快速成形激光二极管能量源及其设备制造技术

本发明专利技术的快速成形激光二极管能量源，包括光源激光二极管ＬＤ，其特点是还有柱面镜组与扩束器、及支架或者壳体；柱面镜组包含快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束。其设备包括由激光二极管能量源、指向器、合光器、耦合扩束器、动态聚焦模块、ｘ轴扫描振镜、ｙ轴扫描振镜等组成的光学系统，工作台，支架及壳体。具有体积小、可靠性好、寿命长、光谱可选等优点。成形材料范围宽，成形精度和质量高，设备可小型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械工程学科快速成形
，主要涉及快速成形设备激光二极管能量源。二、技术背景自1988年世界上第一台商业化快速成形机问世以来，快速成形技术(RPT)有了很大发展，目前世界上已投入应用的主要设备和工艺方法有以下几种选择性光固化(SLA，也称立体印刷法)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体法(LOM，也称切纸法)和选区喷塑法(FDM)。上述四种常用的快速成形(RP)工艺方法各有优点和不足，适合于不同的加工对象和条件。前三种工艺都使用激光作为能量源，因此也称为激光快速成形技术。●LOM法可成形大中型零件，不变形，成形时间短，但尺寸精度较低，且材料损耗大，废料不易清除。激光光源一直使用CO2气体激光器(λ＝10.6μm)，如Synrad公司、Coheren公司等的50W和30W的CO2激光器。●SLS法可制作中小型零件，成形材料广泛，使用SLS法可直接烧结金属粉末材料制造产品结构件。精度较高，但是SLS法不能加工大型工件。●SLA法使用光敏树脂材料，可直接制造中、小型塑料件，表面粗糙度好，尺寸精度高，被认为是一种应用最广、技术最成熟、精度最高的RPT，因而成为研究热点，但制造中有物相变化，变形较大，液体中成形零件需要支撑。目前，SLA法烧结树脂粉末时激光光源也是使用50W的CO2气体激光器，烧SLS法结金属粉末材料一般使用千瓦级CO2气体激光器。总之，现有激光快速成形系统使用的激光光源都是气体激光器，如在选择性激光烧结快速成形(SLSRP)、分层实体制造快速成形(LOM RP)系统中使用CO2气体激光器，在光固化快速成形(SLA RP)系统中一般使用He-Cd气体激光器。这些气体激光器体积大、可靠性差、寿命短、光谱固定而不可选。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有激光快速成形系统使用的激光光源存在的缺点和不足，以红外、紫外激光二极管为光源并辅助以光学元件集成为模块，构成激光快速成形设备使用的激光二极管能量源。充分利用和发挥了激光二极管具有的体积小、可靠性好、寿命长、光谱可选等优点，有利于拓宽适用材料范围，有利于提高成形精度和质量，易于实现激光快速成形设备小型化，使激光快速成形设备真正成为一种桌面式三维打印系统。激光二极管为近红外LD则可用于SLS、LOM快速成形设备；激光二极管为紫外LD则可用于SLA快速成形设备。就上述目的本专利技术是通过以下技术方案来实现的本专利技术的快速成形激光二极管能量源，包括激光二极管LD的光源，其特点是还有柱面镜组与扩束器；柱面镜组包含快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，在激光二极管LD光源慢轴平面内，快轴准直柱面镜相当于一片平行玻璃板，对光不起折射作用，而慢轴准直柱面镜相当于一个球面透镜，将光束准直成平行光束；同样，在激光二极管LD光源快轴平面内，慢轴准直柱面镜相当于一片平行玻璃板，对光不起折射作用，而快轴准直柱面镜相当于一个球面透镜，光束经快轴准直柱面镜准直后也成为平行光束；准直后的光束在快、慢轴两个方向上的光束直径并不相等，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束。所述的快速成形激光二极管能量源还包括用于支撑、固定光源激光二极管LD、柱面镜组、及扩束器并使之成为一体的支架或者壳体。本专利技术快速成形设备，包括由光源、指向器、合光器、耦合扩束器、动态聚焦模块、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜等组成的光学系统，工作台，支架及壳体；其特点是所述的光源是快速成形激光二极管能量源。所述的光学系统有一个用于调整激光二极管能量源发出光束的直径，使其与动态聚焦模块入孔的直径相同的耦合扩束器。专利技术涉及的快速成形激光二极管能量源主要元件激光二极管LD的光束特性分析如下激光二极管LD的输出孔径为一狭缝，因此其光束远场图像是单缝夫琅和费衍射图像，是狭缝孔径上的复振幅分布的傅里叶变换。E~(P)=C1fexp∫∫A′expdx1dy1Σ]]>式中， 为观察平面上P点的复振幅分布，C=1iλ,A′=E~(x1+y1)]]>是孔径平面x1y1内的复振幅分布，当平面波垂直照射孔径时， 为常数A′。对于矩孔衍射，P点的光强分布为I=|E~|2=I022]]>式中，I0为观察平面中心P0点的光强，a，b为矩孔的长、宽，l，ω为P点光线的方向余弦。当矩孔的长、宽符合b＞＞a时，矩孔成单缝。单缝衍射在x轴上的光强分布为I=I0(sinkla2kla2)2]]>激光二极管LD光束具有以下特点振幅分布为高斯函数，完全类似于许多气体激光器的TEM00模式。光束具有像散、不对称、高发散等空间特性，光束截面形状如椭圆。光束扩展的半幅值宽度大约为30°×40°；如图1所示，发散小的方向称为慢轴方向(a图)，发散大的方向称为快轴方向(b图)。激光二极管LD光束的这种空间特性很不利于它的应用，一般都需要进行改善。改善方法包括准直与扩束，其目的是使这种高发散的像散光束变成圆的平行光束。专利技术涉及的快速成形激光二极管能量源，其突出的实质性特点和显著的技术进步是1、比CO2，He-Cd气体激光器寿命长、工作可靠，且体积小易于实现装置小型化，使激光快速成形设备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现实。2、激光二极管LD在低电压下工作，有利于设备的安全操作；其电光转换效率比CO2，He-Cd气体激光器高很多，有利于节能。3、随着高功率近红外激光二极管LD和紫外激光二极管LD的市场化，其价格也越来越便宜。快速成形激光二极管能量源可直接与现有激光快速成形系统集成，可较大幅度地降低系统成本。4、由于激光二极管LD在近红外、紫外波段内可有多种波长选择，适合于不同改性树脂材料(在SLS RP和SLA RP中)的吸收特性，因此，有利于拓宽适用材料范围。5、近红外激光二极管LD的波长(0.808μm)比CO2激光的波长(10.6μm)小十几倍，因此，焦斑直径可以做得很小，有利于提高成形精度和质量。另外，对于金属粉末来说，短波长激光比长波长激光的热效应高，有利于提高成形效率。四附图说明图1为激光二极管光束慢、快轴(准直后)高斯光束振幅(高斯)分布图；图2为快速成形激光二极管能量源图；图3为快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜示意图；图4为两个相同的棱镜组成的扩束器示意图；图5为激光二极管能量源的快速成形装置的光学系统图；五具体实施方式以下结合附图说明本专利技术(技术)具体实施方式。如图2所示，为快速成形激光二极管能量源；光源为激光二极管LD101，激光二极管LD光源输出的像散光束由柱面镜组102准直成为平行光束，再由扩束器103将慢轴平行光束进行扩束，激光二极管光源输出的像散光束经过准直与扩束变为圆的平行光束。其中所述的柱面镜组包含快轴准直柱面镜1021与慢轴准直柱面镜1022，快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直，在激光二极管LD光源慢轴平面内，快轴准直柱面镜相当于一片平行玻璃板，对光不起折射作用，而慢轴准直柱面镜相当于一个球面透镜，将光束准直成平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速成形激光二极管能量源，包括光源激光二极管ＬＤ（１０１），其特征在于：还有柱面镜组（１０２）与扩束器（１０３）；柱面镜组包含快轴准直柱面镜（１０２１）与慢轴准直柱面镜（１０２２），快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜的母线相互垂直；激光二极管光源输出的像散光束由柱面镜组准直成为椭圆形平行光束，由扩束器将慢轴平行光束进行扩束，使两个方向上的光束直径一样变为圆的平行光束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱林泉，马巧梅，靳雁霞，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]