CN112829295A - 一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，包括激光源、超高速振镜组、底片扫描模块及多级激光放大模块，所述激光源用于持续发出初射激光，所述超高速振镜组用于以高速扫描的方式使激光源发出的初射激光陆续投入底片扫描模块，所述底片扫描模块将底能量的种子光源进行单色光整形成所需的曝光形状并初放大，然后输出到多级激光放大模块；所述多级激光放大模块用于对底片扫描模块投入过来的光路进行增强，以达到每个阵列点所需能量，最终输出单层面曝光所需的图案。与现有技术相比，本发明打破了传统技术中较慢的多点扫描曝光方式，而通过面曝光扫描方式的光路***，有望彻底打破目前的打印速度瓶颈。

Description

一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***
技术领域
本发明涉及一种增材制造领域的光路***，尤其是涉及一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***。
背景技术
粉末床熔融增材制造(包括SLS和SLM)是一系列重要的增材制造或3D打印技术。它主要是通过高功率激光将粉末熔合在一起。
粉末床熔融增材制造的工艺优势在于：1)加工标准金属时，致密度超过99％，良好的力学性能与传统工艺相当。2)可加工材料种类持续增加，所加工零件可后期焊接。3)精度和表面质量相对最高，可以直接使用或者只需相对简单的后处理。因而，从产品质量上，粉末床熔融增材制造，特别是SLM，从性能上是最有望大面替代以汽车行业为代表的高产量工业行业的现有高性能产品。然而粉末床熔融增材制造工艺的劣势在于：1)原料价格昂贵，2)速度偏低。这就造成了技术在这些行业推广的严重瓶颈。
原料价格昂贵的问题可以通过开发新性能的材料来克服，但是受限于激光***的功率与协同控制技术水平，目前只能通过多激光提高速率。就典型的SLM技术为例，根据报道和行业展会显示，目前最多的协同激光束也止步于12激光，而且尚在研发阶段，而且难度很大，成本极高，并且由于多激光直接照射加热的控制协同与熔融成形问题复杂，调试工艺的难度也极大。即使这样，SLM技术的打印效率依然远远不敌直接能量沉积增材制造打印技术(DED技术)或新兴的超音速沉积增材制造技术(SD技术)，但DED技术和SD技术精度较差、必须进行精密机床后加工；同样SLM技术的打印效率也不敌密度较低而性能受限的3DP技术。SLM技术的打印效率更是与传统生产技术的生产效率相差甚远。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，也可称之为超高速振镜连续光纤***，本发明打破了传统技术中较慢的多点扫描曝光方式，而通过面曝光扫描方式的光路***，有望彻底打破目前的打印速度瓶颈。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，包括激光源、超高速振镜组、底片扫描模块及多级激光放大模块，所述激光源用于持续发出初射激光，所述超高速振镜组用于以高速扫描的方式使激光源发出的初射激光陆续投入底片扫描模块，所述底片扫描模块将底能量的种子光源进行单色光整形成所需的曝光形状并初放大，然后输出到多级激光放大模块；所述多级激光放大模块用于对底片扫描模块投入过来的光路进行增强，以达到每个阵列点所需能量，最终输出单层面曝光所需的图案。
本发明使用时，对于超高速振镜组或多级激光放大模块的光学元件无法达到最终输出的面能量密度(即“总能量”除以“图案面积”)的情形，则采用较大的光路光斑通过超高速振镜组，进入多级激光放大模块增强后，增设一套光学聚焦镜，使光斑聚焦达到图案输出的设计要求。
即，本发明的一个实施方式中，用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***还包括聚焦模块，所述聚焦模块是将多级激光放大模块出来的增强激光光斑聚焦达到图案输出的能量密度要求，并进行输出，所述聚焦模块为光学聚焦镜。
所述聚焦模块主要是由一块凸透镜和凹透镜组成，作用是从较低能量密度的输出变成高能量密度的输出，达到融化粉末的要求。所属凸透镜和凹透镜的焦距相等，其焦距和两者的间距由放大要求决定。
对于一些设备对于多级激光放大模块的安装位置有要求，则在多级激光放大模块和可能需要的光学聚焦镜之间增设一套光线转向的光学变相单元。
即，本发明的一个实施方式中，用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***还包括光学变相单元，所述光学变相单元用于将从多级激光放大模块出来的增强激光转向入射到光学聚焦镜。
本发明的激光光路***用于粉末床熔融增材制造工艺的层状面曝光高速成形，目的是加热粉末耗材，该原理适用于各种材质的粉末床熔融工艺，包括合金粉、陶瓷粉和高分子粉末。
本发明的一个实施方式中，所述激光源设置多个，所述超高速振镜组与多级激光放大模块的个数与激光源相同，每个激光源对应一个超高速振镜组与一个多级激光放大模块。
本发明的一个实施方式中，所述超高速振镜组采用MEMS微振镜***或共振式振镜组。
所述超高速振镜组可以时刻使所有激光源以接近满功率方式运作，最大化地利用激光能量，并形成微小肉眼不可察的微小自然延时，这对面曝光可能是有利的，或者这是一种超快面扫描。
本发明的一个实施方式中，所述MEMS微振镜***的结构是已知的。
对于局部面上的XY扫描，采用单枚MEMS微振镜，单枚MEMS微振镜成一套子***，其水平方向频率可达20000Hz，是常规SLM的振镜***的200倍(而目前用于SLM的振镜***，最大频率也就在100Hz的级别)，垂直方向可达1000Hz，为了最大化的利用其速度优势，扫描时采用先水平，再垂直方向，以之字形路径进行，对于面中图案的点空缺不扫，以弥补水平方向。
本发明的一个实施方式中，所述超高速振镜组采用共振式振镜组，所述共振式振镜组是通用配件，所述共振式振镜组的作用是实现扫描。共振式振镜的频率可达10000Hz，是常规SLM的振镜***的100倍。
本发明中，采用超高速振镜组的原因有两点：
(1)局部面上的XY扫描增强或实现：MEMS微振镜垂直方向相比水平方向扫描速度(从频率得知)相差约2个数量级，而共振式振镜只有单轴。通过两枚微振镜成一套子***，调整合适的光路，对于MEMS微振镜来说，假如X方向是原来的高速方向，则此时，XY即可都达到X方向的扫描速度；对于共振式振镜来说，两枚共振式振镜台成一套子***后，则可实现XY方向的双轴高速扫描。
(2)大画幅的整合实现：对整个画幅对应的多级激光放大模块进行子区域划分，每个区域有一套振镜子***进行XY扫描，最后变成大画幅的情形。这种大画幅的整合模式，由于是通过多级激光放大模块放大后的瞬间同时曝光成形，每个分区只需各司其职，无需考虑精密的协同工作问题，免去了常规SLM直接多激光扫描过程中出现的复杂激光交接问题和多激光协同算法问题。因此非常容易实现多激光和多机整合扩展，相比现有SLM技术，该技术实现大型或超大型高速SLM扫描的难度将近乎0门槛。
本发明的一个实施方式中，所述底片扫描模块即半导体阵列排列的二级泵浦源，以矩阵排列的激光半导体阵列都连接着阵列激励的电源；当种子光源扫描到某一个阵列单元，通过初步的泵浦抽滤初放大及正对的调Q增益(阵列)形成一个稳定的激光像素点，输出进入多级激光放大模块。
首先光线先通过一光学折射曲面透镜，保证光线可以正对射入对应的二级谐振腔阵列基元中，得到能量增强的光源。
所述多级激光放大模块可把较低地超高速激光能量进行累积，得到大功率激光能量输出，满足粉末床熔融工艺地需求，由此可以降低电子元器件对于激光功率的要求，而且也避免了高速高能的激光束造成局域过大的温度梯度形成热应力，造成打印缺陷；即，通过设置可以多级激光放大模块采用相对较低地总能量输入源实现高功率的面曝光。
本发明的一个实施方式中，所述多级激光放大模块由多片半导体激光受激片材连接激励电源模块所组成，用以使底片扫描模块射来的“像素激光图”进行能量放大达到所需要求。
本发明的一个实施方式中，所述激光源为能够发出连续激光的激光发生器，一般采用光纤的CW模式，也可采用QCW模式以得到短时间的更高功率。
本发明适合低功率的边缘扫描：为了使熔融部位得到均匀的温度场，光路***会根据计算的补偿结果(一般为近似高斯曲线补偿)，在靠近所需扫描图形边界外的近域内，进行额外的较低功率扫描，当通过多级激光放大模块同步投射到成型层时，会使成形层的温度梯度得到改善，从而获得热应力更小的打印结果。
与现有技术相比，本发明的激光光路***用于粉末床熔融增材制造工艺的层状面曝光高速成形，目的是加热粉末耗材，该原理适用于各种材质的粉末床熔融工艺，包括合金粉、陶瓷粉和高分子粉末。
附图说明
图1为实施例1中用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***结构示意图。
图2为实施例1中用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***结构框图。
图3为底片扫描模块的超高速扫描模式。
图4为XY扫描示意图。
图5为成形铺粉层的扫描图形边界及图形区示意图。
具体实施方式
实施方式一
一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，包括激光源、超高速振镜组、底片扫描模块及多级激光放大模块，所述激光源用于持续发出初射激光，所述超高速振镜组用于以高速扫描的方式使激光源发出的初射激光陆续投入底片扫描模块，所述底片扫描模块将底能量的种子光源进行单色光整形成所需的曝光形状并初放大，然后输出到多级激光放大模块，所述多级激光放大模块用于对底片扫描模块投入过来的光路进行增强，以达到每个阵列点所需能量，最终输出单层面曝光所需的图案。
实施方式二
对于超高速振镜组或多级激光放大模块的光学元件无法达到最终输出的面能量密度(即“总能量”除以“图案面积”)的情形，则采用较大的光路光斑通过超高速振镜组，进入多级激光放大模块增强后，增设一套光学聚焦镜，使光斑聚焦达到图案输出的设计要求。
即，本实施方式中，用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***还包括聚焦模块，所述聚焦模块是将多级激光放大模块出来的增强激光光斑聚焦达到图案输出的能量密度要求，并进行输出，所述聚焦模块为光学聚焦镜。
所述聚焦模块主要是由一块凸透镜和凹透镜组成，作用是从较低能量密度的输出变成高能量密度的输出，达到融化粉末的要求。所属凸透镜和凹透镜的焦距相等，其焦距和两者的间距由放大要求决定。
实施方式三
对于一些设备对于多级激光放大模块的安装位置有要求，则在多级激光放大模块和可能需要的光学聚焦镜之间增设一套光线转向的光学变相单元。
即，本实施方式中，用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***还包括光学变相单元，所述光学变相单元用于将从多级激光放大模块出来的增强激光转向入射到光学聚焦镜。
在以上实施方式一、二或三中，
激光光路***用于粉末床熔融增材制造工艺的层状面曝光高速成形，目的是加热粉末耗材，该原理适用于各种材质的粉末床熔融工艺，包括合金粉、陶瓷粉和高分子粉末。
所述激光源设置多个，所述超高速振镜组与多级激光放大模块的个数与激光源相同，每个激光源对应一个超高速振镜组与一个多级激光放大模块。
所述超高速振镜组采用MEMS微振镜***或共振式振镜组。
所述超高速振镜组可以时刻使所有激光源以接近满功率方式运作，最大化地利用激光能量，并形成微小肉眼不可察的微小自然延时，这对面曝光可能是有利的，或者这是一种超快面扫描。
所述MEMS微振镜***的结构是已知的。
参考图4，对于局部面上的XY扫描，采用单枚MEMS微振镜，单枚MEMS微振镜成一套子***，其水平方向频率可达20000Hz，是常规SLM的振镜***的200倍(而目前用于SLM的振镜***，最大频率也就在100Hz的级别)，垂直方向可达1000Hz，为了最大化的利用其速度优势，扫描时采用先水平，再垂直方向，以之字形路径进行，对于面中图案的点空缺不扫，以弥补水平方向。
所述超高速振镜组采用共振式振镜组，所述共振式振镜组是通用配件，所述共振式振镜组的作用是实现扫描。共振式振镜的频率可达10000Hz，是常规SLM的振镜***的100倍。
在以上实施方式一、二或三中采用超高速振镜组的原因有两点：
(1)局部面上的XY扫描增强或实现：MEMS微振镜垂直方向相比水平方向扫描速度(从频率得知)相差约2个数量级，而共振式振镜只有单轴。通过两枚微振镜成一套子***，调整合适的光路，对于MEMS微振镜来说，假如X方向是原来的高速方向，则此时，XY即可都达到X方向的扫描速度；对于共振式振镜来说，两枚共振式振镜台成一套子***后，则可实现XY方向的双轴高速扫描。
(2)大画幅的整合实现：对整个画幅对应的多级激光放大模块进行子区域划分，每个区域有一套振镜子***进行XY扫描，最后变成大画幅的情形。这种大画幅的整合模式，由于是通过多级激光放大模块放大后的瞬间同时曝光成形，每个分区只需各司其职，无需考虑精密的协同工作问题，免去了常规SLM直接多激光扫描过程中出现的复杂激光交接问题和多激光协同算法问题。因此非常容易实现多激光和多机整合扩展，相比现有SLM技术，该技术实现大型或超大型高速SLM扫描的难度将近乎0门槛。
在以上实施方式一、二或三中，所述底片扫描模块即半导体阵列排列的二级泵浦源，以矩阵排列的激光半导体阵列都连接着阵列激励的电源；当种子光源扫描到某一个阵列单元，通过初步的泵浦抽滤初放大及正对的调Q增益(阵列)形成一个稳定的激光像素点，输出进入多级激光放大模块。底片扫描模块的超高速扫描模式如图3所示。
首先光线先通过一光学折射曲面透镜，保证光线可以正对射入对应的二级谐振腔阵列基元中，得到能量增强的光源。
所述多级激光放大模块可把较低地超高速激光能量进行累积，得到大功率激光能量输出，满足粉末床熔融工艺地需求，由此可以降低电子元器件对于激光功率的要求，而且也避免了高速高能的激光束造成局域过大的温度梯度形成热应力，造成打印缺陷；即，通过设置可以多级激光放大模块采用相对较低地总能量输入源实现高功率的面曝光。
在以上实施方式一、二或三中，所述多级激光放大模块由多片半导体激光受激片材连接激励电源模块所组成，用以使底片扫描模块射来的“像素激光图”进行能量放大达到所需要求。
在以上实施方式一、二或三中，所述激光源为能够发出连续激光的激光发生器，一般采用光纤的CW模式，也可采用QCW模式以得到短时间的更高功率。
参考图5，本发明适合低功率的边缘扫描：为了使熔融部位得到均匀的温度场，光路***会根据计算的补偿结果(一般为近似高斯曲线补偿)，在靠近所需扫描图形边界外的近域内，进行额外的较低功率扫描，当通过多级激光放大模块同步投射到成型层时，会使成形层的温度梯度得到改善，从而获得热应力更小的打印结果。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参考图1、图2，一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，包括激光源1、超高速振镜组2、底片扫描模块3、多级激光放大模块4、光学变相单元5、光学聚焦镜6，所述激光源1用于持续发出初射激光，所述超高速振镜组2用于以高速扫描的方式使激光源1发出的初射激光陆续投入底片扫描模块3，所述底片扫描模块3将底能量的种子光源进行单色光整形成所需的曝光形状并初放大，然后输出到多级激光放大模块4，所述多级激光放大模块4用于对底片扫描模块投入过来的光路进行增强，以达到每个阵列点所需能量，最终输出单层面曝光所需的图案，所述光学变相单元5用于将从多级激光放大模块3出来的增强激光转向入射到光学聚焦镜6，所述光学聚焦镜6用于使从多级激光放大模块4出来的增强激光光斑聚焦达到图案输出的设计要求，达到底板7上。图1中中空线条表示光的路线。
本实施例中，所述激光源1为能够发出连续激光的激光发生器，采用光纤的CW模式。
本实施例中，所述超高速振镜组2采用MEMS微振镜***，所述MEMS微振镜***的结构是已知的。所述超高速振镜组可以时刻使所有激光源以接近满功率方式运作，最大化地利用激光能量，并形成微小肉眼不可察的微小自然延时，这对面曝光是有利的，或者这是一种超快面扫描。
本实施例中，所述底片扫描模块3即半导体阵列排列的二级泵浦源，以矩阵排列的激光半导体阵列都连接着阵列激励的电源；当种子光源扫描到某一个阵列单元，通过初步的泵浦抽滤初放大及正对的调Q增益(阵列)形成一个稳定的激光像素点，输出进入多级激光放大模块。底片扫描模块的超高速扫描模式如图3所示。
本实施例中，所述多级激光放大模块4由多片半导体激光受激片材连接激励电源模块所组成，用以使底片扫描模块射来的“像素激光图”进行能量放大达到所需要求。所述多级激光放大模块可把较低地超高速激光能量进行累积，得到大功率激光能量输出，满足粉末床熔融工艺地需求，由此可以降低电子元器件对于激光功率的要求，而且也避免了高速高能的激光束造成局域过大的温度梯度形成热应力，造成打印缺陷；即，通过设置可以多级激光放大模块采用相对较低地总能量输入源实现高功率的面曝光。
本实施例中，所述光学变相单元5用于将从多级激光放大模块出来的增强激光转向入射到光学聚焦镜。
本实施例中，所述光学聚焦镜6将多级激光放大模块出来的增强激光光斑聚焦达到图案输出的能量密度要求，并进行输出。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，
包括激光源、超高速振镜组、底片扫描模块及多级激光放大模块，
所述激光源用于持续发出初射激光，
所述超高速振镜组用于以高速扫描的方式使激光源发出的初射激光陆续投入底片扫描模块，
所述底片扫描模块将底能量的种子光源进行单色光整形成所需的曝光形状并初放大，然后输出到多级激光放大模块；
所述多级激光放大模块用于对底片扫描模块投入过来的光路进行增强，以达到每个阵列点所需能量，最终输出单层面曝光所需的图案。
2.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，还包括聚焦模块，所述聚焦模块是将多级激光放大模块出来的增强激光光斑聚焦达到图案输出的能量密度要求，并进行输出。
3.根据权利要求2所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述聚焦模块主要是由一块凸透镜和凹透镜组成，所属凸透镜和凹透镜的焦距相等，其焦距和两者的间距由放大要求决定，所述聚焦模块为光学聚焦镜。
4.根据权利要求2所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，还包括光学变相单元，所述光学变相单元用于将从多级激光放大模块出来的增强激光转向入射到光学聚焦镜。
5.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述激光源设置多个，所述超高速振镜组与多级激光放大模块的个数与激光源相同，每个激光源对应一个超高速振镜组与一个多级激光放大模块。
6.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述超高速振镜组采用MEMS微振镜***或共振式振镜组。
7.根据权利要求6所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，对于局部面上的XY扫描，采用单枚MEMS微振镜，单枚MEMS微振镜成一套子***，扫描时采用先水平，再垂直方向，以之字形路径进行，对于面中图案的点空缺不扫。
8.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述底片扫描模块即半导体阵列排列的二级泵浦源，以矩阵排列的激光半导体阵列都连接着阵列激励的电源；当种子光源扫描到某一个阵列单元，通过初步的泵浦抽滤初放大及正对的调Q增益形成一个稳定的激光像素点，输出进入多级激光放大模块。
9.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述多级激光放大模块由多片半导体激光受激片材连接激励电源模块所组成，用以使底片扫描模块射来的“像素激光图”进行能量放大达到所需要求。
10.根据权利要求1所述的一种用于面曝光式粉末床熔融增材制造的激光光路***，其特征在于，所述激光源为能够发出连续激光的激光发生器。
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