專利名稱：激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及常溫下選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)
背景技術(shù)：
SLS技術(shù)(SLS:Selective Laser Sintering,粉末材料選擇性激光燒結(jié))是一種快速成型工藝，將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的C02激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分連接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層粉末材料，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。總而言之，SLS技術(shù)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS技術(shù)的光學(xué)部分是整機(jī)組成的核心之一，這是因?yàn)?1)激光源的性能、功率、輸出模式等決定成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能與否以及成型構(gòu)件的質(zhì)量；2)激光源占整臺設(shè)備的成本達(dá)20%以上；3)激光源的研發(fā)正在迅速發(fā)展中，是激光工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的重要部件；4)相關(guān)的光路引導(dǎo)系統(tǒng)隨著應(yīng)用目標(biāo)的不同有著特殊的設(shè)計要求:必須考慮到會聚到材料上的光斑線度以及激光束移動精度等。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇和改善SLS技術(shù)中的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)具有重要的甚至革新性的意義。在SLS技術(shù)中，常用的粉末材料有蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷、玻璃、金屬等。激光束照射到粉材表面時，一部分反射一部分透入材料內(nèi)被吸收，進(jìn)而對材料起熔結(jié)作用。不同的材料對不同波長的光吸收和反射有很大的差別。一般而言，電導(dǎo)率高的金屬材料對光波的反射率也高，表面光亮度高的材料反射率也高。一般金屬粉末燒結(jié)選用Nd = YAG激光器，因?yàn)榻饘俜勰O2激光器的激光反射率要大得多。陶瓷粉末也選用Nd: YAG激光器。高分子塑料類材料如聚碳酸酯等可用CO2激光器，因?yàn)榫厶妓狨ピ?.0 10.6um波長范圍內(nèi)有很高的吸收率。激光器的輸出模式會嚴(yán)重的影響激光加工效果。橫模決定激光束光波場在空間的展開程度，低階模能量比較集中，在實(shí)際使用中，盡量選用TEMtltl模(單橫模)，以便獲得盡可能高的功率密度光束。在已有的SLS技術(shù)中,光路引導(dǎo)系統(tǒng)一般包括:1)光路偏轉(zhuǎn)和控制系統(tǒng),如多組反射鏡；2)聚焦系統(tǒng),如凸透鏡、凹面鏡。3)勻光系統(tǒng),用于形成能量分布均勻的光斑。已有的是:3a)分割疊加變換系統(tǒng)。將基?；虻碗A模高斯光束平行分割成幾個子系統(tǒng)，并沿著分割線平行及垂直兩個方向分別進(jìn)行放大，最后將子光束按一定的相對位置進(jìn)行疊加，以獲得橫截面內(nèi)能量分布較均勻的光斑。3b)積分鏡系統(tǒng)。用以一定規(guī)律排列的反射鏡或投射鏡將強(qiáng)度不均勻的光束進(jìn)行分割，并使反射光束或投射光束在其焦點(diǎn)上疊加，產(chǎn)生積分作用而獲得均勻的光斑。3c)振鏡系統(tǒng)。采用高頻振蕩的鏡片，使光束沿與掃描方向垂直的方向高頻振動，在熱處理過程中，產(chǎn)生一條均勻較寬的能量分布。
目前已有的資料沒有詳細(xì)地介紹SLS技術(shù)中激光器的選擇和調(diào)制方法、對光學(xué)引導(dǎo)部分的介紹也各有特色。但目前的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)對于光束容易飄逸，塵埃容易落日機(jī)器內(nèi)部，對光路產(chǎn)生不良影響，光能量損耗多，系統(tǒng)調(diào)試難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為我們獨(dú)立研究的一種常溫下和開放環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的SLS技術(shù)提供有效的、安全的、穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，包括激光源、與該激光源配合的擴(kuò)束鏡、與該擴(kuò)束鏡配合的掃描振鏡裝置和與該掃描振鏡裝置連接的平場聚焦透鏡；激光燒結(jié)成型設(shè)備設(shè)有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦點(diǎn)落于該成型平臺的中心。進(jìn)一步，所述激光源、所述擴(kuò)束鏡和所述掃描振鏡裝置沿著X軸方向分布，所述平場聚焦透鏡和所述掃描振鏡裝置沿著Y軸方向分布，X軸和Y軸垂直；激光源發(fā)出的激光先沿著X軸射出，然后通過掃描振鏡裝置變換方向，沿著Y軸射向所述成型平臺。進(jìn)一步，所述激光源包括激光器和與該激光器連接的射頻脈沖電源；激光器為CO2激光器(CO2:二氧化碳)，由50MHz的所述射頻脈沖電源調(diào)制，從而輸出5kHz的脈沖激光。進(jìn)一步，所述激光器的外壁設(shè)有散熱片，且還套設(shè)有用于防塵的外罩，該外罩上設(shè)有風(fēng)扇。進(jìn)一步，所述擴(kuò)束鏡為一組ZnSe透鏡(ZnSe:硒化鋅)，該組ZnSe透鏡由前透鏡和后透鏡構(gòu)成，前透鏡焦點(diǎn)和后透鏡焦點(diǎn)重合，該組ZnSe透鏡為對10.6 ii m波長光透過率達(dá)92%或以上，并對其進(jìn)行擴(kuò)束。進(jìn)一步，所述掃描振鏡裝置由振鏡電機(jī)、振鏡控制板和兩個相互垂直的平面鏡組成；振鏡控制板連接振鏡電機(jī)，且振鏡電機(jī)連接平面鏡。進(jìn)一步，所述聚焦透鏡是平場聚焦透鏡，采用ZnSe單晶材料制成且鍍有增透膜層。進(jìn)一步，所述聚焦透鏡為針對10.6 ii m波長的焦距是435mm的透鏡。進(jìn)一步，所述激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其還包括控制裝置，該控制裝置由控制系統(tǒng)計算機(jī)和與振鏡控制器構(gòu)成，控制系統(tǒng)計算機(jī)和與振鏡控制器連接，控制系統(tǒng)計算機(jī)連接所述激光源，振鏡控制器連接所述掃描振鏡裝置。進(jìn)一步，所述激光源、所述擴(kuò)束鏡、所述掃描振鏡裝置和所述平場聚焦透鏡之間，均通過密封且防塵的部件連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:1、本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)智能化激光燒結(jié)成型的直接制造工業(yè)技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，具體地是實(shí)現(xiàn)常溫下選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)(SLS)的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)；本發(fā)明不僅能很好地實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件的打印，而且各光學(xué)零件之間無隙銜接成一體，避免了光束的漂移，同時防塵抗震；此外，設(shè)計中也考慮到對振鏡等光學(xué)元件的保護(hù)；光路引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，光路短，光能量損耗少；系統(tǒng)調(diào)試容易。激光移動精度可達(dá)0.1_±0.05_。2、本發(fā)明激光源把連續(xù)激光加以調(diào)制成脈沖激光輸出，可以增加峰值輸出功率，并使得加熱時間縮短，熱擴(kuò)散減少，有利于高分子材料熔結(jié)及冷卻，把體脹效應(yīng)降至最小；
3、擴(kuò)束鏡對10.6 ii m波長的激光5倍擴(kuò)束后將改善光束的準(zhǔn)直性，同時可使掃描振鏡承受的光波能量密度更低，更好地保護(hù)振鏡，延長其使用壽命；并且，擴(kuò)束鏡可令激光在成型平臺聚焦時獲得更小的光斑。由于功率密度和掃描密度等能明顯地影響燒結(jié)特征，更精細(xì)的光斑可以獲得更高的成型質(zhì)量；4、掃描振鏡裝置的結(jié)構(gòu)，能更好地針對脈沖激光勻光，而且定位精確，激光束在成型平臺處的移動精度可達(dá)0.lmm±0.05mm。5、采用本發(fā)明中的聚焦透鏡，激光束聚焦后的近軸傾角不超過±20° ;若激光燒結(jié)成型設(shè)備對零部件的成型范圍是400mm*400mm*350mm，因?yàn)槠綀鼍劢雇哥R被安置在成型平臺上方不超過500mm高處，使得激光在材料表面的入射角很小，所以不必添加額外的部件變換為圓偏振光，也不需考慮偏振特性對成型質(zhì)量的影響；6、采用控制裝置，進(jìn)行實(shí)時的參數(shù)調(diào)節(jié)，例如對于連續(xù)激光，激光輻照時間由激光掃描速度決定；對于脈沖激光，激光輻照時間由脈寬和激光掃描速度共同決定，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及對構(gòu)體分層后截面圖的分析，預(yù)先設(shè)定好參數(shù)，設(shè)備也可以自動進(jìn)行激光快速成型直至整個構(gòu)件被打印完成。7、本發(fā)明達(dá)到剛性聯(lián)接，且無隙密封以達(dá)到光路無塵干擾、穩(wěn)定的目的。


圖1是本發(fā)明激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)的原理圖，圖中箭頭為激光的發(fā)射方向；圖2是圖1的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2沿著A方向的仰視示意圖；圖中，1-激光源；11-激光器；111-外罩；112-風(fēng)扇；12-射頻脈沖電源；121-電源濾波器；2_擴(kuò)束鏡；3_掃描振鏡裝置；31_平面鏡；4_平場聚焦透鏡；5_控制裝置；51_控制系統(tǒng)計算機(jī)；52_振鏡控制器；6_成型平臺。
具體實(shí)施例方式如圖1至圖3所示實(shí)施例的激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，包括激光源
1、與該激光源配合的擴(kuò)束鏡2、與該擴(kuò)束鏡2配合的掃描振鏡裝置3和與該掃描振鏡裝置3連接的平場聚焦透鏡4 ;激光燒結(jié)成型設(shè)備設(shè)有成型平臺6，平場聚焦透鏡4設(shè)于和該成型平臺6配合的位置處。激光源1、擴(kuò)束鏡2和掃描振鏡裝置3沿著X軸方向分布，平場聚焦透鏡4和掃描振鏡裝置3沿著Y軸方向分布；激光源I發(fā)出的激光先沿著X軸射出，然后通過掃描振鏡裝置3變換方向，沿著Y軸射向成型平臺6。本實(shí)施例中X軸和Y軸相互垂直。激光源I包括激光器11和與該激光器11連接的射頻脈沖電源12，激光器11為CO2激光器(CO2:二氧化碳)，由50MHz的射頻脈沖電源12調(diào)制，輸出5kHz的脈沖激光?？衫?0.6 U m波長的激光，在IOs的預(yù)熱后，測得激光平均功率是45.50W。把連續(xù)激光加以調(diào)制成脈沖激光輸出，可以增加峰值輸出功率，并使得加熱時間縮短，熱擴(kuò)散減少，有利于高分子材料熔結(jié)及冷卻，把體脹效應(yīng)降至最小。在激光器11外壁設(shè)有散熱片，且還套設(shè)有一個金屬制成且用于防塵的外罩111，該外罩上設(shè)有兩個風(fēng)扇112，用于強(qiáng)迫風(fēng)冷，加快散熱。進(jìn)一步，可對射頻脈沖電源12配設(shè)一個電源濾波器121,以利于5kHz脈沖激光的穩(wěn)定輸出。擴(kuò)束鏡2為一組ZnSe透鏡，由前透鏡和后透鏡構(gòu)成,前透鏡焦點(diǎn)和后透鏡焦點(diǎn)重合或幾乎重合，該組ZnSe透鏡對10.6 ii m波長光透過率達(dá)92%或以上，并對其進(jìn)行擴(kuò)束。擴(kuò)束作用將改善光束的準(zhǔn)直性，同時可使掃描振鏡承受的光波能量密度更低，更好地保護(hù)振鏡，延長其使用壽命；并且，擴(kuò)束鏡2可令激光在成型平臺6聚焦時獲得更小的光斑。由于功率密度和掃描密度等能明顯地影響燒結(jié)特征，更精細(xì)的光斑可以獲得更高的成型質(zhì)量。掃描振鏡裝置3由振鏡電機(jī)、振鏡控制板和兩個相互垂直的高反射率的平面鏡31組成；振鏡控制板連接振鏡電機(jī)，且振鏡電機(jī)連接平面鏡31，振鏡控制板通過振鏡電機(jī)控制平面鏡31的擺動。兩個相互垂直的高反射率(>98%)的平面鏡31實(shí)現(xiàn)控制激光光束在X軸、Y軸方向移動，在超過40°時線性度仍保持在99.9%以，最大的讀數(shù)漂移是50PPM/°C，最大的零漂移是15微弧度每。C，可重復(fù)率達(dá)2微弧度。采用以上結(jié)構(gòu)，掃描振鏡裝置3能更好地針對脈沖激光勻光，而且定位精確，激光束在成型平臺處的移動精度可達(dá)
0.lmm + 0.05mmo聚焦透鏡4是F- 0透鏡，即平場聚焦透鏡。聚焦透鏡4采用ZnSe單晶材料制成且外鍍有增透膜層。激光束聚焦后的近軸傾角不超過±20°。若激光燒結(jié)成型設(shè)備對零部件的成型范圍是400mm*400mm*350mm，因?yàn)槠綀鼍劢雇哥R被安置在成型平臺上方不超過500mm處，使得激光在材料表面的入射角很小，所以不必添加額外的部件變換為圓偏振光，也不需考慮偏振特性對成型質(zhì)量的影響。本實(shí)施例還包括控制裝置5，該控制裝置5由控制系統(tǒng)計算機(jī)51和振鏡控制器52構(gòu)成，控制系統(tǒng)計算機(jī)51和振鏡控制器52連接，控制系統(tǒng)計算機(jī)51連接激光源1，振鏡控制器52連接掃描振鏡裝置3 ;激光源I和掃描振鏡裝置3都控制裝置5連接、通信。控制裝置5由總控制系統(tǒng)控制，主要是軟件程序`在成型過程中實(shí)現(xiàn)有序的、邏輯的自動控制，此也可通過觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)?？刂蒲b置5直接調(diào)制射頻脈沖電源12，并與掃描振鏡裝置3的振鏡控制板自帶的控制電路進(jìn)行通信。控制裝置5具有很靈活簡潔的人機(jī)互動界面，能進(jìn)行實(shí)時的參數(shù)調(diào)節(jié):激光掃描速度、激光功率、掃描密度、層厚、掃描方式、放大倍數(shù)等。對于連續(xù)激光，激光輻照時間由激光掃描速度決定；對于脈沖激光，激光輻照時間由脈寬和激光掃描速度共同決定。當(dāng)然，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及對構(gòu)體分層后截面圖的分析，預(yù)先設(shè)定好參數(shù)，設(shè)備也可以自動進(jìn)行激光快速成型直至整個構(gòu)件被打印完成。本實(shí)施例中所述激光源1、擴(kuò)束鏡2、掃描振鏡裝置3和平場聚焦透鏡4等各部件之間，均通過密封且防塵的部件連接，且均有座墊、密封圈等支承物，達(dá)到剛性聯(lián)接，并要求無隙密封以達(dá)到光路無塵干擾、穩(wěn)定的目的。例如在擴(kuò)束鏡2部分，設(shè)計了防塵外套和與激光器11銜接的金屬密封部件，進(jìn)入掃描振鏡裝置3處亦裝有防塵密封圈。本實(shí)施例激光燒結(jié)成型技術(shù)設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)參見現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對本發(fā)明的各種改動或變型不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變型屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型。
權(quán)利要求
1.激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:包括激光源、與該激光源配合的擴(kuò)束鏡、與該擴(kuò)束鏡配合的掃描振鏡裝置和與該掃描振鏡裝置連接的平場聚焦透鏡；激光燒結(jié)成型設(shè)備設(shè)有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦點(diǎn)落于該成型平臺的中心。
2.如權(quán)利要求1所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光源、所述擴(kuò)束鏡和所述掃描振鏡裝置沿著X軸方向分布，所述平場聚焦透鏡和所述掃描振鏡裝置沿著Y軸方向分布，X軸和Y軸垂直；激光源發(fā)出的激光先沿著X軸射出，然后通過掃描振鏡裝置變換方向，沿著Y軸射向所述成型平臺。
3.如權(quán)利要求1所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光源包括激光器和與該激光器連接的射頻脈沖電源；激光器為二氧化碳激光器，由50MHz的所述射頻脈沖電源調(diào)制，從而輸出5kHz的脈沖激光。
4.如權(quán)利要求3所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器的外壁設(shè)有散熱片，且還套設(shè)有用于防塵的外罩，該外罩上設(shè)有風(fēng)扇。
5.如權(quán)利要求1所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述擴(kuò)束鏡為一組硒化鋅ZnSe透鏡，該組ZnSe透鏡由前透鏡和后透鏡構(gòu)成，前透鏡焦點(diǎn)和后透鏡焦點(diǎn)重合,該組ZnSe透鏡對10.6 ii m波長光透過率達(dá)92%或以上，并對其進(jìn)行擴(kuò)束。
6.如權(quán)利要求1所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述掃描振鏡裝置由振鏡電機(jī)、振鏡控制板和兩個相互垂直的平面鏡組成；振鏡控制板連接振鏡電機(jī)，且振鏡電機(jī)連接平面鏡。
7.如權(quán)利要求1所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦透鏡是平場聚焦透鏡，采用ZnSe單晶材料制成且鍍有增透膜層，10.6um的激光光束經(jīng)該平場聚集透鏡后匯聚于成型平臺處。
8.如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:還包括控制裝置，該控制裝置由控制系統(tǒng)計算機(jī)和與振鏡控制器構(gòu)成，控制系統(tǒng)計算機(jī)和與振鏡控制器連接，控制系統(tǒng)計算機(jī)連接所述激光源，振鏡控制器連接所述掃描振鏡裝置。
9.如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光源、所述擴(kuò)束鏡、所述掃描振鏡裝置和所述平場聚焦透鏡之間，均通過密封且防塵的部件連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了激光燒結(jié)成型設(shè)備的激光光路引導(dǎo)系統(tǒng)，其包括激光源、與該激光源配合的擴(kuò)束鏡、與該擴(kuò)束鏡配合的掃描振鏡裝置和與該掃描振鏡裝置連接的平場聚焦透鏡；激光燒結(jié)成型設(shè)備設(shè)有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦平面與成型平臺重合，透鏡焦點(diǎn)落于成型平臺的中心。本發(fā)明采用以上結(jié)構(gòu)，不僅能很好地實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件的打印，而且各光學(xué)零件之間無隙銜接成一體，避免了光束的漂移，同時防塵抗震；此外，設(shè)計中也考慮到對振鏡等光學(xué)元件的保護(hù)；光路引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，光路短，光能量損耗少；系統(tǒng)調(diào)試容易。
文檔編號B22F3/105GK103111756SQ201310047368
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者余振新 申請人:余振新