本发明专利技术公开了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法，属于3D打印技术领域。其中装置包括安装在装置外壳内的非球面透镜，通过改变非球面透镜的系数c和系数k，实现对入射到非球面透镜的光束的能量分布调节，系数c表示非球面透镜的顶点处的曲率，k表示圆锥系数。本发明专利技术通过非球面透镜以调节光斑及光斑扫描线光束能量分布，使得光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。且通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。布的不同要求。布的不同要求。
【技术实现步骤摘要】
用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法
[0001]本专利技术涉及3D打印
，具体涉及一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。
技术介绍
[0002]增材制造、粉末床激光熔化即3D金属打印选择性激光熔化成形SLM技术，已成为精度最高、最为重要的3D金属打印技术。激光束按各层数字模型路径依次扫描平铺的金属粉末，形成平面结构，层层叠加形成3锥结构。SLM技术中，目前全世界均采用高斯分布的激光束，其熔化金属粉末的熔体动力学表明，高斯光束具有过于强大的局部强度，束腰以内，轴心附近拥有大约86%的入射波功率。打印过程中，重复的热
‑
冷循环恶化了以下问题：熔池气化和在底层熔池的反冲压力的积累，引起飞溅、匙形孔状的熔池的产生，导致各种缺陷如：孔隙率和表面粗糙度上升；柱状晶和残余应力增长，机械性能的各向异性倾向上升；相对密度下降，大大降低了打印的产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。由于激光能量分布的不均性，光斑中心的能量密度远大于光斑边缘，不能实现能量的精确分配，采用高斯激光生产加工时，激光利用率低，能量损失大，随着功率的不断提高产生粉末重熔现象，大大降低了打印成品的质量。
技术实现思路
[0003]本专利技术以将高斯光束变换为能量分布可调节的光束，提高SML金属3D激光打印质量为目的，提供了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。
[0004]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，包括安装在所述装置外壳内的非球面透镜，通过改变所述非球面透镜的系数 c和系数k，实现对入射到所述非球面透镜的光束的能量分布调节，其中，所述系数c表示所述非球面透镜的顶点处的曲率， k表示圆锥系数。
[0005]作为优选，所述系数c与所述系数 k满足以下公式（1）表达的关系：。
[0006]作为优选，所述系数c与所述系数k满足以下公式（2）表达的关系：公式（2）中，Z表示所述非球面透镜的曲面高度；r表示曲面距离轴心的距离。
[0007]作为优选，所述非球面透镜由熔融石英制成。
[0008]作为优选，。
[0009]作为优选，所述装置还包括光束直径变倍装置，准直光束入射到所述光束直径变倍装置进行直径变倍后出射然后入射到所述非球面透镜进行能量分布调节。
[0010]作为优选，所述光束直径变倍装置为可变倍扩束镜。
[0011]作为优选，所述光束直径变倍装置为轴锥镜组件，所述轴锥镜组件包括凸面相对设置的第一轴锥镜和第二轴锥镜，通过调节所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距，以实现对入射的所述准直光束直径的变倍。
[0012]作为优选，所述装置还包括准直镜、准直透镜、聚焦器件和振镜反射镜，光纤激光器发生的高斯光束经所述准直镜准直后直接入射到所述非球面透镜或通过光束直径变倍装置的直径变倍后入射到所述非球面透镜，所述非球面透镜对入射光束进行能量分布调节后出射给所述准直透镜进行准直，准直光束入射到所述聚焦器件进行聚焦后经所述振镜反射镜反射后形成在打印工作面上或首先经所述振镜反射镜反射后再通过所述聚焦器件聚焦后形成在所述打印工作面上；所述聚焦器件为聚焦透镜或FTheta场镜。
[0013]本专利技术还提供了一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，通过所述的装置实现，包括步骤：S1，对准直后的高斯光束进行直径变倍；S2，将直径变倍后的光束入射到非球面透镜进行能量分布调节后通过振镜反射镜形成在打印工作面上。
[0014]本专利技术通过非球面透镜以调节打印光斑及光斑扫描线光束能量分布，使得打印光斑呈现中间能量低边缘能量高的特性，进而使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。且通过改变入射到非球面透镜的高斯光束的直径，以更为方便的实现对入射光束的能量分布调节，进而满足不同打印材料、工艺对光斑能量分布的不同要求。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是扫描光斑局部能量示意图；图2是从光斑上切分的细条内的能量投影为扫描线的能量分布示意图；图3是圆形光斑能量分布和扫描线能量分布的对比示意图；图4为中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图一；图5是中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图二；图6是本专利技术一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；图7是本专利技术另一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；图8是通过非球面透镜改变激光能量分布的原理示意图；
图9是高斯光束经可变倍扩束镜作直径变倍后再通过非球面透镜调节能量分布的示意图；图10是入射的具有第一直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；图11是图10中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；图12是图10中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；图13是入射的具有第二直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；图14是图13中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；图15是图13中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；图16是入射的具有第三直径的高斯光束经非球面透镜作能量分布调节并经准直透镜准直后出射光束的过程示意图；图17是图16中经非球面透镜作能量分布调节后的光斑能量分布示意图；图18是图16中经非球面透镜作能量分布调节后的扫描线能量分布示意图；图19是非球面透镜的曲面距离轴心的距离 r、顶点处曲率 c、曲面高度Z的示意图；图20是高斯光束入射到非球面透镜后进行聚焦的示意图；图21是作为光束直径变倍装置的轴锥镜组件的结构示意图；图22是本专利技术一实施例提供的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的方法的实现步骤图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。
[0018]其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0019]本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，包括安装在所述装置外壳内的非球面透镜，通过改变所述非球面透镜的系数 c和系数k，实现对入射到所述非球面透镜的光束的能量分布调节，其中，所述系数c表示所述非球面透镜的顶点处的曲率，k表示圆锥系数。2.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述系数c与所述系数k满足以下公式（1）表达的关系：。3.根据权利要求1或2所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述系数与所述系数满足以下公式（2）表达的关系：公式（2）中，表示所述非球面透镜的曲面高度；表示曲面距离轴心的距离。4.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述非球面透镜由熔融石英制成。5.根据权利要求2或3所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，。6.根据权利要求1所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括光束直径变倍装置，准直光束入射到所述光束直径变倍装置进行直径变倍后出射然后入射到所述非球面透镜进行能量分布调节。7.根据权利要求6所述的用非球面透镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述光束直...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兵涛，朱凡，
申请(专利权)人：杭州爱新凯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。