基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法技术

本发明专利技术公开了基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，该方法包括：步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。本发明专利技术最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。

Metal selective melting forming method based on laser spot patterned output

【技术实现步骤摘要】
基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法
本专利技术涉及金属激光加工
，具体涉及基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法。
技术介绍
现阶段金属激光增材制造中较为成熟的技术有SLM和LMDF，分别为点扫描式和线扫描式，也称之为激光点阵和线阵熔融制造技术。点阵扫描及线阵扫描烧结的粉末层间连接过于规律，各项同性难于满足，制件性能不易保证，也易出现制件缺陷情况；同时，点阵和线阵的加工方法需要振镜不断摆动与场镜配合完成“由点及线，由线及面”的扫描任务，速度相对较低，目前已有的铺粉式金属激光增材制造工艺在搭载点扫描或线扫描时，生产效率和工件片层质量均受到影响。传统的点/线扫描方式需要对扫描方向、扫描路径和扫描间距等进行设计规划，导致金属工件片层上各向异性，虽然传统的点线扫描方式在每个切片层扫描时采取了转角处理，但仍存在部分各项同性。在该
，面阵扫描一直是国内技术空白，随着航空航天领域对以高温合金及钛合金等金属为材料的精密零件的加工制造质量要求和数量要求越来越高，面阵扫描烧结作为一项具有优势的加工技术，逐渐被重视起来。亟需研究并发展一种基于面阵扫描的金属选区熔化成形技术，以适应金属激光加工
的快速发展。
技术实现思路
本专利技术提供了解决上述问题的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法。本专利技术通过下述技术方案实现：基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，该方法包括：步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。本专利技术通过设置的预调整光路对激光器发射的激光光束进行预调制，获得初始种子光，并将该初始种子光输入到空间光调制器进行图案调制，根据输入到空间光调制器的控制系统中的金属模型切片，空间光调制器将输入的初始种子光调制成与金属模型切片形状对应的图案化种子光，再将该图案化种子光投射到铺有金属粉末的基板上，进行金属粉末面阵烧结，实现了同一平面上所有点位同时熔融烧结，没有先后顺序，没有方向与路径设定，最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。为了便于空间光调制器更好的实施图案化调整，本专利技术通过设置如下光路对输入到空间光调制器的入射激光光束进行预调制。优选的，本专利技术的步骤一中对激光器发射的激光光束进行光斑预调制具体包括：步骤1.1，采用激光器发射激光光束；步骤1.2，对发射的激光光束进行偏振处理；步骤1.3，将偏振处理之后的激光光束经四分之一波片对偏振态旋转；步骤1.4，将偏振态旋转后的激光光束经光阑进行视场限制，得到初始种子光作为空间光调制器的入射光。进一步，本专利技术的步骤1.2中发射的激光光束输入至偏振镜的入偏角为0°。进一步，本专利技术的步骤1.4中通过光阑将激光光束的视场范围限定为尺寸小于等于6mm的正方形，或者直径小于等于6mm的圆形。优选的，本专利技术的步骤一中入射激光光束与空间光调制器液晶板表面的夹角小于等于6°。优选的，本专利技术的步骤二中对金属模型切片的预处理具体包括：将金属模型切片进行灰度处理，得到二值灰度图，分辨率为200x200。为了提高成型质量，优选的，本专利技术的步骤三采用泵浦源和增益介质对空间光调制器输出的图案化种子光进行功率放大。同时本专利技术还能够通过调节泵浦源的功率实现投射到基板上的图案化种子光的功率密度调节。优选的，本专利技术的增益介质设置在空间光调制器与铺有金属粉末的基板之间，即经空间光调制器调制输出的种子光通过增益介质放大之后，再投射到铺有金属粉末的基板上。优选的，本专利技术的增益介质为Nd：YVO4,；所述泵浦源采用5xxnm泵浦源。优选的，本专利技术的步骤三中通过调节泵浦源功率、图案化种子光功率或者图案化种子光光斑大小，实现投射到基板上的激光功率密度的调节。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术相较于现有技术，通过空间光调制器对激光光束截面形状进行调制，输出预设形状的光斑，将光斑焦点投射到铺有金属粉末的基板上，实现了同一平面上所有点位同时熔融烧结，没有先后顺序，没有方向与路径设定，最大程度的避免了因路径规划过于规则而导致的金属工件片层上各向异性，进而提高了成型质量。2、本专利技术相较于现有技术，能够一次激光成型或少数次的对焦下成型，能够有效提升成型效率。3、本专利技术通过空间光调制器获得的输入光斑整形调制、通过Matlab软件或人工处理三维实体模型横向切片、通过将输出的面状光斑引至基板表面，实现粉末表面激光光斑面状成像，本专利技术创新专利技术了效率更高、速度更好、加工质量更好的面阵扫描制备技术，使待加工工件的横截面上各向同性更好，使得加工速度和效率得到提升，且本专利技术对于发展国内面阵激光选区熔融成形制造技术具有重要推广价值。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术的方法流程图。图2为本专利技术的光路结构示意图。图3为采用本专利技术对6061材料的成形曝光温度场模拟。具体实施方式在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所专利技术的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本专利技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。在本专利技术的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。在本专利技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本专利技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，该方法包括：/n步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；/n步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；/n步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。/n

【技术特征摘要】
1.基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一，对激光光束进行光斑预调制，得到初始种子光入射到空间光调制器中进行处理；
步骤二，将预处理后的金属模型切片，输入至空间光调制器的控制系统，由控制系统驱动空间光调制器，将入射的初始种子光调制成对应金属模型切片形状的光斑图案化种子光输出；
步骤三，对空间光调制器输出的光斑图案化种子光进行功率放大，放大后的光束投射到铺有金属粉末的基板上，通过调节投射到基板上的激光功率密度，实现金属粉末面阵烧结。


2.根据权利要求1所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤一中对激光器发射的激光光束进行光斑预调制具体包括：
步骤1.1，采用激光器发射激光光束；
步骤1.2，对发射的激光光束进行偏振处理；
步骤1.3，将偏振处理之后的激光光束经四分之一波片对偏振态旋转；
步骤1.4，将偏振态旋转后的激光光束经光阑进行视场限制，得到初始种子光作为空间光调制器的入射光。


3.根据权利要求2所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤1.2中发射的激光光束输入至偏振镜的入偏角为0°。


4.根据权利要求2所述的基于激光光斑图案化输出的金属选区熔化成形方法，其特征在于，所述步骤1.4中通过光阑将激光光束的视场范围限定为尺寸小于等于6m...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈显峰，王晨光，王国伟，吴鸿飞，郭林辉，吴华玲，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51