光束整形机构、激光光源系统、激光3D打印设备和方法与流程

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光束整形机构、激光光源系统、激光3d打印设备和方法。

背景技术：

激光光源发出的激光光束为高斯光束，需要根据实际情况对其进行光束整形，目前，包括激光加工设备在内的各类利用激光光源的设备所提供的激光光束大多模式单一，加工时，不能适合实际需求，特别在增材制造领域，问题更加突出。

增材制造，俗称3d打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

激光3d打印技术，包括选择性激光熔化(selectivelasermelting,slm)技术和选择性激光烧结(selectivelasersintering,sls)技术，是以金属材料及某些非金属材料为原料的增材制造的主要方法，现有技术中的激光3d打印技术的工作过程为，激光器发出激光光束，聚焦后产生激光光斑，利用激光的热效应对一层材料进行选择性熔化，被熔化的材料冷却后固化在一起形成零件的实体部分，逐层扫描，重复上述熔化-固化过程，直到叠加堆积成三维实体零件。

国内外的相关研究表明，基于激光3d打印技术的打印零件普遍存在未熔、气孔率高或裂纹等质量问题，为克服上述技术问题，本领域的相关研究中多采用优化打印工艺参数的手段来提高零件性能，如优化激光功率、扫描速率、脉冲宽度、脉冲频率、搭接率、扫描策略、粉末预热、铺粉厚度等参数，优化打印工艺参数虽然能够使打印零件的质量有所改善，但上述技术问题却并未真正获得解决，打印零件的性能仍未能令人满意。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述利用激光光源的各类设备提供的激光光束模式单一、基于激光3d打印技术的打印零件普遍存在的未熔、气孔率高或开裂等质量问题的技术问题。

本发明人在研究中首次发现，激光3d打印技术中，激光束的能量分布与零件的成型质量有很大关系。目前激光3d打印设备中，激光光源的光斑能量为高斯分布，激光光斑中央能量高，光斑边缘能量渐低，这种能量分布的特性是造成打印零件的未熔、气孔率高或裂纹等质量问题的重要原因。光斑中央能量密度过大，与热影响区形成大的温度梯度，熔池凝固与热影响区产生较大内应力，容易造成零件的变形或开裂；光斑边缘能量较低，造成粉末材料熔融不完全，导致未熔、气孔等缺陷。

基于上述发现，本发明实施例提出了一种光束整形机构，所述光束整形机构用于激光加工设备，包括转轮和设置于所述转轮上的一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器；所述转轮上沿圆周方向设置有多个孔，所述孔的中心线平行于所述转轮的中心轴，各孔的中心线与所述转轮的中心轴的距离相等；所述光束整形器设置于所述孔处，所述光束整形器的光轴与光束整形器所处的孔的中心线重合。

进一步，所述光束整形器包括平顶光斑模式整形器、凹陷光斑模式整形器、矩形光斑模式整形器、方形光斑模式整形器、环形光斑模式整形器、离焦光斑模式整形器、聚焦光斑模式整形器中的一个或多个。

进一步，所述平顶光斑模式整形器、所述凹陷光斑模式整形器、所述矩形光斑模式整形器均为折衍混合光学系统。

进一步，所述离焦光斑模式整形器为折射光学系统或折衍混合光学系统。

进一步，所述聚焦光斑模式整形器为扩束光学系统。

进一步，所述多个孔中的至少一个空置或者设置有不具有光束整形功能的透镜。

本发明实施例还提出一种激光光源系统，所述激光光源系统用于激光加工设备，所述激光光源系统包括激光器和如上所述的光束整形机构，所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述转轮的中心轴与光轴的距离等于所述转轮的中心轴与各孔的中心线的距离，所述激光器发出的激光光束经所述光束整形机构后出射。

本发明实施例还提出一种激光3d打印设备，所述激光3d打印设备包括沿光轴方向设置的激光器、准直系统和如上所述的光束整形机构，所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述准直系统对所述激光器发射的激光光束进行准直，所述准直系统出射的准直光经所述光束整形机构后出射。

进一步，所述激光3d打印设备包括沿光轴方向设置的激光器、准直系统、如上所述的光束整形机构、扫描振镜和场镜。

本发明实施例还提出一种激光3d打印方法，利用如上所述的激光3d打印设备，所述方法包括以下步骤：

s1：将待打印区域划分成不同的打印区域；

s2：根据不同的打印区域的具体情况，选择合适的光斑模式对所述不同的打印区域进行扫描，所述光斑模式的选择通过转动所述光束整形机构实现。

本发明实施例的有益效果：本发明实施例利用独特的光束整形机构，使得激光加工中能够根据实际需要选择不同的光斑模式，提高了加工效率，拓展了激光加工设备的功能，提升了产品质量。特别是在激光3d打印中，实现了利用不同能量分布的激光光束作为激光3d打印的热源，可以调整激光光斑能量成平顶、凹陷或其它分布，使激光扫描熔池内的温度符合实际需要，获得了优异的技术效果：1)避免了高斯能量分布中心能量过高造成的材料气化，减弱了对材料成分的破坏；2)避免了高斯能量分布边缘能量过低造成材料未完全熔融，减少了零件内部未熔、气孔等缺陷；3)整形光束扫描熔道热影响区小，减弱了材料粘结对打印零件尺寸精度的影响；4)整形光束能量均匀时，熔池平整，零件在3d成形过程中熔道层-层间搭接平整均匀，避免了高斯能量分布光斑扫描熔道中间搭接率高，两侧搭接率不够，降低了因熔道层-层间过搭接或搭接不足引起的裂化；5)激光光束整形成矩形整形光束时，能够降低熔道道-道间搭接率，提高成形效率，可以降低因多次搭接造成的零件组织和力学性能的不均匀性；6)能够根据实际情况，切换多种光斑模式，利用不同的光斑模式扫描加热。

附图说明

图1是本发明实施例提出的光束整形机构示意图；

图2是本发明实施例提出的激光3d打印设备结构示意图；

图3是本发明实施例提出的激光3d打印方法中将待打印区域划分为不同的打印区域的示意图；

图4是本发明实施例中激光光束经折衍混合激光整形后的光强分布示意图；

图5是本发明实施例中激光光束经整形获得的平顶光斑和未经整形的高斯光斑光强剖面分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

<光束整形机构>

参照图1，本发明实施例提出了一种光束整形机构100，该光束整形机构能够用于例如激光3d打印设备的激光加工设备，其包括圆盘状转轮1和一个或多个用于对激光器发出的激光光束整形的光束整形器2，所述转轮1上沿圆周方向设置有多个孔3，所述孔3的中心线平行于所述转轮1的中心轴，各孔3的中心线与所述转轮1的中心轴的距离相等，所述光束整形器2包括一个或多个光学元件，光束整形器2设置于所述孔3处，光束整形器2的光轴与所述光束整形器所处的孔3的中心线重合，所述光束整形器2用于对激光器发出的激光光束整形，所述光束整形器2的数量小于或等于所述孔3的数量。

工作时，所述转轮1能够绕所述转轮1的中心轴旋转，通过转动所述转轮1，激光器发出的激光光束能够通过所述孔处的光束整形器2或者通过空置的孔3。在另一个实施方式中，所述孔3中的一个或多个可以安装不具有光束整形功能的透镜。

所述光束整形器2包括平顶光斑模式整形器、凹陷光斑(或称m-shape光斑、反高斯光斑)模式整形器、矩形光斑模式整形器、方形光斑模式整形器、环形光斑模式整形器、离焦光斑模式整形器、聚焦光斑模式整形器中的一个或多个。

所述光束整形器2为多个时，可以是同类光束整形器，也可以是不同类光束整形器。利用多个光斑模式整形器能够获得不同的激光光斑，当激光光束通过空置的孔3或孔3处安装的不具有光束整形功能的透镜时，即获得高斯光斑模式。

所述平顶光斑模式整形器、所述凹陷光斑模式整形器、所述矩形光斑模式整形器、所述方形光斑模式整形器、所述环形光斑模式整形器，例如均采用折衍混合光学系统。

所述离焦光斑模式整形器，例如采用折射光学系统或折衍混合光学系统，可以利用额外增加的微小光焦度为场镜输出光斑提供离焦量。

所述聚焦光斑模式整形器，例如采用扩束光学系统，可输出更大的光束尺寸，最终获得更小尺寸聚焦光斑。

实现不同光斑模式的光束整形器的具体组成和结构均为本领域普通技术人员所熟知，不必赘述。

将上述光束整形机构用于激光加工设备中时，平顶光斑模式和凹陷光斑(或称m-shape光斑、反高斯光斑)模式，可以用于铺粉激光3d打印和激光焊接，能够减小热影响区，减小和避免中心区域能量过于集中而导致的蒸回压发现象，避免引起表面加工质量查和成分偏析的问题，提高生产效率；环形光斑模式，可以用于同轴送粉的近净成形激光3d打印，能够提高能源利用率，提高生产效率，避免中心区域的能量过于集中；方形光斑模式，可以用于需要均匀方形区域加工的情况，如非金属面焊接等，能够使焊接区域受热均匀，焊接质量好，残余应力较小。

该光束整形机构能够用于各类激光加工设备中，如激光3d打印、激光切割，激光焊接、激光抛光等，能够方便的根据加工的实际需要调节所需要的光斑模式，避免了单一光束整形器获得的整形激光光束不适于实际工件的情况，提高了激光加工的效率和产品质量。

<激光3d打印设备>

现有技术中存在多种激光3d打印设备，例如，选择性激光熔化3d打印设备和选择性激光烧结3d打印设备，其设备的主要组成相同，主要包括激光器、扫描系统、场镜、铺粉装置、电气控制系统以及计算机系统等组成部分，各组成部分如下：

激光器，用于发射激光光束，作为热源；

准直系统，用于对激光器发射的激光光束进行准直；

扫描系统，用于使激光光束扫描工件，即，使激光光束与工件之间发生相对运动，改变工件上的激光光斑位置；除上述所述扫描系统有多种不同的实现方式，例如：激光光源沿z方向移动而工件在x、y方向运动；或者工件不动，激光光源与外光路系统作x、y方向运动；或者激光光源与工件均不动，光路系统中设置扫描振镜，使激光光束在工件上作x、y方向运动；或者激光光源与光路系统作x方向运动，工件作y方向运动；或者激光光源不动，光路系统中设置扫描振镜，使激光光束能够在工件上作x、y方向运动，工件作z方向运动。利用上述扫描方式能够实现激光光束对工件的扫描，完成三维零件的加工制造。

场镜，用于在工作面聚焦激光光束；

铺粉装置，用于在打印零件成型过程中铺设材料，例如，金属材料和/或陶瓷、尼龙等非金属材料；

电气控制系统用于调节设备的工作参数和工作状态；

计算机系统用于进行系统控制。

参照图2，在上述现有技术的基础上，本发明实施例还公开一种激光3d打印设备，该设备包括沿光轴方向设置的激光器10、准直系统20、光束整形机构100，扫描振镜30、场镜40。激光器10发出的激光光束经准直系统20整形后，出射准直光，准直光经光束整形机构100后，入射至扫描振镜，再经场镜40聚焦，出射的聚焦激光光束扫描工作台50上的工件60，即可实现激光3d打印。所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述转轮1的中心轴与光轴的距离等于所述转轮1的中心轴与各孔3的中心线的距离。

由此，本发明实施例通过将一种或多个光束整形器集成在一个转轮上，根据实际需求，转动转轮，使光束通过转轮上的某个器或转轮上空置的孔或孔3处安装的不具有光束整形功能的透镜，该设备能够实现光斑模式的切换。

需要特别说明的是，本领域技术人员能够理解，尽管本发明以扫描振镜作为激光3d打印设备的扫描系统，但这并不构成对本发明的限制，本发明实施例的光束整形机构100适合于具有上述任一聚焦方式或其他扫描方式的聚焦系统的激光加工设备。

<激光光源系统>

本发明实施例还提出一种激光光源系统，所述激光光源系统用于激光加工设备，该激光光源系统包括激光器以及上述光束整形机构100，所述转轮能够绕所述转轮的中心轴旋转，所述转轮的中心轴与光轴的距离等于所述转轮的中心轴与各孔的中心线的距离，所述激光器用于发出激光光束，所述激光器发出的激光光束经所述光束整形机构后出射。

本领域技术人员能够理解，在本实施例公开的内容的基础上，在激光加工设备领域，上述光束整形机构100在激光光源系统中的设置方式是本领域技术人员根据其具体特性及系统需求能够灵活设置的，例如，激光器发出的激光光束可以被光束整形元件整形后再入射至光束整形机构100，或者，如本发明实施例在上文以激光3d打印设备为例所说明的激光光源系统的实施方式，激光器发出的激光光束经准直系统后入射至光束整形机构。本发明的激光光源系统并不受本实施例的具体实施方式的限制。

<激光3d打印方法>

现有技术中存在多种激光3d打印方法，例如，选择性激光熔化3d打印方法和选择性激光烧结3d打印方法，区别主要在于所使用的材料不同，而打印方法大致相同，其打印方法包括如下步骤：

(1)读取待加工三维实体零件的3d模型文件，分层切片，导入合适的工艺参数，设计激光扫描路径，生成相应的数控代码；

(2)在工作台面上均匀地铺设材料，例如，金属材料和/或陶瓷、尼龙等非金属材料；

(3)计算机按照步骤(1)中生成的数控代码驱动运动机构运动，对每层材料进行选择性激光熔化，被熔化粉末冷却后固化在一起形成零件的实体部分；

(4)当一层粉末固化完成后，铺粉装置重新铺设一层材料，激光光束开始新一层的扫描；

(5)系统不断重复这一过程，直到叠加堆积成三维实体零件。

参照图3，在上述现有技术的基础上，本发明实施例还提供一种利用上述激光3d打印设备进行3d打印的方法，其包括以下步骤：

s1：将待打印区域划分成不同的打印区域。例如，图3所示将待打印区域划分为第一打印区域o、第二打印区域p以及第三打印区域q(q为边缘区域)。

s2：根据不同的打印区域的具体情况，选择合适的光斑模式对所述不同的打印区域进行扫描，所述光斑模式的选择通过转动前述光束整形机构100实现。对图3所示的三个不同的打印区域，根据实际情况选择合适的光斑模式进行扫描。

例如，利用平顶光斑模式或者凹陷光斑模式的激光光斑加热第一打印区域o，利用聚焦高斯光斑模式以勾边的形式加热第三打印区域q，还可以利用离焦方式对材料进行预加热处理，以平衡温度场，减小温度梯度产生的内应力。

参照图4，根据本发明实施例的一种激光光束整形的具体实现方式，入射高斯光束经过衍射光学元件4，波前相位被调制，然后经过场镜5，聚焦光斑光强分布发生变化，成为平顶光斑。图4中，g为高斯光斑，f为经整形后的平顶光斑。

参照图5，激光光束经整形获得的平顶光斑光强剖面分布(a)和未经整形的高斯光斑光强(b)剖面分布。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。