TWI671965B - 用於積層製造的雷射裝置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種用於積層製造的雷射裝置及其操作方法，其中該用於積層製造的雷射裝置包含一雷射光射出單元、一分光單元、一控制單元及一鏡組單元，利用分光單元及鏡組單元的設計，將單一束雷射光分成兩道或以上之光束，可減少製程表面的粗度及縮短製程時間。

Description

用於積層製造的雷射裝置及其操作方法

本發明係關於一種雷射裝置及其操作方法，特別是關於一種用於積層製造的雷射裝置及其操作方法。

積層製造技術又稱3D列印或者快速成型。它是一種以數據模型資料為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料或者熔絲，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。目前常用的積層製造方法包含雷射粉床熔融、電子束粉床熔融、雷射同軸送粉及電弧熔絲成型。

其中的雷射粉床熔融成形技術作為一種新型積層製造技術，不需要傳統的模具、刀具、夾具及多道加工工序，在一台設備上可快速而精密地製造出任意複雜形狀的零件，從而實現自由製造，解決許多過去難以製造的複雜結構零件，並大大減少了加工工序，縮短了加工週期，而且愈是複雜結構產品，其優勢愈為凸顯。

然而，當前雷射粉床熔融的製程所需的製程時間長，利用雷射粉床熔融成型之平面表面較為粗糙(波浪狀)，而且所形成之元件容易因熱應力而產生熱變形。

因此，有必要提供改良的一種用於積層製造的雷射裝置及其操作方法，以解決上述習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種用於積層製造的雷射裝置及其操作方法，利用分光單元及鏡組單元的設計，將單一束雷射光分成兩道或以上之光束，可減少製程表面的粗度及縮短製程時間。

為達上述之目的，本發明提供一種用於積層製造的雷射裝置，包含一雷射光射出單元、一分光單元、一控制單元及一鏡組單元；該雷射光射出單元配置用以發射一雷射光；該分光單元配置用以接收該雷射光，並將該雷射光分光成多道光束；該控制單元電性連接該分光單元；該鏡組單元配置用以接收該等多道光束，並將該等多道光束朝一工作平台反射。

在本發明之一實施例中，該分光單元具有一光斑調變鏡組，該光斑調變鏡組設置在該雷射光射出單元的一下游側，配置用以接收該雷射光，並調整該雷射光的一光斑的尺寸。

在本發明之一實施例中，該分光單元另具有一雷射光分光鏡，該雷射光分光鏡設置在該光斑調變鏡組的一下游側，配置用以接收從該光斑調變鏡組射出的雷射光，並將該雷射光分光成該等多道光束。

在本發明之一實施例中，該分光單元另具有一旋轉單元，該雷射光分光鏡設置在該旋轉單元中，該旋轉單元配置用以使該雷射光分光鏡沿著從該光斑調變鏡組射出的雷射光的一光軸方向位移或旋轉。

在本發明之一實施例中，該分光單元另具有一間距調控鏡組，該間距調控鏡組設置在該雷射光分光鏡的一下游側，配置用以接收從該雷射光分光鏡射出的該等多道光束，並調整該等多道光束的一發散程度。

在本發明之一實施例中，該鏡組單元具有一掃描振鏡組，該掃描振鏡組設置在該間距調控鏡組的一下游側，配置用以接收從該間距調控鏡組射出的該等多道光束，使該等多道光束反射後沿一方向射往該工作平台。

在本發明之一實施例中，該鏡組單元另具有一聚焦鏡組，該聚焦鏡組設置在該掃描振鏡組的一出光側，配置用以將該等多道光束聚焦至同一平面。

在本發明之一實施例中，該雷射裝置是設置在一粉床熔融成型裝置的一光路系統中。

為達上述之目的，本發明提供一種用於積層製造的雷射裝置的操作方法，包含一備置步驟、一分光步驟及一反射步驟，在該備置步驟中，利用一雷射光射出單元產生一雷射光；在該分光步驟中，利用一分光單元將該雷射光分光成多道光束；在該反射步驟中，利用一鏡組單元將該等多道光束反射至一工作平台。

在本發明之一實施例中，在該分光步驟中，驅動該分光單元的一雷射光分光鏡沿著該雷射光的一光軸方向位移或旋轉。

如上所述，本發明用於積層製造的雷射裝置利用該分光單元及該鏡組單元的設計，將單一束雷射光分成兩道或以上之光束後，再聚焦照射在該工作平台上，其中依據製程、掃描策略的需求控制該等多道光束的光斑(聚焦點)之間距與排列方向，以達成單振鏡可調控多光束之雷射製程，可減少製程表面粗度及縮短製程時間，而能夠達到優化製程速度與精度之目的。

101‧‧‧雷射光

102‧‧‧光束

103‧‧‧工作平台

2‧‧‧雷射光射出單元

21‧‧‧雷射光產生器

22‧‧‧光準直器

3‧‧‧分光單元

31‧‧‧光斑調變鏡組

32‧‧‧雷射光分光鏡

33‧‧‧旋轉單元

331‧‧‧外殼

332‧‧‧定子

333‧‧‧空氣入口

34‧‧‧間距調控鏡組

4‧‧‧控制單元

5‧‧‧鏡組單元

51‧‧‧掃描振鏡組

52‧‧‧聚焦鏡組

X‧‧‧迴轉軸

W1‧‧‧間距

W2‧‧‧間距

D1‧‧‧間距

D2‧‧‧間距

S201‧‧‧備置步驟

S202‧‧‧分光步驟

S203‧‧‧反射步驟

第1圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的一示意圖。

第2圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的旋轉單元的一示意圖。

第3a及3b圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的多道光束發射至工作平台的一示意圖。

第4a及4b圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的多道光束發射至工作平台所實際呈現的態樣的一示意圖。

第5圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的以單次雷射掃描軌跡所實際呈現的態樣的一示意圖。

第6圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例的以二區雷射掃描軌跡所實際呈現的態樣的一示意圖。

第7圖是依據本發明用於積層製造的雷射裝置的操作方法的一較佳實施例的一流程圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最 上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，為本發明用於積層製造的雷射裝置的一較佳實施例。其中該雷射裝置是設置在一粉床熔融成型裝置的一光路系統中(未繪示)，而且該雷射裝置包含一雷射光射出單元2、一分光單元3、一控制單元4及一鏡組單元5。本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照第1圖所示，該雷射光射出單元2配置用以發射一雷射光101，其中該雷射光射出單元2具有一雷射光產生器21及一光準直器22(collimator)，其中該雷射光產生器21用以產生該雷射光101往該光準直器22射出，該光準直器22配置用以協助將該雷射光101的前進方向達到近乎平行直進程度的光(又稱準直光或平行光)。

請參照第1及2圖所示，該分光單元3配置用以接收該雷射光101，並將該雷射光101分光成多道光束102；該分光單元3具有一光斑調變鏡組31、一雷射光分光鏡32、一旋轉單元33及一間距調控鏡組34。

進一步來說，該光斑調變鏡組31設置在該雷射光射出單元2的一下游側，配置用以接收該雷射光101，並調整該雷射光101的一光斑的尺寸；該雷射光分光鏡32設置在該光斑調變鏡組31的一下游側，配置用以接收從該光斑調變鏡組31射出的雷射光101，並將該雷射光101分光成該等多道光束102。在本實施例中，該雷射光分光鏡32可為一個多光束分光繞射光學元件(Diffraction Optical Element,DOE)，該雷射光101分光成多道光束 102的數量為3道，但也可以依需求調整該等多道光束102的數量，例如：該等多道光束102的數量為3,5,7,9等奇數道的數量。

請參照第1及2圖所示，該雷射光分光鏡32設置在該旋轉單元33中，該旋轉單元33配置用以使該雷射光分光鏡32沿著從該光斑調變鏡組31射出的雷射光101的一光軸方向位移或旋轉。在本實施例中，該旋轉單元33可為一迴轉式中空馬達、或氣浮/磁浮式軸承，其中第2圖所示的該旋轉單元33為氣浮式軸承，具體來說，該旋轉單元33具有一外殼331、一定子332、多個空氣入口333，該定子332設置在該外殼331中，該等空氣入口333形成在該外殼331上，該雷射光分光鏡32位於該旋轉單元33中而且為一轉子。該旋轉單元33透過迴轉驅動與線性驅動馬達(未繪示)以及連結至該控制單元4(例如：電腦)的控制器進行驅動該旋轉單元33的迴轉轉速及線性位置的定位控制，其中該旋轉單元33內部可安裝該雷射光分光鏡32(如第2圖所示)，而形成一可迴轉軸心設計之旋轉機構，藉此讓該雷射光分光鏡32對於該旋轉單元33進行光束的迴轉。

續參照第1及2圖所示，該間距調控鏡組34設置在該雷射光分光鏡32的一下游側，配置用以接收從該雷射光分光鏡32射出的該等多道光束102，並調整該等多道光束102的一發散程度。

續參照第1及2圖所示，該控制單元4電性連接該分光單元3的光斑調變鏡組31、該旋轉單元33及該間距調控鏡組34，其中該控制單元4可控制該光斑調變鏡組31來調整該雷射光101的光斑的尺寸，在本實施例中，該光斑調變鏡組31是依光程的長短來改變光斑的聚焦位置，依據光軸方向進行光斑的大小調整。另外，該控制單元4也可控制該旋轉單元33沿著 該雷射光101的光軸方向位移或以光軸為軸心進行旋轉，例如：透過迴轉驅動及線性驅動馬達及控制器進行驅動該旋轉單元33的迴轉轉速及線性位置的定位控制，或者以該光軸為軸心進行正轉或反轉，該控制單元4還可控制該間距調控鏡組34來調整該等多道光束102的發散程度。

續參照第1及2圖所示，該鏡組單元5配置用以接收該等多道光束102，並將該等多道光束102朝一工作平台103反射，該鏡組單元5具有一掃描振鏡組51及一聚焦鏡組52，該掃描振鏡組51設置在該間距調控鏡組34的一下游側，配置用以接收從該間距調控鏡組34射出的該等多道光束102，使該等多道光束102反射後沿一方向射往該工作平台103；該聚焦鏡組52設置在該掃描振鏡組51的一出光側，配置用以將該等多道光束102聚焦至同一平面。

參照第1圖並配合第3a及3b圖所示，該雷射光分光鏡32射出的該等多道光束102，經過該間距調控鏡組34、該掃描振鏡組51及該聚焦鏡組52而透射至該工作平台103上，其中依第2道光束102的光斑之軸心為一迴轉軸X，透過驅動該旋轉單元33，該第1道光束102的光斑及第3道光束102的光斑可依該迴轉軸X為軸心進行迴轉及線性位置的定位控制，藉此調控該等多道光束102之間距與排列方向，例如：第3a圖所示的較寬間距，第1道及第2道光束102之間距W1，及第2道及第3道光束102之間距W2，實際投射如第4a圖的態樣；及第3b圖所示的較窄間距，第1道及第2道光束102之間距D1，及第2道及第3道光束102之間距D2，實際投射如第4b圖的態樣。另外，如第5圖所示，為單次雷射掃描軌跡(如實線所示)可同時掃描三條光束，與單一光束相比可節省約83%的雷射掃描時間。又如第6圖所示，為二區 (2-Zone)雷射掃描軌跡(如實線及虛線所示)，與單一光束相比可節省約66%的雷射掃描時間，並獲得較平坦的雷射軌跡。

依據上述的結構，當該雷射光101從該光準直器22射出之後，即透過該光斑調變鏡組31調整該雷射光101的光斑的尺寸，而後通過該雷射光分光鏡32將該雷射光101分成該等多道光束，再藉由該間距調控鏡組34調整因分光造成的該等多道光束間的發散程度；接著，透過該控制單元4控制該旋轉單元33動作，使該雷射光分光鏡32沿著該光軸方向進行位移，及以該光軸為軸心進行旋轉，藉此調控該等多道光束102之間距與排列方向；最後透過該掃描振鏡組51將該等多道光束反射至該工作平台103，同時，利用該聚焦鏡組52輔助將該等多道光束聚焦至同一平面來進行雷射加工作業。

如上所述，本發明用於積層製造的雷射裝置利用該分光單元3及該鏡組單元5的設計，將單一束雷射光分成兩道或以上之光束後，再聚焦照射在該工作平台103上，其中依據製程、掃描策略的需求控制該等多道光束的光斑(聚焦點)之間距與排列方向，以達成單振鏡可調控多光束之雷射製程，可減少製程表面粗度及縮短製程時間，而能夠達到優化製程速度與精度之目的。

請參照第7圖並配合第1圖所示，本發明用於積層製造的雷射裝置的操作方法的一較佳實施例，是利用上述用於積層製造的雷射裝置進行操作，該操作方法包含一備置步驟S201、一分光步驟S202及一反射步驟S203。本發明將於下文詳細說明各步驟的運作流程。

續參照第7圖並配合第1圖所示，在該備置步驟S201中，係利用一雷射光射出單元2產生一雷射光101，在本實施例中，是利用一雷射光產生器21產生該雷射光101往一光準直器22射出，再利用該光準直器22協助將該雷射光101的前進方向達到近乎平行直進程度的光。

續參照第7圖並配合第1圖所示，在該分光步驟S202中，係利用一分光單元3將該雷射光101分光成多道光束102，接著驅動該分光單元3的一雷射光分光鏡32沿著該雷射光101的一光軸方向進行位移，及以該光軸為軸心進行旋轉，藉此調控該等多道光束102之間距與排列方向。

續參照第7圖並配合第1圖所示，在該反射步驟S203中，係利用一鏡組單元5將該等多道光束反射至一工作平台103，在本實施例中，是利用一掃描振鏡組51將該等多道光束反射至該工作平台103，同時，利用一聚焦鏡組52輔助將該等多道光束聚焦至同一平面來進行雷射加工作業。

如上所述，本發明用於積層製造的雷射裝置的操作方法，將單一束雷射光分成兩道或以上之光束後，再聚焦照射在該工作平台103上，其中依據製程、掃描策略的需求控制該等多道光束的光斑(聚焦點)之間距與排列方向，以達成單振鏡可調控多光束之雷射製程，可減少製程表面粗度及縮短製程時間，而能夠達到優化製程速度與精度之目的。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種用於積層製造的雷射裝置，包含：一雷射光射出單元，配置用以發射一雷射光；一分光單元，配置用以接收該雷射光，並透過多光束分光繞射光學元件將該雷射光分光成多道光束；一控制單元，電性連接該分光單元；及一鏡組單元，配置用以接收該等多道光束，並將該等多道光束朝一工作平台反射。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該分光單元具有一光斑調變鏡組，該光斑調變鏡組設置在該雷射光射出單元的一下游側，配置用以接收該雷射光，並調整該雷射光的一光斑的尺寸。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該分光單元另具有一雷射光分光鏡，該雷射光分光鏡設置在該光斑調變鏡組的一下游側，配置用以接收從該光斑調變鏡組射出的雷射光，並將該雷射光分光成該等多道光束。
4. 如申請專利範圍第3項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該分光單元另具有一旋轉單元，該雷射光分光鏡設置在該旋轉單元中，該旋轉單元配置用以使該雷射光分光鏡沿著從該光斑調變鏡組射出的雷射光的一光軸方向位移或旋轉。
5. 如申請專利範圍第3項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該分光單元另具有一間距調控鏡組，該間距調控鏡組設置在該雷射光分光鏡的一下游側，配置用以接收從該雷射光分光鏡射出的該等多道光束，並調整該等多道光束的一發散程度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該鏡組單元具有一掃描振鏡組，該掃描振鏡組設置在該間距調控鏡組的一下游側，配置用以接收從該間距調控鏡組射出的該等多道光束，使該等多道光束反射後沿一方向射往該工作平台。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該鏡組單元另具有一聚焦鏡組，該聚焦鏡組設置在該掃描振鏡組的一出光側，配置用以將該等多道光束聚焦至同一平面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於積層製造的雷射裝置，其中該雷射裝置是設置在一粉床熔融成型裝置的一光路系統中。
9. 一種用於積層製造的雷射裝置的操作方法，該操作方法包含：一備置步驟，利用一雷射光射出單元產生一雷射光；一分光步驟，利用一分光單元將該雷射光透過多光束分光繞射光學元件分光成多道光束；及一反射步驟，利用一鏡組單元將該等多道光束反射至一工作平台。
10. 如申請專利範圍第9項所述之用於積層製造的雷射裝置的操作方法，其中在該分光步驟中，驅動該分光單元的一雷射光分光鏡沿著該雷射光的一光軸方向位移或旋轉。