[发明专利]用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法

说明书

本发明的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法包括激光器，激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台。本发明能单独使用高斯光斑、环形光斑或椭圆形光斑打印，也能在打印过程的不同阶段自由切换光路打印，能提高打印效率和质量，减少金属打印的缺陷，利于SLM技术应用的推动。

技术领域

本发明涉及光纤激光光束整形领域，特别是涉及一种用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及其打印方法。

背景技术

激光选区熔化技术(SLM)作为增材制造技术(AM)的一种，可加工结构复杂的零件，其成品成形精度高，广泛应用于医学、航空航天等领域。目前，大多数的SLM加工设备均使用传统高斯密度分布激光束(单模TEM00模式)，由于高斯光中心位置能量较高，而边缘位置能量较低，在加工过程中往往会因为能量分布不均匀引起孔隙等缺陷。鉴于高斯光特殊的能量分布，提高激光功率会造成能量过度集中从而产生重熔、匙孔等问题。通过提高扫描速度来减少重熔、匙孔，但是扫描速度的提高，但会造成加工过程的快热快冷。快速冷却时，一些非稳态的中间相(如：低熔点共晶组织和化合物)的出现会使组织愈发不均匀，影响成品的性能。为了更好的增加工艺窗口范围，提高SLM生产效率，非传统激光束在SLM技术中的应用逐渐成为许多学者研究的重点。非传统激光束从光束整形角度出发，出现了椭圆形高斯光、平顶光、环形光等多种形式。因此有必要一种可以将高斯光转换为环形光斑或椭圆光斑的打印系统，该系统可在打印的不同阶段使用不同形状的光斑进行打印，一方面改变光束的能量分布及光斑尺寸，另外可以同步或者相互独立输入不同光斑，对于开展不同波长、光斑能量分布、形状以及复合作用状态下的金属增材制造研究具有重大意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种实现光斑能量分布、形状快速切换的光束整形系统的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及其打印方法，具体方案如下：

用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，包括激光器、沿着激光器射出高斯光束的传播路径上依次设有准直器、可变倍扩束镜、光束整形单元、全反射镜、振镜系统、场镜和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台。

进一步地，所述光束整形单元还包括电动切换装置，电动切换装置包括第一直线模组、二维镜架、XY轴移动平台、固定座、第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关和控制系统，所述第一直线模组和XY轴移动平台分别安装在固定座两侧，两二维镜架上分别安装第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，第一圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在第一直线模组的滑台上，第二圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在XY轴移动平台的滑台上，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一直线模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在XY轴移动平台两端，所述第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关、第一直线模组和XY轴移动平台分别连接控制系统。

进一步地，所述第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角相同，且顶角呈对称放置，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形为环形光束，或者旋转第一圆锥透镜或第二圆锥透镜，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜进行整形为椭圆形光束。

进一步地，所述XY轴移动平台主要由第二直线模组和第三直线模组连接构成，第三直线模组和第一直线模组分别安装在固定座两侧，第二直线模组平行于第一直线模组，并通过连接板安装在第三直线模组的滑台上，第二圆锥透镜通过连接板固定在第二直线模组的滑台上。