本發(fā)明涉及激光增材制造，更具體地說，涉及一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的激光分束法同軸熔絲熔粉方法和裝置一般是通過四分反射鏡對激光進行分束，然后再反射聚焦到垂直落下的絲材或粉末上，對絲材或粉末進行加熱融化，實現(xiàn)增材制造。其存在以下問題：一，高能量密度的激光照射在四分反射鏡的棱部位置或頂點位置時，溫度過高會對四分反射鏡的棱部和頂點產(chǎn)生燒蝕，影響激光加工頭的壽命；二，四分反射鏡的頂點位置尖銳處不易加工鍍膜，且在應(yīng)用過程中極易燒蝕損壞或者反射不穩(wěn)定，影響裝置整體穩(wěn)定性。三，現(xiàn)有技術(shù)中，在不改變激光加工頭的高度時，激光加工頭產(chǎn)生的激光作用在絲材或粉末上的焦點位置基本上處于同一等高平面上，其對聚焦位置的精度要求比較高，當(dāng)精度不滿足要求時，會導(dǎo)致最終成型的熔化沉積層的質(zhì)量較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)存在光學(xué)器件容易被燒蝕、焊接穩(wěn)定性較差以及熔化沉積層成型質(zhì)量較差的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

5、第一方面，本發(fā)明提供一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，包括激光加工頭和增材制造系統(tǒng)，所述增材制造系統(tǒng)用于沿所述激光加工頭的軸向連續(xù)輸送增材制造原料；所述激光加工頭包括激光器、振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡；所述激光器用于產(chǎn)生平行激光，所述圓錐鏡具有內(nèi)凹拋物反射面，所述振鏡系統(tǒng)用于對所述平行激光進行動態(tài)聚焦形成工作激光，并將所述工作激光反射至所述內(nèi)凹拋物反射面的不同位置，所述工作激光被所述凹拋物反射面反射至環(huán)形反射鏡，所述環(huán)形反射鏡將所述工作激光反射，以使所述工作激光的光斑作用于所述增材制造原料，對所述增材制造原料進行同軸熔化。

6、優(yōu)選地，所述振鏡系統(tǒng)包括動態(tài)聚焦鏡、x向振鏡以及y向振鏡；所述動態(tài)聚焦鏡用于對所述工作激光進行動態(tài)聚焦，形成工作激光，所述x向振鏡能夠沿x向偏轉(zhuǎn)并反射所述工作激光，所述y向振鏡能夠沿y向偏轉(zhuǎn)并承接所述x向振鏡反射的工作激光，并將所述工作激光反射至所述凹拋物反射面。

7、優(yōu)選地，所述激光器包括激光源、光纖以及激光準直器，所述光纖連接所述激光源和所述激光準直器，所述激光源用于產(chǎn)生激光，所述激光沿所述光纖輸送至所述激光準直器，所述激光準直器將所述激光準直形成平行激光。

8、優(yōu)選地，所述激光加工頭還包括殼體，所述振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡均設(shè)于所述殼體內(nèi)，所述殼體上開設(shè)有供所述工作激光穿過的圓弧形通道。

9、優(yōu)選地，所述激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置還包括機械手，所述機械手連接于所述激光加工頭。

10、優(yōu)選地，所述增材制造原料為絲材和/或粉末。

11、第二方面，本發(fā)明還提供一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化方法，采用上述技術(shù)方案中任一種所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置對增材制造原料進行同軸熔化；所述方法包括以下步驟：

12、平行激光射入振鏡系統(tǒng)；

13、所述振鏡系統(tǒng)對所述平行激光進行動態(tài)聚焦形成工作激光，并將所述工作激光反射至所述內(nèi)凹拋物反射面；

14、所述凹拋物反射面將所述工作激光反射至環(huán)形反射鏡，所述環(huán)形反射鏡將所述工作激光反射，以使所述工作激光的光斑作用于所述增材制造原料；

15、所述振鏡系統(tǒng)不斷偏轉(zhuǎn)反射所述工作激光，所述工作激光的光斑在所述軸向疊加形成圓柱形加工區(qū)。

16、優(yōu)選地，所述激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化方法還包括步驟：將增材制造零件的數(shù)模分層切片，按照單道熔道的寬度和搭接率形成掃描軌跡，驅(qū)動所述激光加工頭沿所述掃描軌跡移動。

17、(三)有益效果

18、本發(fā)明的上述技術(shù)方案至少具有如下優(yōu)點：

19、1、在本發(fā)明中，振鏡系統(tǒng)中的振鏡進行高頻率振動，振鏡系統(tǒng)將工作激光偏轉(zhuǎn)反射至內(nèi)凹拋物反射面上的不同位置，內(nèi)凹拋物反射面在高度方向的不同位置具有不同的曲率，當(dāng)工作激光被反射至內(nèi)凹拋物反射面上的較高位置時，工作激光依次被凹拋物反射面和環(huán)形反射鏡反射，作用于沉積平面的較高位置處，當(dāng)工作激光被反射至內(nèi)凹拋物反射面上的較低位置時，工作激光依次被凹拋物反射面和環(huán)形反射鏡反射，作用于沉積平面的較低位置處。工作激光被振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)反射至內(nèi)凹拋物反射面的周向的不同位置，再被凹拋物反射面和環(huán)形反射鏡反射后，會形成交會于預(yù)設(shè)匯聚點處的旋轉(zhuǎn)環(huán)形光束。不同高度的旋轉(zhuǎn)環(huán)形光束沿軸向進行疊加，進而在激光加工頭的軸向上形成一個類似于圓柱體形狀的激光加工區(qū)域，而非一個平面光斑，在該圓柱體形狀的激光加工區(qū)域內(nèi)，均可以實現(xiàn)對增材制造原料的熔化加工，進而提供更大的容錯率，可以降低對設(shè)備加工精度的要求，同時提升其成型的熔化沉積層的質(zhì)量。而且，采用振鏡系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)掃描對于最終加工激光匯聚焦點深度有增大作用，在實際加工中可獲得更大的焦深。

20、2、在本發(fā)明中，沒有采用四棱錐形狀的四分反射鏡實現(xiàn)對激光的光束路徑控制，因此不會產(chǎn)生由于激光作用于四分反射鏡的棱部位置和頂點位置而產(chǎn)生的燒蝕問題，進而可以提升光學(xué)器件的使用壽命，保證增材制造過程的穩(wěn)定性。

21、3、在本發(fā)明中，振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡的結(jié)構(gòu)簡單，簡化的結(jié)構(gòu)能夠提升光路穩(wěn)定性，而且不存在較多的棱部，便于鍍膜，能夠降低鏡片的制作難度。

技術(shù)特征：

1.一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，包括激光加工頭和增材制造系統(tǒng)，所述增材制造系統(tǒng)用于沿所述激光加工頭的軸向連續(xù)輸送增材制造原料；所述激光加工頭包括激光器、振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡；所述激光器用于產(chǎn)生平行激光，所述圓錐鏡具有內(nèi)凹拋物反射面，所述振鏡系統(tǒng)用于對所述平行激光進行動態(tài)聚焦形成工作激光，并將所述工作激光反射至所述內(nèi)凹拋物反射面的不同位置，所述工作激光被所述凹拋物反射面反射至環(huán)形反射鏡，所述環(huán)形反射鏡將所述工作激光反射，以使所述工作激光的光斑作用于所述增材制造原料，對所述增材制造原料進行同軸熔化。

2.如權(quán)利要求1所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，所述振鏡系統(tǒng)包括動態(tài)聚焦鏡、x向振鏡以及y向振鏡；所述動態(tài)聚焦鏡用于對所述工作激光進行動態(tài)聚焦，形成工作激光，所述x向振鏡能夠沿x向偏轉(zhuǎn)并反射所述工作激光，所述y向振鏡能夠沿y向偏轉(zhuǎn)并承接所述x向振鏡反射的工作激光，并將所述工作激光反射至所述凹拋物反射面。

3.如權(quán)利要求1所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，所述激光器包括激光源、光纖以及激光準直器，所述光纖連接所述激光源和所述激光準直器，所述激光源用于產(chǎn)生激光，所述激光沿所述光纖輸送至所述激光準直器，所述激光準直器將所述激光準直形成平行激光。

4.如權(quán)利要求1所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，所述激光加工頭還包括殼體，所述振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡均設(shè)于所述殼體內(nèi)，所述殼體上開設(shè)有供所述工作激光穿過的圓弧形通道。

5.如權(quán)利要求1所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，還包括機械手，所述機械手連接于所述激光加工頭。

6.如權(quán)利要求1所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置，其特征在于，所述增材制造原料為絲材和/或粉末。

7.一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-6所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置對增材制造原料進行同軸熔化；所述方法包括以下步驟：

8.如權(quán)利要求7所述的激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化方法，其特征在于，還包括步驟：將增材制造零件的數(shù)模分層切片，按照單道熔道的寬度和搭接率形成掃描軌跡，驅(qū)動所述激光加工頭沿所述掃描軌跡移動。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種激光旋轉(zhuǎn)掃描同軸熔化裝置及方法，裝置包括激光加工頭和增材制造系統(tǒng)，增材制造系統(tǒng)用于沿激光加工頭的軸向連續(xù)輸送增材制造原料；激光加工頭包括激光器、振鏡系統(tǒng)、圓錐鏡以及環(huán)形反射鏡；激光器用于產(chǎn)生平行激光，圓錐鏡具有內(nèi)凹拋物反射面，振鏡系統(tǒng)用于對平行激光進行動態(tài)聚焦形成工作激光，并將工作激光反射至內(nèi)凹拋物反射面的不同位置，工作激光被凹拋物反射面反射至環(huán)形反射鏡，環(huán)形反射鏡將工作激光反射，以使工作激光的光斑作用于增材制造原料，對增材制造原料進行同軸熔化。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)激光的旋轉(zhuǎn)掃描和增材制造原料的同軸熔化，且結(jié)構(gòu)簡單、光學(xué)器件易于制作，工作穩(wěn)定性高、工藝容錯率高。

技術(shù)研發(fā)人員：劉琦,李祥碩,陳金瀚,王梟健,吳凡,單飛虎
受保護的技術(shù)使用者：中國航空制造技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/12