一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法技术方案

一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法，其中光路系统包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑。本发明专利技术增材制造设备的光路系统及光路调节方法生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑都处在同一焦平面，使得其能显著提升激光扫描系统的成型效率和成型质量。系统的成型效率和成型质量。系统的成型效率和成型质量。

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法


[0001]本申请涉及增材制造
，特别是涉及一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术是一种通过控制激光逐层扫描，层层叠加形成三维工件的快速制造技术。其工艺流程如下：首先对工件的三维模型进行切片处理，得到工件每一层的轮廓信息；将粉末状材料均匀地铺洒在工作平台表面上，激光根据系统指令选择性地熔化粉末；一个截面完成后，再铺上一层新材料，继续有选择性地根据三维物体对应的截面信息进行扫描；按照此方法再对下一个截面进行铺粉扫描，最终得到三维工件。该方法的优点在于可用来制造过程柔性程度高、工件力学性能优异和尺寸精度高的金属工件。
[0003]现有技术的增材制造设备，特别是金属粉末增材制造设备，单套激光扫描组件（如两轴振镜加场镜或者三轴振镜和激光器）在粉床上只有一个确定大小的聚焦光斑，在保证现有成型质量（1.全粉床幅面烧结时熔池火光均匀；2.尽量少的熔渣飞溅和黑烟；3.全粉床幅面制件表面较为光滑；4.制件金相质地紧密无孔洞；5.金相腐蚀之后熔道均匀等评价标准）的情况下，这个确定大小的聚焦光斑决定了单种材料的填充线或者轮廓线的扫描功率、扫描速度、填充线间距、粉层厚度是一组确定值，因此无法提升单套激光扫描组件的成型效率，只能通过增加激光扫描组件的数量来增加成型效率。扫描填充线在扫描时间中占比比较大，现有技术也有采用离焦光斑作为填充线扫描的方法来在粉床上获得一个更大的光斑来提升成型效率，但是因为光路系统的不稳定性及加工环节的复杂环境导致整个粉床幅面填充线光斑尺寸稳定性差，会出现不可控变化，进而影响成型质量。另外，现有技术也有采用双激光加双振镜方式，一套激光扫描组件做聚焦大光斑，进行填充线扫描，另一套激光扫描组件做聚焦小光斑，进行轮廓线扫描，这种双激光双加工系统的设计会导致填充线扫描光路无法进行轮廓线扫描，同样轮廓线扫描光路无法进行填充线扫描，在成本增加的基础上，激光加工稼动率很低，从而无法满足正常工业加工要求。还有一种采用同轴式光斑切换的方式，比如采用同轴式电动扩束镜，但是这种方式无法实现不同聚焦光斑在同一平面位置的聚焦。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种增材制造设备的光路系统及光路调节方法，该光路系统在一套激光器和一套振镜组成的光学系统中，生成两种以上的不同光斑大小的聚焦光斑，而且这些不同光斑大小的聚焦光斑都能处于同一焦平面，这样便能显著提升待打印工件的成型效率和成型质量。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种增材制造设备的光路系统，包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依
次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑，其中，所述光斑切换模块为以下任一种光斑切换结构：第一种光斑切换结构包括可旋转的转盘，以及设置在转盘上的至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜，且所有通孔的状态不同，以使转盘转动时，激光在光束发散角可调单元的调节下进入转盘的不同通孔后输出不同光斑大小的聚焦光斑；第二种光斑切换结构包括第一直线运动模块和安装座，所述安装座的通孔内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，所述安装座可移动地设置于第一直线运动模块上，以将安装座移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光在光束发散角可调单元的调节下通过或不通过衍射光学元件和/或扩束镜而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；第三种光斑切换结构包括方形的第一安装盒，所述第一安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且第一安装盒的相对两侧分别设有第一入光孔，第一出光孔，且位于第一入光孔和第一出光孔之间的两片反射镜位置可调，以通过调节该两片反射镜的位置使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；第四种光斑切换结构包括第二直线运动模块和方形的第二安装盒，第二安装盒的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，且第二安装盒的相对两侧分别设有第二入光孔，第二出光孔，第二安装盒可移动地设置于第二直线运动模块上，以将第二安装盒移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；其中，第三种光斑切换结构和第四种光斑切换结构中四片反射镜形成的光路中设有至少一个衍射光学元件和/或扩束镜。
[0006]作为本专利技术的进一步优选方案，所述光束发散角可调单元为可调发散角激光准直头，该可调发散角激光准直头安装在准直头安装座中。
[0007]作为本专利技术的进一步优选方案，所述第一直线运动模块和第二直线运动模块均包括两根平行布设的导轨，以及可在导轨上进行移动的滑块。
[0008]作为本专利技术的进一步优选方案，所述增材制造设备的光路系统还包括驱动机构，用于驱动安装座在第一直线运动模块上进行移动；或者驱动第二安装盒在第二直线运动模块上进行移动。
[0009]作为本专利技术的进一步优选方案，所述振镜单元包括二轴振镜和动态聚焦模块，或者包括二轴振镜和场镜。
[0010]作为本专利技术的进一步优选方案，所述衍射光学元件为单阶或多阶衍射光学元件。
[0011]本专利技术还提供了一种上述任一项所述增材制造设备的光路调节系统的光路调节方法，包括：调节光斑切换模块，以使激光器发出的激光在光束发散角可调单元的调节下，依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑；其中，当所述光斑切换模块形成的光路设有扩束镜时，调整该扩束镜的调节单元
和光束发散角可调单元，否则，调整光束发散角可调单元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑经振镜单元的偏转后在工作区域的粉面处于同一焦平面。
[0012]作为本专利技术的进一步优选方案，包括：在扩束镜切入光斑切换模块前，在聚焦光斑位置放一个光束质量分析仪，通过调整调整光束发散角可调单元，使聚焦光斑及焦平面在加工平面；在扩束镜切入光斑切换模块后，通过手动调节扩束镜的调节单元，使光束质量分析仪显示的光斑调节到最小，此时焦平面也已调到加工平面，从而实现了至少两种不同光斑大小的聚焦光斑处于同一焦平面。
[0013]本专利技术的增材制造设备的光路系统及光路调节方法，其中，该增材制造设备的光路系统通过采用上述技术方案，使得其由一套激光器和一套振镜单元组成，便可生成两种以上的不同光斑大小的聚焦光斑，而且这些不同光斑大小的聚焦光斑都能处在同一焦平面。由于聚焦光斑和离焦光斑相比，即使光路系统存在不稳定性，聚焦光斑有一定的焦深，在设计焦深范围内整个粉床幅面的光斑大小基本不会发生变化，从而保证了成型质量；而且，本专利技术生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑都处在同一焦平面，使得其能显著提升激光扫描系统的成型效率和成型质量, 同时可有效降低成本。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造设备的光路系统，其特征在于，包括激光器、振镜单元、光束发散角可调单元和光斑切换模块，所述激光器安装在光束发散角可调单元中，所述光斑切换模块设置于光束发散角可调单元和振镜单元之间，以使激光器发出的激光依次经过光斑切换模块的控制、振镜单元的偏转后在工作区域的粉面形成处于同一焦平面的至少两种不同光斑大小的聚焦光斑，其中，所述光斑切换模块为以下任一种光斑切换结构：第一种光斑切换结构包括可旋转的转盘，以及设置在转盘上的至少两个通孔，所述通孔为空置状态，或者所述通孔内设有衍射光学元件和/或扩束镜，且所有通孔的状态不同，以使转盘转动时，激光在光束发散角可调单元的调节下进入转盘的不同通孔后输出不同光斑大小的聚焦光斑；第二种光斑切换结构包括第一直线运动模块和安装座，所述安装座的通孔内设置有衍射光学元件和/或扩束镜，所述安装座可移动地设置于第一直线运动模块上，以将安装座移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光在光束发散角可调单元的调节下通过或不通过衍射光学元件和/或扩束镜而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；第三种光斑切换结构包括方形的第一安装盒，所述第一安装盒的四角内分别竖向设置有四片反射镜，且第一安装盒的相对两侧分别设有第一入光孔，第一出光孔，且位于第一入光孔和第一出光孔之间的两片反射镜位置可调，以通过调节该两片反射镜的位置使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；第四种光斑切换结构包括第二直线运动模块和方形的第二安装盒，第二安装盒的四角内分别竖向固定设置有四片反射镜，且第二安装盒的相对两侧分别设有第二入光孔，第二出光孔，第二安装盒可移动地设置于第二直线运动模块上，以将第二安装盒移入或移出光束发散角可调单元和振镜单元之间的光路，使得激光通过或不通过四片反射镜形成的光路而最终在粉面输出两种不同光斑大小的聚焦光斑；其中，第三种光斑切换结构和第四种光斑切换结构中四片反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍光，肖攀，曾思齐，
申请(专利权)人：湖南华曙高科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：