利用激光能再循环的增材制造制造技术

提供了增材制造系统、区域扫描激光系统以及用于执行增材制造过程的方法。一种示例性增材制造系统包括用于生产激光束的激光发生装置。此外，增材制造系统包括光学元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以编码激光束中的图像。而且，增材制造系统包括选择性光束分离器，其配置为将激光束的第一部分引导至待烧结或待熔化的材料上。增材制造系统包括再循环系统，其用于接收激光束的第二部分。

Increasing production by laser recirculation

The augmented manufacturing system, the area scanning laser system and the method for performing the augmented manufacturing process are provided. An exemplary additive manufacturing system includes a laser generating device for producing laser beams. In addition, the augmented manufacturing system includes an optical element for forming a first part of a laser beam with a first polarization and a second part of a laser beam with a second polarization different from the first polarization to encode an image in the laser beam. Furthermore, the replenishment manufacturing system includes a selective beam separator configured to guide the first part of the laser beam to a material to be sintered or to be melted. The additive manufacturing system includes a recirculation system for receiving the second part of the laser beam.

【技术实现步骤摘要】
利用激光能再循环的增材制造
技术介绍
本专利技术总体涉及增材制造，并且更具体地涉及利用激光束进行区域扫描的增材制造。用于金属或非金属部件的增材制造(AM)的新技术可以从根本上提高加工速度，以使增材制造在用于生产高容量部件上变得商业可行。目前的粉末床增材制造系统通常通过将薄层粉末沉积到构建区上，然后通过在部件的横截面上方扫描定向能量源(通常是点聚集激光)来选择性地烧结或熔化粉末成为固体层。区域扫描是增材制造的一项新进展，它通过用部件横截面的相对较大的子区域的高功率激光图像代替点聚集激光，改善烧结或熔化每个单层所需的时间。可以通过将一些数量的子区域拼接在一起来创建部件的每一层。基于现有的激光技术，每个子区域目前可从大约5mmx5mm升至大约75mmx75mm。这对于扫描点聚焦来说是一个巨大的收益，其可能是大约0.1mm直径的点。区域扫描是通过使用定制的非线性光学元件控制入射激光辐射的偏振来完成的。激光功率的来源是自然地单色的、相干的和平面偏振的。为了描述的目的，将假定偏振平面为垂直的。定制的非线性光学元件可以包括DC偏置源、透明电极、光导电涂层(在光谱的蓝色部分中有效)以及当施加静电场时延迟光的偏振的非线性材料。来自偏振激光的辐射引导到非线性光学元件上，该非线性光学元件与要被印刷的部件横截面的子区域的图像精确地一致。子区的图像通过将蓝色光源投射通过数字光投影(DLP)光学元件而形成。被照亮为蓝色的图像区域将导致光导电层导电，这又反过来将电势施加到非线性光学元件，使得穿过那些区域中的非线性光学材料的光的偏振被延迟。在未被蓝色照亮的区域中，非线性光学材料穿过所有光而不改变偏振。选择非线性材料的厚度使得延迟激光辐射的一半波长，这具有选择性地使入射偏振从垂直到水平旋转的效果。离开非线性光学元件的激光入射到强偏振相关的介电反射镜上。因此，垂直偏振将与水平偏振分离，并可用于烧结或熔化粉末并制造部件。为了使粉末烧结或熔化，粉末颗粒必须暴露于与扫描点聚集激光系统相似量的能量下，这些系统使用200-500W激光器和10mm/S的扫描速度。为了使用大面积技术获得类似的能量密度，激光功率需要在5-100KW范围内，并且激光交互时间需要为每个区域10mS。为了在实践中实现这些高功率，使用光束均化元件将多个较低功率激光器(每个～1KW)组合在一起。依据部件的横截面，每次发射中沉积在部件中的能量数量会有很大的变化，其范围将从百分之几到百分之百不等。这意味着5-100KW激光的很大一部分不用于增材制造工艺，而是放置在某种类型的冷光束收集器中。因此，期望提供用于在增材制造系统中再循环激光功率的系统。此外，期望提供用于减少增材制造工艺中的废物的方法。此外，根据随后的详细描述和所附权利要求，结合附图和
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，其它期望的特征和特性将变得显而易见。
技术实现思路
提供了增材制造系统、区域扫描激光系统以及用于执行增材制造过程的方法。一种示例性增材制造系统包括用于生产激光束的激光发生装置。此外，增材制造系统包括光学元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以编码激光束中的图像。而且，增材制造系统包括选择性光束分离器，其配置为将激光束的第一部分引导至待烧结或待熔化的材料上。增材制造系统包括再循环系统，其用于接收激光束的第二部分。另一实施例提供了一种区域扫描激光系统。区域扫描激光系统包括激光加工系统，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以编码激光束中的图像。而且，区域扫描激光系统包括构建腔，其用于接收待烧结或待熔化的材料和用于烧结或熔化材料的激光束的第一部分。此外，区域扫描激光系统包括再循环系统，其用于接收激光束的第二部分并用于再循环激光束的第二部分中的辐射能。在另一实施例中，一种用于执行增材制造过程的方法包括生产激光束。该方法形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以编码激光束中的图像。此外，该方法包括将激光束的第一部分引导至待烧结或待熔化的材料上。而且，该方法包括再循环激光束的第二部分。附图说明下文将结合以下附图描述本主题，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：图1是根据示例性实施例设置有用于再循环激光功率的再循环系统的增材制造系统的示意图；图2是用于再循环图1的激光功率的再循环系统实施例的示意图；图3是用于再循环图1的激光功率的再循环系统的另一实施例的示意图；以及图4是设置有用于再循环激光功率的再循环系统的另一个实施例的增材制造系统的示意图。具体实施方式以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本文要求保护的主题。此外，不意图受前面
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或以下详细描述中呈现的任何理论的限制。本文的实施例提供了激光功率在增材制造中的使用。更具体地说，本文的实施例提供激光功率的区域扫描。这种区域扫描提供了将图像投影到材料层上，诸如粉末，例如金属或非金属粉末，以烧结或熔化材料以形成待制造物品的层。在处理激光束以形成图像时，不会将激光的非选定部分引导至粉末层上，并且此前未使用。本文的实施例提供用于处理激光非选定部分以供在增材制造工艺内或外的进一步使用。因此，本文的实施例可通过再循环激光能量来提高增材制造系统的效率。来自基于激光的增材制造系统的废能可以通过使用热电发电机或通过将收集的激光束“再循环”回到过程中来进行再循环。因此，可以降低高生产率增材制造系统的运营成本。本文的实施例允许使用在100％输出下操作的非常高的功率进行增材制造，并且选择性地将一部分总功率传递到粉末床以烧结或熔化并形成复杂的三维部件。未用于烧结或熔化的剩余能量再循环使得该方法更高效且更具成本效益。实施例可以用于大体积增材工艺中，并且通过消除由点聚集激光方法所需的粉末重涂期间的激光中断造成的任何延迟来利用区域扫描激光系统的高产量能力。虽然本文描述的实施例基于处理金属，但本文的实施例可用于制造金属部件、塑料部件或陶瓷部件的系统中。图1是示出增材制造系统10的示意图。如图所示，增材制造系统10包括激光发生器12，诸如连续波(CW)激光发生器12，其用于产生激光束13，诸如连续波激光束13。在示例性实施例中，增材制造系统10包括用于产生多个激光束13的多个高功率激光发生器12。在示例性实施例中，激光发生器12可以以约5至约100千瓦(kW)的功率产生激光束。如图所示，增材制造系统10包括光束均化器16。激光束13作为输入接收至光束均化器16。光束均化器16收集和均化输入的激光束13。因此，光束均化器16从多个激光束13产生并输出较大的均化束17。在示例性实施例中，均化束17具有正方形横截面。此外，增材制造系统10包括脉冲激光发生器18。脉冲激光发生器18产生脉冲激光束19，其引入至均化束17中。脉冲激光束19可以为中等功率并用于控制构建腔中的烧结或熔化。在示例性实施例中，脉冲激光束19具有从约0.1至约2焦耳的功率、每脉冲具有从约0.1至约2赫兹(Hz)的重复率。增材制造系统10包括准直器24。如图所示，均化束17和脉冲激光束19形成由准直器24接收的处理束。准直器24从均化束17和脉冲激光束19形成准直光束25。在图1中，增材制造系统10还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造系统包括：激光发生装置，其用于生产激光束；光学元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于所述第一偏振的第二偏振的所述激光束的第二部分以编码所述激光束中的图像；选择性光束分离器，其配置为将所述激光束的所述第一部分引导至待烧结或待熔化的材料上；以及再循环系统，其用于接收所述激光束的所述第二部分。

【技术特征摘要】
2017.03.28 US 15/4718681.一种增材制造系统包括：激光发生装置，其用于生产激光束；光学元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于所述第一偏振的第二偏振的所述激光束的第二部分以编码所述激光束中的图像；选择性光束分离器，其配置为将所述激光束的所述第一部分引导至待烧结或待熔化的材料上；以及再循环系统，其用于接收所述激光束的所述第二部分。2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述再循环系统配置为将所述激光束的所述第二部分的辐射能转化为电能。3.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述再循环系统包括热电发电机，所述热电发电机配置为将来自所述激光束的能量转化为电能。4.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述再循环系统包括：热电发电机，其配置为将能量将来自所述激光束能量转化为电能；以及逆变器，其耦合至所述热电发电机。5.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述再循环系统包括：热电发电机，其配置为将来自所述激光束的能量转化为电能；逆变器，其耦合至所述热电发电机；以及功率总线，其耦合至所述逆变器以及至所述激光发生装置以向所述激光发生装置提供电力。6.如权利要求1所述的增材制造系统，进一步包括包含构建板的构建腔，其中所述再循环系统包括热电发电机，所述热电发电机配置为将来自所述激光束的能量转化为电能，并且其中所述电能被引导至所述构建板以加热所述构建板。7.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·A·佩里，B·E·卡尔森，J·J·诺尔蒂，H·蔡，J·P·斯派瑟，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US