CN112846238A - 一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造*** - Google Patents

一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，包括依次连接的激光光源模块、底片模块、二次放大模块、光束聚焦调整模块和成型杠，其中，该激光光源模块用于产生激光；该底片模块用于对所述激光进行裁剪处理，实现高精度低功率的底片图像采集；该二次放大模块用于对采集获得的底片光进行二次放大，输出高功率脉冲；该光束聚焦调整模块用于对输入的激光光束进行聚焦整形；该成型杠用于对所需的制造形状进行成形。与现有技术相比，本发明具有方便实现选区面曝光、提高SLM的打印速率等优点。

Description

一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***。
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
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，包括依次连接的激光光源模块、底片模块、二次放大模块、光束聚焦调整模块和成型杠，其中，
该激光光源模块用于产生激光；
该底片模块用于对所述激光进行裁剪处理，实现高精度低功率的底片图像采集；
该二次放大模块用于对采集获得的底片光进行二次放大，输出高功率脉冲；
该光束聚焦调整模块用于对输入的激光光束进行聚焦整形；
该成型杠用于对所需的制造形状进行成形。
进一步地，所述激光光源模块包括相连接的种子光源和调Q预增益整形单元。
进一步地，所述种子光源为低功率的高准直激光束。
进一步地，所述底片模块包括依次连接的可变光镜、微型光闸阵列和调Q增益整形单元。
进一步地，所述可变光镜包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，所述下脉冲在上脉冲之后触发。
进一步地，所述二次放大模块包括相连接的高增益激光放大器和10KW蓄能式能量注入电源，在所述10KW蓄能式能量注入电源的作用下，所述高增益激光放大器输出功率至少为5000J/10ms。
进一步地，所述10KW蓄能式能量注入电源的抽运储能方式为多级高电压-强电流电抽运。
进一步地，所述10KW蓄能式能量注入电源内设置有功率因数校正电路。
进一步地，所述10KW蓄能式能量注入电源内设置有相移控制电路。
进一步地，所述光束聚焦调整模块包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜，凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜的轴线相互平行设置，凹坑阵列透镜置于微动平台上，凸透镜和凹透镜相配合将光聚焦缩小。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明设置有底片模块和二次放大模块，通过“低能开关底片光二次放大”的方式，计，把高精度低功率的“底片图像”激光采集与高功率放大输出分开，解决了目前用于底片模块器件需要低能高质量光源与高能量的矛盾问题，可实现选区面曝光，可把SLM的打印速率提高百倍。
2、本发明种子光源为低功率的高准直激光束，有效降低成本。
3、本发明可变光镜设置可变极性电极，将按照要求的顺序打开或关闭可变透镜中的各透镜单元，实现将面平行光分割成阵列小点光，这样就相当于小点光按规定路径的扫描，不仅能实现等效单点光的扫描方式(每个扫描周期内，所有阵列单元分布打开，即时序脉冲相位都不一致)，还能实现等效的多激光扫描(部分阵列单元同时打开，即时序脉冲相位部分一致)，功能完善。
4、本发明采用10KW蓄能式能量注入电源，抽运方式优选采用多级的高电压-强电流的电抽运，极限可以在10ms内输出10000J的抽运储能，保证光源发射后，可以稳定输出5000J的能量，实现光放大技术。
5、本发明的10KW蓄能式能量注入电源中包括有功率因数校正电路、相移控制电路等，保证了高效输出。
6、本发明光束聚焦调整模块包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜，可以同时实现面连续激光的栅格化和放大缩小，而且可以实现图像相移面曝光，且金属面曝光SLM***可提高多点扫描曝光的速度，且双透镜平行扩束，并通过阵列透镜实现激光栅格化，这样可以无需通过开关元件实现激光栅格化，并且栅格区域能量更为集中，可大幅提高面曝光***能量利用率。
附图说明
图1为本发明***的示意图；
图2为本发明一种实施方式下的可变光镜的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式下的10KW蓄能式能量注入电源的结构示意图；
图4为本发明一种实施方式下的光束聚焦调整模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，包括依次连接的激光光源模块1、底片模块2、二次放大模块3、光束聚焦调整模块4和成型杠5，其中，该激光光源模块1用于产生激光；该底片模块2用于对所述激光进行裁剪处理，实现高精度低功率的底片图像采集；该二次放大模块3用于对采集获得的底片光进行二次放大，输出高功率脉冲；该光束聚焦调整模块4用于对输入的激光光束进行聚焦整形；该成型杠5用于对所需的制造形状进行成形。
在可选的实施例方式中，激光光源模块1包括相连接的种子光源11和调Q预增益整形单元12。种子光源11优选为低功率的高准直激光束。
在可选的实施例方式中，底片模块2包括依次连接的可变光镜21、微型光闸阵列22和调Q增益整形单元23。
优选地，参考图2所示，可变光镜21包括陶瓷基片以及设置于陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，导线包括高电平导线和低电平导线，每个电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，下脉冲在上脉冲之后触发。电级单元的两副电极中，若同侧电极极性同号，且上+下－，则单元呈现开态，光可以通过；若同侧电极极性异号时，单元呈现关态，光只可微量通过。上述可变光镜21使用时需要的电极单元数量众多，则相应的开关模块也较多，以100×100＝10000个单元为例，开关单元就需要4×10000＝40000个。
在可选的实施例方式中，二次放大模块3包括相连接的高增益激光放大器31和10KW蓄能式能量注入电源32，在10KW蓄能式能量注入电源32的作用下，高增益激光放大器31输出功率至少为5000J/10ms。
在可选的实施例方式中，10KW蓄能式能量注入电源的抽运储能方式为多级高电压-强电流电抽运。
在优选的一种实施方式中，参考图3所示，10KW蓄能式能量注入电源包括主控板、低压控制电源、交流整流输入、功率因数校正电路、相移控制电路、高频变压器、输出整流电路、储能电容、电压采样电路、高压斩波器、斩波控制电路和放大器电抽运。该10KW蓄能式能量注入电源通过功率因数校正电路、相移控制电路等保证其高效输出。
在优选的一种实施方式中，参考图4所示，光束聚焦调整模块4包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜41、凹透镜42和凹坑阵列透镜43，凸透镜41、凹透镜42和凹坑阵列透镜43的轴线相互平行设置，凹坑阵列透镜43置于微动平台上，凸透镜41和凹透镜42相配合将光聚焦缩小。
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)

1.一种金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，包括依次连接的激光光源模块、底片模块、二次放大模块、光束聚焦调整模块和成型杠，其中，
该激光光源模块用于产生激光；
该底片模块用于对所述激光进行裁剪处理，实现高精度低功率的底片图像采集；
该二次放大模块用于对采集获得的底片光进行二次放大，输出高功率脉冲；
该光束聚焦调整模块用于对输入的激光光束进行聚焦整形；
该成型杠用于对所需的制造形状进行成形。
2.根据权利要求1所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述激光光源模块包括相连接的种子光源和调Q预增益整形单元。
3.根据权利要求2所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述种子光源为低功率的高准直激光束。
4.根据权利要求1所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述底片模块包括依次连接的可变光镜、微型光闸阵列和调Q增益整形单元。
5.根据权利要求4所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述可变光镜包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，所述下脉冲在上脉冲之后触发。
6.根据权利要求1所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述二次放大模块包括相连接的高增益激光放大器和10KW蓄能式能量注入电源，在所述10KW蓄能式能量注入电源的作用下，所述高增益激光放大器输出功率至少为5000J/10ms。
7.根据权利要求6所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述10KW蓄能式能量注入电源的抽运储能方式为多级高电压-强电流电抽运。
8.根据权利要求6所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述10KW蓄能式能量注入电源内设置有功率因数校正电路。
9.根据权利要求6所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述10KW蓄能式能量注入电源内设置有相移控制电路。
10.根据权利要求1所述的金属面曝光式粉末床熔融增材制造***，其特征在于，所述光束聚焦调整模块包括沿光的传播方向依次间隔设置的凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜，凸透镜、凹透镜和凹坑阵列透镜的轴线相互平行设置，凹坑阵列透镜置于微动平台上，凸透镜和凹透镜相配合将光聚焦缩小。
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