激光熔化多环分布激光束及衍射式环形激光束发生器的制作方法

1.本实用新型涉及一种增材制造金属激光熔化成形技术领域，特别涉及一种激光熔化多环分布激光束及衍射式环形激光束发生器。


背景技术：

2.增材制造，粉末床激光熔化(lpbf——laser powder bed funion)即3d金属打印选择性激光熔化成形(slm——selected laser melting)技术，已成为精度最高、最为重要的3d金属打印技术。激光束按各层数字模型路径依次扫描平铺的金属粉末，形成平面结构，层层叠加形成3维结构。slm技术中，目前全世界均采用高斯(gaussian)分布的激光束(下简称高斯束)，其熔化金属粉末的熔体动力学表明，高斯束具有过于强大的局部强度，束腰以内，轴心附近拥有～86％的入射波功率。重复的热—冷循环更恶化了这一问题:熔池气化和在底层熔池的反冲压力的积累，引起飞溅(spatter)、匙形孔状的熔池的产生；导致各种缺陷(defects)如：孔隙率(porosity)和表面粗糙度上升；柱状晶和残余应力增长，机械性能的各向异性倾向上升；相对密度下降，大大降低了打印的产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。


技术实现要素：

3.为了弥补以上不足，本实用新型提供了一种激光熔化多环分布激光束及衍射式环形激光束发生器，采用衍射式环形激光束发生器能够将高斯分布激光束转换成多环分布激光束，通过多环分布激光束进行激光熔化成形的产品具有良好的塑性和冲击韧性以及更长的疲劳寿命。
4.本实用新型为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光熔化多环分布激光束，包括中心激光束和外环激光束，中心激光束外围同心间隔的设有至少一圈外环激光束，所述中心激光束和各圈外环激光束的焦点位于同一熔化平面上。
5.作为实用新型的进一步改进，所述中心激光束与相邻的外环激光束之间以及相邻的外环激光束之间形成有距离相等或距离不等的间隙。
6.作为实用新型的进一步改进，各圈外环激光束的宽度相等或不等。
7.一种衍射式环形激光束发生器，包括安装平台、准直镜、衍射光学元件、激光入射光纤和激光射出光纤，所述激光入射光纤、准直镜、衍射光学元件和激光射出光纤沿激光发射方向顺序的安装于安装平台上，所述激光入射光纤和激光射出光纤与安装平台固定定位，准直镜和衍射光学元件分别能够沿激光发射方向直线滑动的安装于安装平台上，所述激光入射光纤发射出的高斯分布激光束经过同轴正对的准直镜和衍射光学元件后由激光射出光纤射出。
8.作为实用新型的进一步改进，所述准直镜和衍射光学元件之间还同轴的设有扩束镜，所述扩束镜能够沿轴向直线滑动的设于安装平台上。
9.作为实用新型的进一步改进，所述安装平台上固定设有与高斯分布激光束发射方
向平行的直线导轨，直线导轨上能够滑动的设有若干滑块，所述滑块上活动螺接有紧固螺丝，所述紧固螺丝能够紧抵安装平台表面与安装平台形成止动定位，所述准直镜、扩束镜和衍射光学元件分别能够固定的安装于各个滑块上。
10.作为实用新型的进一步改进，衍射光学元件能够沿其轴向滑动的安装于滑块上，衍射光学元件所在的滑块上还固定设有一螺旋测微器，所述螺旋测微器的测微螺杆端部与衍射光学元件轴向止动的连接。
11.作为实用新型的进一步改进，所述衍射光学元件所在的滑块上还固定设有一微调直线导轨，所述衍射光学元件能够滑动的安装于微调直线导轨上。
12.作为实用新型的进一步改进，还设有一倍频片，所述倍频片能够拆卸的固定安装于一个滑块上，所述倍频片位于衍射光学元件背向激光入射光纤一侧，经过衍射光学元件的激光束能够在倍频片上聚焦照射。
13.作为实用新型的进一步改进，还设有发生器外罩，所述外罩安装于安装平台上，准直镜、扩束镜和衍射光学元件容纳于发生器外罩和安装平台形成的封闭空间内，激光入射光纤和激光射出光纤分别固定安装于发生器外罩两相对侧的侧壁上。
14.本实用新型的有益技术效果是：本实用新型通过衍射式环形激光束发生器的衍射光学元件将高斯分布激光束转化成环形激光束，进行激光熔化成形时，通过调整衍射光学元件位置来改变环形束的环数和环宽，以适应不同金属粉末熔化的特性，本实用新型的环形激光束更优于平顶能量分布的激光束，实现了按需求调整入射波能量分布，大大减轻了熔池的扰动，减小了熔池溅射，此外，还产生了对于凝固微结构良好的影响，增加了金属粉末熔化成形过程中等轴晶的趋势，大大提高了打印产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。
附图说明
15.图1为现有技术中高斯分布激光束能量分布示意图；
16.图2为本实用新型的环形激光束能量分布示意图；
17.图3为高斯分布激光束的能量集聚第一示意图；
18.图4为高斯分布激光束的能量集聚第二示意图；
19.图5为高斯分布激光束熔化金属粉末时熔池飞溅示意图；
20.图6为环形激光束熔化金属粉末时熔池飞溅示意图；
21.图7本实用新型的衍射式环形激光束发生器对激光束转换示意图；
22.图8为图7中c-c部剖面图；
23.图9为图7中d-d部剖面图；
24.图10为实用新型的衍射式环形激光束发生器结构原理示意图；
25.图11为本实用新型的衍射式环形激光束发生器使用状态图。
26.中心激光束
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1 外环激光束
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2 安装平台
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3 准直镜
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4 衍射光学元件
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5 激光入射光纤
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6 激光射出光纤
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7 扩束镜
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8 直线导轨
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9 滑块
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10 螺旋测微器
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11 倍频片
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12 环形激光束发生器
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14 光器
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15 振镜
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16 高斯分布激光束
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17 环形激光束
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18 粉尘
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19 飞溅
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20 聚光透镜
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21 束腰半径
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22 高斯分布激光束能量
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a 多环分布激光束能量
‑‑‑b具体实施方式
27.以下借由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
28.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技艺的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
29.实施例：一种激光熔化多环分布激光束，包括中心激光束1和外环激光束2，中心激光束1外围同心间隔的设有至少一圈外环激光束2，所述中心激光束1和各圈外环激光束2的焦点位于同一熔化平面上。
30.采用反高斯的环形激光束进行激光熔化成形，根据不同金属粉末熔化的特性，对多环分布激光束进行调节，通过改变多环激光束的环数和环宽的排列组合来调整多环激光束的能量分布，进而实现了对不同金属粉末熔化的能量分布需求，实现对金属粉末的充分、均匀熔化，该多环分布激光束更优于平顶能量分布的激光束，方便调整入射波能量分布，大大减轻了熔池的扰动，大大减小了熔池溅射，此外还产生了对于凝固微结构的良好影响，增加了粉末熔化过程中等轴晶的趋势，有效减少了打印产品的孔隙率，降低产品表面粗糙度，产品中柱状晶和残余应力小，产品整体密度高，机械性能高，大大提高了打印产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。
31.所述中心激光束1与相邻的外环激光束2之间以及相邻的外环激光束2之间形成有距离相等或距离不等的间隙。在采用多环激光束进行熔化成形时，改变相邻环之间的间隙可以调整能量分布。
32.各圈外环激光束2的宽度相等或不等，在采用多环激光束进行熔化成形时，通调整各圈激光环的环宽来更适应相应的金属粉末熔化能量需求，使得金属粉末熔化过程中避免产生熔池扰动和熔池溅射，实际打印成形时，通过改变环数和环宽以及环间间隙，来适应不同金属粉末熔化加工，具体的多环激光束的环数、各环的环宽以及相邻环之间的距离根据实际激光熔化需求进行调节即可。
33.一种衍射式环形激光束发生器，包括安装平台3、准直镜4、衍射光学元件5、激光入射光纤6和激光射出光纤7，所述激光入射光纤6、准直镜4、衍射光学元件5和激光射出光纤7沿激光发射方向顺序的安装于安装平台3上，所述激光入射光纤6和激光射出光纤7与安装平台3固定定位，准直镜4和衍射光学元件5分别能够沿激光发射方向直线滑动的安装于安装平台3上，所述激光入射光纤6发射出的高斯分布激光束经过同轴正对的准直镜4和衍射光学元件5后由激光射出光纤7射出。
34.激光器发出的高斯分布激光束经过激光入射光纤6进入准直镜4内，由准直镜4对激光束进行准直校正后，进入衍射光学元件5，高斯分布激光束经过衍射光学元件5后形成多环光束，多环光束的环数和环宽可以通过滑动衍射光学元件5来进行调整，最终使得符合要求的多环光束焦点打在金属粉末层上，对金属粉末进行熔化成形。
35.所述准直镜4和衍射光学元件5之间还同轴的设有扩束镜8，所述扩束镜8能够沿轴向直线滑动的设于安装平台3上，通过扩束镜8将准直镜4校正后的直线激光束进行激光光
束直径扩大并产生设定的发散角，经过扩束镜8扩束的激光束经过衍射光学元件5后可以产生更加完美的衍射效果，形成理想的多环激光束。
36.所述安装平台3上固定设有与高斯分布激光束发射方向平行的直线导轨9，直线导轨9上能够滑动的设有若干滑块10，所述滑块10上活动螺接有紧固螺丝，所述紧固螺丝能够紧抵安装平台3表面与安装平台3形成止动定位，所述准直镜4、扩束镜8和衍射光学元件5分别能够固定的安装于各个滑块10上。将准直镜4、扩束镜8和衍射光学元件5安装在各个滑块10上，通过滑动滑块10实现对准直镜4、扩束镜8和衍射光学元件5沿激光束传播方向进行位置调整，进而改变射出的多环激光束的特性，调整结束后，通过紧固螺丝锁紧滑块10即可，使得准直镜4、扩束镜8和衍射光学元件5保持在稳定的调节位置，保证激光熔化加工精度，除了采用紧固螺丝实现滑块10定位外，也可以采用其他方式定位，如夹紧定位等等，此类都是本领域技术人员根据本专利很容易想到的等同替换结构，属于本专利保护范围。
37.衍射光学元件5能够沿其轴向滑动的安装于滑块10上，衍射光学元件5所在的滑块10上还固定设有一螺旋测微器11，所述螺旋测微器11的测微螺杆端部与衍射光学元件5轴向止动的连接。衍射光学元件5通过滑块10进行初步位置调整并定位后，再通过滑块10上的螺旋测微器11进行精确调节，可以对激光束进行精确修整，使得射出的激光束完美符合要求。
38.所述衍射光学元件5所在的滑块10上还固定设有一微调直线导轨9，所述衍射光学元件5能够滑动的安装于微调直线导轨9上。
39.还设有一倍频片12，所述倍频片12能够拆卸的固定安装于一个滑块10上，所述倍频片12位于衍射光学元件5背向激光入射光纤6一侧，经过衍射光学元件5的激光束能够在倍频片12上聚焦照射。在进行激光熔化加工前，可以先将倍频片12作为靶材固定安装到一个滑块10上，通过调整其位置，使其与加工时金属粉末位置对应，将多环激光束打在倍频片12上，通过测量倍频片12上多环激光束的环数、环宽以及环间距来进行多环激光束的预先调节，调节完毕后，将倍频片12拆卸下来即可，避免了加工时对激光束进行调节耗费时间和浪费金属粉末，有利于提高打印效率和打印精度。
40.还设有发生器外罩13，所述外罩安装于安装平台3上，准直镜4、扩束镜8和衍射光学元件5容纳于发生器外罩13和安装平台3形成的封闭空间内，激光入射光纤6和激光射出光纤7分别固定安装于发生器外罩13两相对侧的侧壁上。通过发生器外罩13将各个元器件进行保护，形成一个独立的环形激光束发生器，使用时，只需将激光入射光线与激光器连接，将激光射出光线与振镜连接即可，形成了一个脱离激光器和振镜系统进行单独设计的通用设备，可以用于不同的激光器和振镜系统，通用性好，不需要每一个激光器都配一个环形激光发生器，有利于降低设备成本。
41.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，也应视为在本实用新型的保护范围内。