專利名稱：用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法及裝置，它屬于一種半導(dǎo)體激光器快速成型的方法及裝置。
現(xiàn)在的快速自動成型機采用的點掃描方式是用透鏡將激光束在工作面上聚焦成點，逐行進行掃描，利用計算機對激光功率輸出的控制實現(xiàn)選區(qū)加工。激光點掃描系統(tǒng)若采用透鏡后掃描方式即在聚焦透鏡后設(shè)置掃描器時(附

圖1)，由于聚焦點的軌跡為一圓弧，在軌跡邊緣處與工作面處相距甚遠，只有在軌跡中心處才與工作面重合，嚴重影響工件質(zhì)量。激光點掃描系統(tǒng)若采用透鏡前掃描方式即在聚焦透鏡前設(shè)置掃描器時(附圖2)，掃描質(zhì)量好，聚焦點的軌跡為一直線可與工作面重合，但聚焦透鏡不是在近軸光而是在較大視場下工作，聚焦透鏡口徑大，造成視場像差校正和光學加工的困難。
本發(fā)明的目的是提供一種沒有共性掃描系統(tǒng)的、成型產(chǎn)品質(zhì)量好和成型速度快的用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法及裝置。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實現(xiàn)的一種用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法，它使用計算機對各元素可獨立驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器陣列激光元的光功率輸出與否進行控制，再通過各激光元相應(yīng)的光學系統(tǒng)形成一種陣列式能量源來實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加，直接制造三維型體。
為實現(xiàn)上述方法而設(shè)計的快速成型裝置，它包括成型室和激光窗等，其中它還包括半導(dǎo)體激光器陣列能量源，半導(dǎo)體激光器陣列能量源設(shè)在成型室上方，作為實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加的能量源；成型室由成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒及相應(yīng)的運動機構(gòu)組成，以完成各種自動成型的運動；激光窗設(shè)置在成型室和半導(dǎo)體激光器陣列能量源之間，用以傳輸激光能量并隔離成型室與外界的聯(lián)系。
上述半導(dǎo)體激光器陣列能量源包括半導(dǎo)體激光器陣列、快軸準直柱面鏡和慢軸準直微柱鏡陣列，快軸準直柱面鏡設(shè)在半導(dǎo)體激光器陣列的前面并使半導(dǎo)體激光器陣列位于快軸準直柱面鏡的焦點處，慢軸準直微柱鏡陣列位于快軸準直柱面鏡出光的一側(cè)，使其焦平面與半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)光元平面共面，快軸準直柱面鏡和慢軸準直微柱鏡陣列分別用來準直半導(dǎo)體激光器陣列的快軸和慢軸方向的發(fā)散角。
上述半導(dǎo)體激光器陣列可為面陣，面陣半導(dǎo)體激光器可用若干個安裝于薄片小熱沉上的單個半導(dǎo)體激光器組成或用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成，面陣的各個半導(dǎo)體激光器元素可獨立驅(qū)動，以實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否，面陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距和行距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。
上述半導(dǎo)體激光器陣列還可為線陣，線陣半導(dǎo)體激光器用若干個安裝于薄片小熱沉上的單個半導(dǎo)體激光器組成或用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成，線陣的各個半導(dǎo)體激光器元素可獨立驅(qū)動，以實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否，線陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。
由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，因此與背景技術(shù)相比，具有無共性掃描系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡單、成型速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好和操作方便等優(yōu)點。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
圖1是透鏡后掃描方式激光點掃描系統(tǒng)；圖2是透鏡前掃描方式激光點掃描系統(tǒng)；圖3是半導(dǎo)體激光器面陣選區(qū)燒結(jié)快速成型機示意圖；圖4是半導(dǎo)體激光器線陣選區(qū)燒結(jié)快速成型機示意圖；圖5是半導(dǎo)體激光器線陣快軸方向的準直柱面鏡；圖6是半導(dǎo)體激光器線陣能量源示意圖；圖7是帶小熱沉的單個半導(dǎo)體激光器的示意圖。
圖1中的1為聚光鏡，2為轉(zhuǎn)鏡，3為掃描軌跡，4為工作面。
圖2中的5為聚光鏡單元，2為轉(zhuǎn)鏡，6為掃描軌跡，與工作面重合。
如圖3所示，半導(dǎo)體激光器面陣選區(qū)燒結(jié)快速成型機包括半導(dǎo)體激光器面陣能量源7、成型室和激光窗9等部件，作為實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加能量源的半導(dǎo)體激光器面陣能量源7設(shè)在成型室上方，成型室由成型活塞12、供粉活塞13、鋪粉滾筒15等組成，激光窗9設(shè)置在成型室和半導(dǎo)體激光器面陣能量源7之間，用以傳輸激光能量并隔離成型室與外界的聯(lián)系。圖中10為加工平面，11為生成的零件，14為原料粉末，Z為表示活塞運動方向。半導(dǎo)體激光器面陣能量源包括半導(dǎo)體激光器面陣、快軸準直柱面鏡陣列和慢軸準直微柱鏡陣列，快軸準直柱面鏡陣列設(shè)在半導(dǎo)體激光器面陣的前面并使半導(dǎo)體激光器陣列位于快軸準直柱面鏡的焦點處，慢軸準直微柱鏡陣列位于快軸準直柱面鏡出光的一側(cè)，使其焦平面與半導(dǎo)體激光器面陣發(fā)光元平面共面，快軸準直柱面鏡陣列和慢軸準直微柱鏡陣列分別用來準直半導(dǎo)體激光器面陣的快軸和慢軸方向的發(fā)散角。半導(dǎo)體激光器面陣用若干個安裝于薄片小熱沉上的半導(dǎo)體激光器組成，面陣的各個半導(dǎo)體激光器元素可獨立地由計算機驅(qū)動，以實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否，面陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距和行距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。當半導(dǎo)體激光器面陣能復(fù)蓋三維型體的各層截面時，則半導(dǎo)體激光器面陣只需垂直于層面作相對機械運動，即可實現(xiàn)逐層選區(qū)添加制造三維型體。上述面陣半導(dǎo)體激光器也可用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成。
該機工作過程是完成一層燒結(jié)后成型活塞12下降一層厚的高度，而供粉活塞13上升一定的高度將粉推出，由鋪粉滾筒15推向成型活塞12上方的工作面10處并鋪平壓實，再啟動能量源燒結(jié)該層，如此反復(fù)形成三維實體11。
如圖4所示，半導(dǎo)體激光器線陣選區(qū)燒結(jié)快速成型機包括半導(dǎo)體激光器線陣能量源16、成型室和激光窗9等部件，作為實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加能量源的半導(dǎo)體激光器線陣能量源16設(shè)在成型室上方，成型室由成型活塞12、供粉活塞13、鋪粉滾筒15等組成，激光窗9設(shè)置在成型室和半導(dǎo)體激光器線陣能量源16之間，用以傳輸激光能量并隔離成型室與外界的聯(lián)系。圖中10為加工平面，11為生成的零件，14為原料粉末，Z為表示活塞運動方向，X表示掃描運動方向。半導(dǎo)體激光器線陣能量源包括半導(dǎo)體激光器線陣17、快軸準直柱面鏡18和慢軸準直微柱鏡陣列19(見圖6)，快軸準直柱面鏡18設(shè)在半導(dǎo)體激光器線陣17的前面并使半導(dǎo)體激光器線陣17位于快軸準直柱面鏡18的焦點處。慢軸準直微柱鏡陣列19位于快軸準直柱面鏡18出光的一側(cè)，使其焦平面與半導(dǎo)體激光器線陣17發(fā)光元平面共面，快軸準直柱面鏡18和慢軸準直微柱鏡陣列19分別用來準直半導(dǎo)體激光器線陣17的快軸和慢軸方向的發(fā)散角。半導(dǎo)體激光器線陣用若干個安裝于小熱沉上的單個半導(dǎo)體激光器組成，線陣的各個半導(dǎo)體激光器元素具有獨立的電源，以便獨立驅(qū)動實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否。線陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。例半導(dǎo)體激光器線陣中發(fā)光元的節(jié)距P(各發(fā)光元的中心距)應(yīng)能滿足加工精度的要求，例如加工精度為±0.2mm，則陣列元素輸出光與否的分辯率應(yīng)高于0.2mm，即開關(guān)一個發(fā)光元所影響的尺寸不大于0.2mm。根據(jù)這個尺寸P，設(shè)計半導(dǎo)體激光器陣列的發(fā)光元的長度和間隙。如當各發(fā)光元長度e=0.1mm，則各發(fā)光元的間隔不得超過0.2-0.1=0.1mm。間隔大小對陣列加工工藝影響很大，因此要在加工精度、節(jié)距、長度、間隔等參數(shù)中進行優(yōu)化設(shè)計。上述線陣半導(dǎo)體激光器也可用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成。當半導(dǎo)體激光器線陣的線長大于三維型體各截面的最大長度時，則半導(dǎo)體激光器線陣只需沿垂直于線陣方向的一維掃描和垂直于層面作相對機械運動，即可實現(xiàn)逐層選區(qū)添加制造三維型體。成型室內(nèi)各零部件的工作情況同前。當面陣不能復(fù)蓋三維型體的各層截面或線陣的線長小于三維型體各截面的最大長度時，可通過分塊實現(xiàn)逐層選區(qū)添加制造三維型體。
如圖5所示，快軸準直柱面鏡18母線方向的長度與半導(dǎo)體激光器線陣17的長度相等，其半徑方向的通光口徑c.a.決定于快軸準直柱面鏡18的焦距f和半導(dǎo)體激光器線陣17快軸的發(fā)散角θ,c.a.=f·θ(1)。當半導(dǎo)體激光器為面陣時，快軸方向準直就應(yīng)由多根細長的柱面鏡形成面陣來實現(xiàn)。
如圖6所示。半導(dǎo)體激光器線陣17的快軸方向的快軸準直柱面鏡18與圖5中的一樣，慢軸方向準直的微柱鏡陣列19的長度與半導(dǎo)體激光器線陣17相等，其母線方向的寬度應(yīng)大于快軸準直柱面鏡18的通光口徑，以保證由激光器發(fā)出的兩個方向的光線都能進入透鏡而不被攔截，其半徑方向的通光口徑c.a.決定于它的焦距f和激光器慢軸發(fā)散角θ，與公式(1)相同。當半導(dǎo)體激光器陣列為面陣時，慢軸方向準直也應(yīng)由多個線陣柱面微透鏡陣列組成面陣來實現(xiàn)。圖中e為激光元出光尺寸，c.a.為通光口徑，Somax為微透鏡陣列到激光元出射面的最大距離，f為焦距，P為節(jié)距。
半導(dǎo)體激光器發(fā)光元快軸方向的線度尺寸極小(1μm量級)，可看作是點光源，因此準直后可看作為理想的平行光，而慢軸方向發(fā)光元的線度尺寸較大(幾十到百十個μm量級)，因此準直后存在剩余發(fā)散角，可按下式計算tanαmx=e2Somax=(ec·a·-e)×tanθHW1/e2]]>其中αmax為準直后的剩余發(fā)散角，e為激光元出光尺寸，c.a.為孔徑光欄直徑，Somax為微透鏡陣列到激光元出射面的最大距離，θHW1/e2為激光束功率下降到中心1/e2值的直徑所對應(yīng)的發(fā)散角。
當選定了快慢軸準直光學元件輸出平行光束不能獲得符合要求的陣列光斑時，可在一定工作距離上對半導(dǎo)體激光器陣列的各發(fā)光元成像，調(diào)整此快軸和慢軸的準直光學元件相對于激光器發(fā)光元的位置，可在工作面上獲得線陣或面陣的發(fā)光元的像，形成符合要求的能量源。
如圖7所示，帶小熱沉的單個半導(dǎo)體激光器由小熱沉20、接線柱21、連接線22和半導(dǎo)體激光器晶片23組成。制作方法為先將特殊光刻有分離槽的半導(dǎo)體激光器線陣晶片與精密加工的小熱沉組合體銦焊，結(jié)構(gòu)上應(yīng)將晶片反裝于小熱沉上(即P區(qū)緊貼熱沉)以利于散熱，然后將各激光元的N區(qū)引線連至相對應(yīng)的各接線柱上，以實現(xiàn)分別驅(qū)動，在完成了分離和連線工序后得到若干個帶小熱沉的單個半導(dǎo)體激光器，再在夾具上裝配成半導(dǎo)體激光器線陣。小熱沉的尺寸和激光器晶片的安裝有足夠高的精度，能確保各激光器元的解理面齊平和激光器元的間距，也就可以保證準直后出射光束的平行性和線陣元素間的節(jié)距。
驅(qū)動半導(dǎo)體激光器陣列各激光元的電源可采用數(shù)量與激光元數(shù)量相等，與激光元一一對應(yīng)的獨立驅(qū)動電源，也可采用統(tǒng)一的激光電源，通過譯碼選元順序驅(qū)動相應(yīng)的激光元。
權(quán)利要求
1.一種用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法，其特征在于使用計算機對各元素可獨立驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器陣列激光元的光功率輸出與否進行控制，再通過各激光元相應(yīng)的光學系統(tǒng)形成一種陣列式能量源來實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加，直接制造三維型體。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法而設(shè)計的快速成型裝置，它包括成型室和激光窗，其特征在于它還包括半導(dǎo)體激光器陣列能量源，半導(dǎo)體激光器陣列能量源設(shè)在成型室上方，作為實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加的能量源；成型室由成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒及相應(yīng)的運動機構(gòu)組成，以完成各種自動成型的運動；激光窗設(shè)置在成型室和半導(dǎo)體激光器陣列能量源之間，用以傳輸激光能量并隔離成型室與外界的聯(lián)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速成型裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器陣列能量源包括半導(dǎo)體激光器陣列、快軸準直柱面鏡和慢軸準直微柱鏡陣列，快軸準直柱面鏡設(shè)在半導(dǎo)體激光器陣列的前面并使半導(dǎo)體激光器陣列位于快軸準直柱面鏡的焦點處，慢軸準直微柱鏡陣列位于快軸準直柱面鏡出光的一側(cè)，使其焦平面與半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)光元平面共面，快軸準直柱面鏡和慢軸準直微柱鏡陣列分別用來準直半導(dǎo)體激光器陣列的快軸和慢軸方向的發(fā)散角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速成型裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器陣列可為面陣，面陣半導(dǎo)體激光器可用若干個安裝于薄片小熱沉上的單個半導(dǎo)體激光器組成或用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成，面陣的各個半導(dǎo)體激光器元素可獨立驅(qū)動，以實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否，面陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距和行距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速成型裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器陣列還可為線陣，線陣半導(dǎo)體激光器用若干個安裝于薄片小熱沉上的單個半導(dǎo)體激光器組成或用若干個帶尾纖的半導(dǎo)體激光器組成，線陣的各個半導(dǎo)體激光器元素可獨立驅(qū)動，以實現(xiàn)控制相應(yīng)元素的出光與否，線陣半導(dǎo)體激光器陣列的節(jié)距按逐層選區(qū)燒結(jié)或固化精度的要求確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用半導(dǎo)體激光器陣列實現(xiàn)快速成型的方法及裝置。該快速成型的方法是:使用計算機對各元素可獨立驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器陣列激光元的光功率輸出與否進行控制,再通過各激光元相應(yīng)的光學系統(tǒng)形成一種陣列式能量源來實現(xiàn)材料逐層選區(qū)添加,直接制造三維型體。該快速成型裝置包括成型室和激光窗等,它還包括半導(dǎo)體激光器陣列能量源,半導(dǎo)體激光器陣列能量源設(shè)在成型室的上方。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成型速度快等優(yōu)點。
文檔編號B23K26/00GK1213598SQ9811799
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月15日
發(fā)明者周漢昌, 朱林泉, 程軍 申請人:華北工學院