路依次设置。

2.根据权利要求1所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述反射镜是多组时，所述反射镜包括第一反射镜以及第二反射镜；第一反射镜所在平面与第二反射镜所在平面平行；所述第一反射镜置于激光器的出射光路上；所述第二反射镜置于经第一反射镜后所形成的反射光的光路上。

3.根据权利要求1所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述反射镜是多组时，所述反射镜包括第一反射镜以及第二反射镜；第一反射镜所在平面与第二反射镜所在平面之间设置有夹角；所述第一反射镜置于激光器的出射光路上；所述第二反射镜置于经第一反射镜后所形成的反射光的光路上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述激振器的振动频率为20kHz～400kHz，振幅为1um～100um。

5.根据权利要求4所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述激振器是超声波激振器、电磁激振器或压电式激振器。

6.根据权利要求5所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述光路振动装置是一路或多路，所述光路振动装置是多路时，多路光路振动装置相并行。

7.根据权利要求6所述的增材制造用激光束振动装置，其特征在于：所述增材制造用激光束振动装置还包括扩束镜；

所述扩束镜置于激光器和光路振动装置之间；

或者，

所述激光器、光路振动装置以及扩束镜沿激光器的出射光路自前而后依次设置。