光束整形机构、激光光源系统、激光3D打印设备和方法技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种光束整形机构，所述光束整形机构用于激光加工设备，包括转轮和设置于所述转轮上的一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器；所述转轮上沿圆周方向设置有多个孔，所述孔的中心线平行于所述转轮的中心轴，各孔的中心线与所述转轮的中心轴的距离相等；所述光束整形器设置于所述孔处，所述光束整形器的光轴与光束整形器所处的孔的中心线重合。本发明专利技术实施例避免了单一模式的激光光束不适于实际工件的情况，提高了激光加工的效率和产品质量。

Beam shaping mechanism, laser light source system, laser 3D printing equipment and methods

【技术实现步骤摘要】
光束整形机构、激光光源系统、激光3D打印设备和方法
本专利技术属于光学
，具体涉及一种光束整形机构、激光光源系统、激光3D打印设备和方法。
技术介绍
激光光源发出的激光光束为高斯光束，需要根据实际情况对其进行光束整形，目前，包括激光加工设备在内的各类利用激光光源的设备所提供的激光光束大多模式单一，加工时，不能适合实际需求，特别在增材制造领域，问题更加突出。增材制造，俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。激光3D打印技术，包括选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术和选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)技术，是以金属材料及某些非金属材料为原料的增材制造的主要方法，现有技术中的激光3D打印技术的工作过程为，激光器发出激光光束，聚焦后产生激光光斑，利用激光的热效应对一层材料进行选择性熔化，被熔化的材料冷却后固化在一起形成零件的实体部分，逐层扫描，重复上述熔化-固化过程，直到叠加堆积成三维实体零件。国内外的相关研究表明，基于激光3D打印技术的打印零件普遍存在未熔、气孔率高或裂纹等质量问题，为克服上述技术问题，本领域的相关研究中多采用优化打印工艺参数的手段来提高零件性能，如优化激光功率、扫描速率、脉冲宽度、脉冲频率、搭接率、扫描策略、粉末预热、铺粉厚度等参数，优化打印工艺参数虽然能够使打印零件的质量有所改善，但上述技术问题却并未真正获得解决，打印零件的性能仍未能令人满意。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述利用激光光源的各类设备提供的激光光束模式单一、基于激光3D打印技术的打印零件普遍存在的未熔、气孔率高或开裂等质量问题的技术问题。本专利技术人在研究中首次发现，激光3D打印技术中，激光束的能量分布与零件的成型质量有很大关系。目前激光3D打印设备中，激光光源的光斑能量为高斯分布，激光光斑中央能量高，光斑边缘能量渐低，这种能量分布的特性是造成打印零件的未熔、气孔率高或裂纹等质量问题的重要原因。光斑中央能量密度过大，与热影响区形成大的温度梯度，熔池凝固与热影响区产生较大内应力，容易造成零件的变形或开裂；光斑边缘能量较低，造成粉末材料熔融不完全，导致未熔、气孔等缺陷。基于上述发现，本专利技术实施例提出了一种光束整形机构，所述光束整形机构用于激光加工设备，包括转轮和设置于所述转轮上的一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器；所述转轮上沿圆周方向设置有多个孔，所述孔的中心线平行于所述转轮的中心轴，各孔的中心线与所述转轮的中心轴的距离相等；所述光束整形器设置于所述孔处，所述光束整形器的光轴与光束整形器所处的孔的中心线重合。进一步，所述光束整形器包括平顶光斑模式整形器、凹陷光斑模式整形器、矩形光斑模式整形器、方形光斑模式整形器、环形光斑模式整形器、离焦光斑模式整形器、聚焦光斑模式整形器中的一个或多个。进一步，所述平顶光斑模式整形器、所述凹陷光斑模式整形器、所述矩形光斑模式整形器均为折衍混合光学系统。进一步，所述离焦光斑模式整形器为折射光学系统或折衍混合光学系统。进一步，所述聚焦光斑模式整形器为扩束光学系统。进一步，所述多个孔中的至少一个空置或者设置有不具有光束整形功能的透镜。本专利技术实施例还提出一种激光光源系统，所述激光光源系统用于激光加工设备，所述激光光源系统包括激光器和如上所述的光束整形机构，所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述转轮的中心轴与光轴的距离等于所述转轮的中心轴与各孔的中心线的距离，所述激光器发出的激光光束经所述光束整形机构后出射。本专利技术实施例还提出一种激光3D打印设备，所述激光3D打印设备包括沿光轴方向设置的激光器、准直系统和如上所述的光束整形机构，所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述准直系统对所述激光器发射的激光光束进行准直，所述准直系统出射的准直光经所述光束整形机构后出射。进一步，所述激光3D打印设备包括沿光轴方向设置的激光器、准直系统、如上所述的光束整形机构、扫描振镜和场镜。本专利技术实施例还提出一种激光3D打印方法，利用如上所述的激光3D打印设备，所述方法包括以下步骤：S1：将待打印区域划分成不同的打印区域；S2：根据不同的打印区域的具体情况，选择合适的光斑模式对所述不同的打印区域进行扫描，所述光斑模式的选择通过转动所述光束整形机构实现。本专利技术实施例的有益效果：本专利技术实施例利用独特的光束整形机构，使得激光加工中能够根据实际需要选择不同的光斑模式，提高了加工效率，拓展了激光加工设备的功能，提升了产品质量。特别是在激光3D打印中，实现了利用不同能量分布的激光光束作为激光3D打印的热源，可以调整激光光斑能量成平顶、凹陷或其它分布，使激光扫描熔池内的温度符合实际需要，获得了优异的技术效果：1)避免了高斯能量分布中心能量过高造成的材料气化，减弱了对材料成分的破坏；2)避免了高斯能量分布边缘能量过低造成材料未完全熔融，减少了零件内部未熔、气孔等缺陷；3)整形光束扫描熔道热影响区小，减弱了材料粘结对打印零件尺寸精度的影响；4)整形光束能量均匀时，熔池平整，零件在3D成形过程中熔道层-层间搭接平整均匀，避免了高斯能量分布光斑扫描熔道中间搭接率高，两侧搭接率不够，降低了因熔道层-层间过搭接或搭接不足引起的裂化；5)激光光束整形成矩形整形光束时，能够降低熔道道-道间搭接率，提高成形效率，可以降低因多次搭接造成的零件组织和力学性能的不均匀性；6)能够根据实际情况，切换多种光斑模式，利用不同的光斑模式扫描加热。附图说明图1是本专利技术实施例提出的光束整形机构示意图；图2是本专利技术实施例提出的激光3D打印设备结构示意图；图3是本专利技术实施例提出的激光3D打印方法中将待打印区域划分为不同的打印区域的示意图；图4是本专利技术实施例中激光光束经折衍混合激光整形后的光强分布示意图；图5是本专利技术实施例中激光光束经整形获得的平顶光斑和未经整形的高斯光斑光强剖面分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本专利技术并不局限于附图和以下实施例。<光束整形机构>参照图1，本专利技术实施例提出了一种光束整形机构100，该光束整形机构能够用于例如激光3D打印设备的激光加工设备，其包括圆盘状转轮1和一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器2，所述转轮1上沿圆周方向设置有多个孔3，所述孔3的中心线平行于所述转轮1的中心轴，各孔3的中心线与所述转轮1的中心轴的距离相等，所述光束整形器2包括一个或多个光学元件，光束整形器2设置于所述孔3处，光束整形器2的光轴与所述光束整形器所处的孔3的中心线重合，所述光束整形器2用于对激光器发出的激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束整形机构，所述光束整形机构用于激光加工设备，其特征在于，包括转轮和设置于所述转轮上的一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器；所述转轮上沿圆周方向设置有多个孔，所述孔的中心线平行于所述转轮的中心轴，各孔的中心线与所述转轮的中心轴的距离相等；所述光束整形器设置于所述孔处，所述光束整形器的光轴与光束整形器所处的孔的中心线重合。/n

【技术特征摘要】
1.一种光束整形机构，所述光束整形机构用于激光加工设备，其特征在于，包括转轮和设置于所述转轮上的一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器；所述转轮上沿圆周方向设置有多个孔，所述孔的中心线平行于所述转轮的中心轴，各孔的中心线与所述转轮的中心轴的距离相等；所述光束整形器设置于所述孔处，所述光束整形器的光轴与光束整形器所处的孔的中心线重合。


2.如权利要求1所述的光束整形机构，其特征在于，所述光束整形器包括平顶光斑模式整形器、凹陷光斑模式整形器、矩形光斑模式整形器、方形光斑模式整形器、环形光斑模式整形器、离焦光斑模式整形器、聚焦光斑模式整形器中的一个或多个。


3.如权利要求2所述的光束整形机构，其特征在于，所述平顶光斑模式整形器、所述凹陷光斑模式整形器、所述矩形光斑模式整形器均为折衍混合光学系统。


4.如权利要求2所述的光束整形机构，其特征在于，所述离焦光斑模式整形器为折射光学系统或折衍混合光学系统。


5.如权利要求2所述的光束整形机构，其特征在于，所述聚焦光斑模式整形器为扩束光学系统。


6.如权利要求1所述的光束整形机构，其特征在于，所述多个孔中的至少一个空置或者设置有不具有光束整形功能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林文雄，吴鸿春，林紫雄，翁文，黄见洪，戴殊韬，李锦辉，张政，张震奇，刘永德，张梓涵，
申请(专利权)人：福建国锐中科光电有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35