一种均质激光加热装置及系统

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种均质激光加热装置及系统。

背景技术：

1、激光选区烧结(sls)采用红外激光器作为能源，先将粉末预热到稍低于熔点的温度，然后利用激光根据截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完去掉多余的粉末，则可以得到一烧结好的零件。该类型成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。

2、然而，目前的sls技术在制造超大尺寸零件和高温聚合物材料(例如聚醚醚酮、尼龙10t、尼龙6等)方面仍面临挑战。其中最大的问题是sls设备的加热系统难以保证在制备过程中粉床温度场的均匀性。粉床温度场的不均匀性会导致制件翘曲、开裂甚至打印失败。

3、目前常见的sls设备采用多个红外光灯管构成的加热系统，通过增加灯管数量和调整排列方式来提高粉床的温度均匀性。然而，由于红外辐射场能量分布的复杂性和聚合物粉末的热传导率较低，仅依靠灯管阵列提高大范围粉床的温度均匀性效果有限，这使得制造超大尺寸的高温聚合物构件变得困难。此外，通过灯管阵列辐射加热的方式也会造成较大的能源损耗，同时也降低了加热效率。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种均质激光加热装置及系统，旨在解决现有的sls设备粉床温度场不均匀、加热效率低的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种均质激光加热装置，其包括加热激光器、壳体、光束整形扩散器和吸能器，其中：所述加热激光器固定在壳体上部，用于发射加热激光束；所述壳体的下部开口，用于放置光束整形扩散器，同时该壳体还设置有向下延伸的连接件，用于固定吸能器；所述光束整形扩散器用于将入射的加热激光束整形为均匀且特定形状的出射加热光并送入吸能器；所述吸能器的中心开有透光槽，所述透光槽的面积小于出射加热光在吸能器上的投影面积，以吸收所述出射加热光的边缘能量，进而产生均质激光热源。

3、作为进一步优选地，所述透光槽的形状与出射加热光的形状为相似图形，所述透光槽的内切圆直径大于或等于500倍的激光束波长，并且所述透光槽的面积与出射加热光在吸能器上的投影面积的比例为0.9～0.98。

4、作为进一步优选地，所述吸能器上平面与光束整形扩散器下平面的距离为1cm～10cm。

5、作为进一步优选地，所述吸能器的内部设置有冷却流道，用于对所述吸能器进行冷却，所述吸能器的厚度大于或等于1cm。

6、作为进一步优选地，所述光束整形扩散器采用玻璃，所述壳体采用陶瓷材料，所述吸能器采用碳纳米管、二氧化钛或二氧化锌。

7、作为进一步优选地，所述加热激光器的功率为100w～10000w，所述加热激光器的波长为1064nm～10640nm。

8、按照本发明的另一方面，提供了一种均质激光加热系统，其包括多个上述均质激光热源装置，所述均质激光热源装置间隔预设距离呈阵列布置，用于在粉床上投影出热辐射光场，并且相邻热辐射光场不重叠。

9、作为进一步优选地，相邻所述热辐射光场的边缘距离为0.001～0.01倍的热辐射光场的边长，一个所述热辐射光场的面积不超过1m2。

10、作为进一步优选地，所述均质激光加热系统还包括热像仪和激光补热装置，所述热像仪用于设置在粉床上方，以采集粉床温度场并确定热量缺口位置；所述激光补热装置包括沿激光传播方向依次设置的补热激光器、反射镜和振镜，用于对热量缺口位置照射补热激光以保持粉床温度场的均匀性。

11、作为进一步优选地，所述补热激光器的功率为5w～200w，扫描速率为100mm/s～4000mm/s，补热激光的光斑大小为0.1mm～1mm。

12、作为进一步优选地，所述均质加热系统还包括冷却装置，所述冷却装置设置在均质激光加热装置和激光补热装置的外侧，用于对其进行降温。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

14、1.本发明提供的均质激光加热装置采用激光器作为热源，首先利用光束整形扩散器将能量集中的激光光束扩散成能量均匀且具有特定形状的出射加热光，然后利用中间开槽的吸能器隔断出射加热光能量偏高的边缘区域，使得投影到粉床上的热辐射光场各个区域的能量密度基本一致，进而获得均质激光热源，同时激光器的功率较高，能够有效提高加热效率；

15、2.尤其是，本发明通过对吸能器中透光槽的面积进行优化，能够保证边缘衍射产生的干扰忽略不计，高能量区域完全被截掉，还能够避免截取面积过多造成能量浪费，并导致吸能器吸收过多激光导致温度急剧升高；

16、3.此外，本发明还对吸能器与光束整形扩散器的距离进行优化，能够避免热量淤积导致均质激光加热装置损坏，还能够避免吸能器截取光场面积过大导致实际投影面积过小、吸能器温度上升过快；

17、4.本发明提供的均质激光加热系统采用多个均质激光加热装置间隔预设距离呈阵列布置，能够在粉床上投影出热辐射光场，保证粉床温度场的均匀性，并且相邻热辐射光场不重叠，能够避免出现局部温度过高的问题；

18、5.同时，本发明考虑到相邻激光热辐射光场预设了安全距离，导致相邻光场的交界处温度相对较低，进而提出增设热像仪和激光补热装置，利用热像仪采集粉床温度场并确定热量缺口位置，并利用激光补热装置对热量缺口位置照射补热激光以保持粉床温度场的均匀性，能够进一步提高粉床温度场的均匀性，并且由于粉床上激光热辐射光场呈阵列排布，低温区处于相邻激光热辐射光场的交界处，因此在整个粉床上低温区呈现网格状分布，这大大降低了激光补热装置的路径规划和振镜控制的复杂程度，提高了补热效率。

技术特征：

1.一种均质激光加热装置，其特征在于，该均质激光加热装置包括加热激光器(11)、壳体(13)、光束整形扩散器(12)和吸能器(14)，其中：所述加热激光器(11)固定在壳体(13)上部，用于发射加热激光束；所述壳体(13)的下部开口，用于放置光束整形扩散器(12)，同时该壳体(13)还设置有向下延伸的连接件，用于固定吸能器(14)；所述光束整形扩散器(12)用于将入射的加热激光束整形为均匀且特定形状的出射加热光并送入吸能器(14)；所述吸能器(14)的中心开有透光槽，所述透光槽的面积小于出射加热光在吸能器(14)上的投影面积，以吸收所述出射加热光的边缘能量，进而产生均质激光热源。

2.如权利要求1所述的均质激光加热装置，其特征在于，所述透光槽的形状与出射加热光的形状为相似图形，所述透光槽的内切圆直径大于或等于500倍的激光束波长，并且所述透光槽的面积与出射加热光在吸能器(14)上的投影面积的比例为0.9～0.98。

3.如权利要求1所述的均质激光加热装置，其特征在于，所述吸能器(14)上平面与光束整形扩散器(12)下平面的距离为1cm～10cm。

4.如权利要求1所述的均质激光加热装置，其特征在于，所述吸能器(14)的内部设置有冷却流道(141)，用于对所述吸能器(14)进行冷却，所述吸能器(14)的厚度大于或等于1cm。

5.如权利要求1～4任一项所述的均质激光加热装置，其特征在于，所述光束整形扩散器(12)采用玻璃，所述壳体(13)采用陶瓷材料，所述吸能器采用碳纳米管、二氧化钛或二氧化锌。

6.一种均质激光加热系统，其特征在于，该均质激光加热系统包括多个如权利要求1～5任一项所述的均质激光热源装置(1)，所述均质激光热源装置(1)间隔预设距离呈阵列布置，用于在粉床上投影出热辐射光场，并且相邻热辐射光场不重叠。

7.如权利要求6所述的均质激光加热系统，其特征在于，相邻所述热辐射光场的边缘距离为0.001～0.01倍的热辐射光场的边长，一个所述热辐射光场的面积不超过1m2。

8.如权利要求6所述的均质激光加热系统，其特征在于，所述均质激光加热系统还包括热像仪(3)和激光补热装置(2)，所述热像仪(3)用于设置在粉床上方，以采集粉床温度场并确定热量缺口位置；所述激光补热装置(2)包括沿激光传播方向依次设置的补热激光器(21)、反射镜(22)和振镜(23)，用于对热量缺口位置照射补热激光以保持粉床温度场的均匀性。

9.如权利要求8所述的均质激光加热系统，其特征在于，所述加热激光器(11)的功率为100w～10000w，所述加热激光器(11)的波长为1064nm～10640nm；所述补热激光器(21)的功率为5w～200w，扫描速率为100mm/s～4000mm/s，补热激光的光斑大小为0.1mm～1mm。

10.如权利要求6～9任一项所述的均质激光加热系统，其特征在于，所述均质加热系统还包括冷却装置(4)，所述冷却装置(4)设置在均质激光加热装置(1)和激光补热装置(2)的外侧，用于对其进行降温。

技术总结
本发明提供了一种均质激光加热装置及系统，属于增材制造领域，其包括加热激光器、壳体、光束整形扩散器和吸能器，其中：加热激光器固定在壳体上部；壳体放置光束整形扩散器并固定吸能器；光束整形扩散器用于将入射的加热激光束整形为均匀且特定形状的出射加热光并送入吸能器；吸能器的中心开有透光槽，透光槽的面积小于出射加热光在吸能器上的投影面积，以吸收出射加热光的边缘能量，产生均质激光热源。本发明首先利用光束整形扩散器将能量集中的激光光束扩散成能量均匀且具有特定形状的出射加热光，然后利用中间开槽的吸能器隔断出射加热光能量偏高的边缘区域，使得投影到粉床上的热辐射光场各个区域的能量密度基本一致，进而获得均质激光热源。

技术研发人员：闫春泽,王浩则,陈鹏,苏瑾,史玉升
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15