一种多光束增材制造设备及方法技术

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，其公开了一种多光束增材制造设备及方法，所述设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，激光束产生及控制模块与增材制造装置相对设置，增材制造装置包括成形平台及成形缸，成形缸连接于成形平台；激光束产生及控制模块包括激光器、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台，正棱锥镜的底面设置在安装平台上，其与激光器相对设置；激光器设置在正棱锥镜的上方；多个扩束准直及扫描系统绕正棱锥镜的中心轴均匀排布；聚焦系统位于扩束准直及扫描系统及出光口之间，且聚焦系统位于扩束准直及扫描系统下方。本发明专利技术较低了成本，提高了效率，适用性较强。

A multi beam additive manufacturing equipment and method

【技术实现步骤摘要】
一种多光束增材制造设备及方法
本专利技术属于增材制造相关
，更具体地，涉及一种多光束增材制造设备及方法。
技术介绍
作为最具潜力的一种增材制造方法，金属增材制造技术基于零件三维模型，以金属粉末/丝材为原料，在高能束流的作用下，以分层熔化、逐层叠加的方式直接制造致密的金属零件。由于能实现几乎任意复杂形状金属零件的整体制造成形，因此该技术在航空航天、武器装备、医疗等领域具有重要的应用价值。然而，成形效率以及成形零件尺寸偏小限制了该技术的快速发展以及应用范围。因此，多能束增材制造技术成为研究的热点，它是通过使用多个能束同时扫描或者分区扫描的方式实现大尺寸宽幅面的快速成形。然而，在目前的多光束增材制造技术中，普遍是通过增加激光器的数量来扩大成形幅面，该方法过程复杂、不易实现，而且每个激光束的能量利用率较小；同时，由于相互干涉等原因，目前还不能实现每束激光都能对整个幅面进行扫描加工的效果；另一个方面，目前的多光束增材制造装配体积较大，造价成本较高，难以得到大规模的应用。目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如中国专利201680034015.7采用多个激光器阵列实现多光束同时成形，该装备中单光束只能针对各自的区域进行扫描加工。另一方面，各成形区域存在部分搭接区域，每束激光并不能对整个成形区域进行加工。又如中国专利201510104702.9提出采用多个电子束和激光束复合扫描的方法实现增材制造，该方法也是通过阵列电子束发生器以及激光器来提高成形装配效率和扩大成形幅面，同样每个能束并不能辐照整个成型区域，而且装备复杂，成本较高，再如专利201810403444.8采用多个激光器配套多个振镜扫描系统，同样每个激光束分区扫描，扫描区间之间存在部分搭接区域。相应地，本领域存在着发展一种成本较低的多光束增材制造设备及方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多光束增材制造设备及方法，其基于现有多光束增材制造的特点，研究及设计了一种成本较低、效率较高的多光束增材制造设备及方法。所述设备通过采用正棱锥镜均匀分光系统与扫描系统相相结合的方法，高功率激光束经过正棱锥镜的顶点被均匀地分成若干个激光束，每个激光束经过棱锥镜的侧面射出，再通过对应的扩束准直和扫描系统、聚焦系统，最后从相应的出光口射出辐照粉末，实现多个激光束同时扫描加工。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多光束增材制造设备，该制造设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，所述激光束产生及控制模块与所述增材制造装置相对设置，所述增材制造装置包括成形平台及成形缸，所述成形缸连接于所述成形平台；所述激光束产生及控制模块包括激光器、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台，所述正棱锥镜的底面设置在所述安装平台上，其与所述激光器相对设置；所述激光器设置在所述正棱锥镜的上方；多个所述扩束准直及扫描系统绕所述正棱锥镜的中心轴均匀排布；所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统及所述出光口之间，且所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统下方；所述激光器用于向所述正棱锥镜发射一束激光束；所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束；多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台上的粉末以进行激光选区熔化成形。进一步地，所述激光器的中心轴与所述正棱锥镜的中心轴重合。进一步地，所述扩束准直及扫描系统的数量、所述聚焦系统的数量及所述出光口的数量相同。进一步地，所述正棱锥镜为正n棱锥镜，n为大于等于3的正整数。进一步地，所述正棱锥镜为正三棱锥镜、正四棱锥镜或者正五棱锥镜。进一步地，所述正棱锥镜的倾角α的角度为0<α<90°。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种多光束增材制造方法，所述方法包括以下步骤：(1)提供如上所述的多光束增材制造设备，并将所述成形缸内腔进行抽真空或者填充惰性气体；(2)预先在所述成形平台上铺设一层粉末；(3)所述激光器发射出激光束，所述正棱锥镜将所述激光束均匀分成多束激光束，多束激光束分别依次通过多个所述扩束准直与扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口，并辐照在所述粉末上以进行激光选区熔化成形，待当前层成形完毕之后，所述成形缸下降一个层厚的高度；(4)重复步骤(2)及步骤(3)，直至完成实体零件的成形。进一步地，通过采用不同倾角的正棱锥镜来调节激光束的扫描区域的范围大小，以使得被分后的每束激光束能单独对成型区域进行单独全覆盖扫描加工或者对成形区域进行分区扫描加工。进一步地，所述正棱锥镜的种类由需要的激光束的数量确定。进一步地，所述正棱锥镜的倾角为30°、45°、60°或者75°。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的多光束增材制造设备及方法主要具有以下有益效果：1.所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束，多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台上的粉末以进行激光选区熔化成形，采用正棱锥镜分光的方式实现多光束同时加工，且每束激光束能够扫描整个成形幅面，同时每束激光可以单独/协同的工作，降低了成本，提高了效率及灵活性，适用性较强。2.本专利技术采用分光的方法将单束高功率激光束分成多束激光进行同时加工，与传统的单光束成形装置相比，多光束同时扫描加工大大地提高了装置的成形效率，同时多束激光扫描加工明显的扩大了成形幅面的大小；另一方面，现有的激光增材制造装备中，使用时激光的功率一般在总功率的60％左右，能量利用率不高，通过上述分光的方法，每束激光束可达到90％以上的利用率，相比之下，提高了单个激光束的能量利用率。3.本专利技术由于采用单个高功率激光束输入(一台激光器)便可以实现多光束同时加工，相比之下，容易实现、可控性强，而且将激光器的数量减少数倍，制造成本更低。4.本专利技术采用棱锥镜配套扫描系统进行多光束同时扫描加工，通过控制棱锥镜的侧面倾角可以快速地调节成形幅面的尺寸，实现大、中、小幅面的快速调节，操作简便。5.本专利技术采用侧面完全一致的正棱锥镜进行均匀分光，因此每个激光束的光束质量近乎完全相同，加工零部件时不存在区域的差异性，保证了整体零部件性能的一致性和优异性，而现有的多光束增材制造装备难以保证多个激光器射出的激光完全一致，从而也会导致成形的零部件的不同位置具有差异性。附图说明图1是本专利技术第一实施方式提供的多光束增材制造设备的成形示意图；图2是图1中的多光束增材制造设备的激光束产生及控制模块的示意图；图3中的(a)、(b)、(c)分别是本专利技术第二实施方式提供的多光束在增材制造设备涉及的三种棱锥镜的结构示意图；图4中的(a)、(b)、(c)分别是图3中的三种棱锥镜沿另一个角度的示意图；图5中的(a)、(b)、(c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多光束增材制造设备，其特征在于：/n所述设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，所述激光束产生及控制模块与所述增材制造装置相对设置，所述增材制造装置包括成形平台(3)及成形缸(8)，所述成形缸(8)连接于所述成形平台(3)；/n所述激光束产生及控制模块包括激光器(9)、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台(14)，所述正棱锥镜的底面设置在所述安装平台(14)上，其与所述激光器(9)相对设置；所述激光器(9)设置在所述正棱锥镜的上方；多个所述扩束准直及扫描系统绕所述正棱锥镜的中心轴均匀排布；所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统及所述出光口之间，且所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统下方；/n所述激光器(9)用于向所述正棱锥镜发射一束激光束；所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束；多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台(3)上的粉末以进行激光选区熔化成形。/n

【技术特征摘要】
1.一种多光束增材制造设备，其特征在于：
所述设备包括增材制造装置及至少一个激光束产生及控制模块，所述激光束产生及控制模块与所述增材制造装置相对设置，所述增材制造装置包括成形平台(3)及成形缸(8)，所述成形缸(8)连接于所述成形平台(3)；
所述激光束产生及控制模块包括激光器(9)、多个扩束准直及扫描系统、多个聚焦系统、多个出光口、正棱锥镜及安装平台(14)，所述正棱锥镜的底面设置在所述安装平台(14)上，其与所述激光器(9)相对设置；所述激光器(9)设置在所述正棱锥镜的上方；多个所述扩束准直及扫描系统绕所述正棱锥镜的中心轴均匀排布；所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统及所述出光口之间，且所述聚焦系统位于所述扩束准直及扫描系统下方；
所述激光器(9)用于向所述正棱锥镜发射一束激光束；所述正棱锥镜用于将所述激光束均匀分成多束激光束；多束激光束依次分别通过多个所述扩束准直及扫描系统、多个所述聚焦系统及多个所述出光口后同时辐照所述成形平台(3)上的粉末以进行激光选区熔化成形。


2.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述激光器(9)的中心轴与所述正棱锥镜的中心轴重合。


3.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述扩束准直及扫描系统的数量、所述聚焦系统的数量及所述出光口的数量相同。


4.如权利要求1所述的多光束增材制造设备，其特征在于：所述正棱锥镜为正n棱锥镜，n为大于等于3的正整数。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王泽敏，孟梁，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42