[发明专利]一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法

权利要求书

1.一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；所述光纤激光器的光纤激光头接入光斑整形机构，所述同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，所述加工送粉头安装在光斑整形机构下部，所述工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水；所述光斑整形机构包括扩束镜组、光束整形镜组及光斑能量调节镜组，所述扩束镜组包括第一凹透镜及第一凸透镜，所述光束整形镜组包括第一圆锥透镜及第二圆锥透镜，所述光斑能量调节镜组包括第二凸透镜及第三凸透镜；所述第一凹透镜、第一凸透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二凸透镜及第三凸透镜由上至下依次分布，光纤激光头发射出的激光束由第一凹透镜射入，由第三凸透镜射出，并以光斑的形式作用在成形基体的表面；所述第一凹透镜与第一凸透镜同心设置，第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距可调；所述第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶角相同，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶相对且同心设置，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距可调；所述第二凸透镜与第三凸透镜结构相同，第二凸透镜及第三凸透镜的水平位置可调；所述光斑整形机构的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

2.根据权利要求1所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述同轴送粉机构包括储粉罐、螺杆式送粉器、分粉器及送粉通道，所述储粉罐的出料口与螺杆式送粉器的进料口相连通，螺杆式送粉器的出料口与分粉器的进料口相连通，分粉器的出料口与送粉通道一端相连通，送粉通道另一端与加工送粉头相连；所述储粉罐通过一路管道与惰性气体源相接通，在储粉罐与惰性气体源之间连接有流量控制器，通过流量控制器对粉末原料的输送量进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述加工送粉头的顶部两侧设有喷粉口，喷粉口向内倾斜设置，两侧的喷粉口喷出的原料粉末汇聚于光斑中心；所述惰性气体源通过另一路管道与加工送粉头内部相接通，通过惰性气体源向加工送粉头内输入惰性保护气，惰性保护气的输入压力通过流量控制器进行控制；所述加工送粉头的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

4.根据权利要求1所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述工作台采用五轴联动驱动方式，在工作台的基板面下表面设有冷却管路，基板面的冷却管路与水冷机相连通，并通过水冷机提供循环冷却水。

5.一种激光直接沉积成形方法，采用了权利要求1所述的可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在计算机中绘制成形件的三维模型，将模型文件加载到切片软件中，通过切片软件对模型文件进行切片并完成离散分层，通过对填充率、单层厚度、单道宽度、填充方式、搭接率、送粉速度、预热温度参数进行调控，生成最佳的沉积路径，再对加工路径与快速进给路径进行区分，同时对加工路径及快速进给路径的速度参数进行分别设置，对于小于成形设备精度的短路径进行过滤；

步骤二：调整扩束镜组中第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距，调整光束整形镜组中第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距，调整光斑能量调节镜组中第二凸透镜及第三凸透镜的水平同轴位置；

步骤三：接通光纤激光器和水冷机，将原料粉末装入同轴送粉机构的储粉罐中，将惰性气体源输出的惰性保护气经减压后通过流量控制器，确保惰性保护气的流量，惰性保护气一路进入储粉罐中，另一路进入加工送粉头内；选择或编辑需要执行的路径文件，输入激光功率、光斑大小、离焦量、送粉率、送粉气体流量和扫描速度；

步骤四：开始沉积成形工作，在沉积成形过程中，每完成一层沉积后，都需要判断成形件是否成形完成；若为否，则重新对光斑整形机构进行调节，以改变原有的光斑能量密度分布状态，并重复进行沉积过程；若为是，则关闭流量控制器并停止送粉，等待成形件冷却，沉积成形工作结束。