專利名稱：激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及常溫下選擇性激光燒結成型技術設備領域，具體涉及激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)
背景技術：
SLS技術(SLS:Selective Laser Sintering,粉末材料選擇性激光燒結)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；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分連接；當一層截面燒結完后，鋪上新的一層粉末材料，選擇地燒結下層截面。總而言之，SLS技術是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結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、燒結以及后處理等。SLS技術的光學部分是整機組成的核心之一，這是因為:1)激光源的性能、功率、輸出模式等決定成型技術實現(xiàn)的可能與否以及成型構件的質量；2)激光源占整臺設備的成本達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)技術應用的重要部件；4)相關的光路引導系統(tǒng)隨著應用目標的不同有著特殊的設計要求: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?shù)剡x擇和改善SLS技術中的激光光路引導系統(tǒng)具有重要的甚至革新性的意義。在SLS技術中，常用的粉末材料有蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、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被吸收，進而對材料起熔結作用。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。一般金屬粉末燒結選用Nd = YAG激光器，因為金屬粉末對CO2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，因為聚碳酸酯在5.0 10.6 μ m波長范圍內有很高的吸收率。激光器的輸出模式會嚴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，在實際使用中，盡量選用TEMcitl模(單橫模)，以便獲得盡可能高的功率密度光束。在已有的SLS技術中,光路引導系統(tǒng)一般包括:1)光路偏轉和控制系統(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行放大，最后將子光束按一定的相對位置進行疊加，以獲得橫截面內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度不均勻的光束進行分割，并使反射光束或投射光束在其焦點上疊加，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。[0007]目前已有的資料沒有詳細地介紹SLS技術中激光器的選擇和調制方法、對光學引導部分的介紹也各有特色。但目前的激光光路引導系統(tǒng)對于光束容易飄逸，塵埃容易落日機器內部，對光路產(chǎn)生不良影響，光能量損耗多，系統(tǒng)調試難。
發(fā)明內容本實用新型的目的是為我們獨立研究的一種常溫下和開放環(huán)境中實現(xiàn)的SLS技術提供有效的、安全的、穩(wěn)定的光學系統(tǒng)設計。為達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案:激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)，包括激光源、與該激光源配合的擴束鏡、與該擴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；激光燒結成型設備設有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦點落于該成型平臺的中心。進一步，所述激光源、所述擴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制，從而輸出5kHz的脈沖激光。進一步，所述激光器的外壁設有散熱片，且還套設有用于防塵的外罩，該外罩上設有風扇。進一步，所述 擴束鏡為一組ZnSe透鏡(ZnSe:硒化鋅)，該組ZnSe透鏡由前透鏡和后透鏡構成，前透鏡焦點和后透鏡焦點重合，該組ZnSe透鏡為對10.6 μ m波長光透過率達92%或以上，并對其進行擴束。進一步，所述掃描振鏡裝置由振鏡電機、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，且振鏡電機連接平面鏡。進一步，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。進一步，所述聚焦透鏡為針對10.6 μ m波長的焦距是435mm的透鏡。進一步，所述激光光路引導系統(tǒng)，其還包括控制裝置，該控制裝置由控制系統(tǒng)計算機和與振鏡控制器構成，控制系統(tǒng)計算機和與振鏡控制器連接，控制系統(tǒng)計算機連接所述激光源，振鏡控制器連接所述掃描振鏡裝置。進一步，所述激光源、所述擴束鏡、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)有技術相比，本實用新型的有益效果如下:1、本實用新型是一種實現(xiàn)智能化激光燒結成型的直接制造工業(yè)技術的光學系統(tǒng)，具體地是實現(xiàn)常溫下選擇性激光燒結成型技術(SLS)的激光光路引導系統(tǒng)；本實用新型不僅能很好地實現(xiàn)三維構件的打印，而且各光學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，設計中也考慮到對振鏡等光學元件的保護；光路引導系統(tǒng)結構緊湊，光路短，光能量損耗少；系統(tǒng)調試容易。激光移動精度可達0.1_±0.05_。2、本實用新型激光源把連續(xù)激光加以調制成脈沖激光輸出，可以增加峰值輸出功率，并使得加熱時間縮短，熱擴散減少，有利于高分子材料熔結及冷卻，把體脹效應降至最小;3、擴束鏡對10.6 μ m波長的激光5倍擴束后將改善光束的準直性，同時可使掃描振鏡承受的光波能量密度更低，更好地保護振鏡，延長其使用壽命；并且，擴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特征，更精細的光斑可以獲得更高的成型質量；4、掃描振鏡裝置的結構，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0.lmm±0.05mm。5、采用本實用新型中的聚焦透鏡，激光束聚焦后的近軸傾角不超過±20° ;若激光燒結 成型設備對零部件的成型范圍是400mm*400mm*350mm，因為平場聚焦透鏡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量的影響；6、采用控制裝置，進行實時的參數(shù)調節(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)驗及對構體分層后截面圖的分析，預先設定好參數(shù)，設備也可以自動進行激光快速成型直至整個構件被打印完成。7、本實用新型達到剛性聯(lián)接，且無隙密封以達到光路無塵干擾、穩(wěn)定的目的。

圖1是本實用新型激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)的原理圖，圖中箭頭為激光的發(fā)射方向；圖2是圖1的立體結構示意圖；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-風扇；12-射頻脈沖電源；121-電源濾波器；2_擴束鏡；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；52_振鏡控制器；6_成型平臺。
具體實施方式
如圖1至圖3所示實施例的激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)，包括激光源
1、與該激光源配合的擴束鏡2、與該擴束鏡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 ;激光燒結成型設備設有成型平臺6，平場聚焦透鏡4設于和該成型平臺6配合的位置處。激光源1、擴束鏡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調制，輸出5kHz的脈沖激光?？衫?br> 10.6 μ m波長的激光，在IOs的預熱后，測得激光平均功率是45.50W。把連續(xù)激光加以調制成脈沖激光輸出，可以增加峰值輸出功率，并使得加熱時間縮短，熱擴散減少，有利于高分子材料熔結及冷卻，把體脹效應降至最小。在激光器11外壁設有散熱片，且還套設有一個金屬制成且用于防塵的外罩111，該外罩上設有兩個風扇112，用于強迫風冷，加快散熱。進一步，可對射頻脈沖電源12配設一個電源濾波器121,以利于5kHz脈沖激光的穩(wěn)定輸出。擴束鏡2為一組ZnSe透鏡，由前透鏡和后透鏡構成,前透鏡焦點和后透鏡焦點重合或幾乎重合，該組ZnSe透鏡對10.6 μ m波長光透過率達92%或以上，并對其進行擴束。擴束作用將改善光束的準直性，同時可使掃描振鏡承受的光波能量密度更低，更好地保護振鏡，延長其使用壽命；并且，擴束鏡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特征，更精細的光斑可以獲得更高的成型質量。掃描振鏡裝置3由振鏡電機、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，且振鏡電機連接平面鏡31，振鏡控制板通過振鏡電機控制平面鏡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，可重復率達2微弧度。采用以上結構，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
0.lmm + 0.05mmo聚焦透鏡4是F- Θ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°。若激光燒結成型設備對零部件的成型范圍是400mm*400mm*350mm，因為平場聚焦透鏡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量的影響。
本實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51和振鏡控制器52構成，控制系統(tǒng)計算機51和振鏡控制器52連接，控制系統(tǒng)計算機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?？刂蒲b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現(xiàn)有序的、邏輯的自動控制，此也可通過觸發(fā)電路實現(xiàn)?？刂蒲b置5直接調制射頻脈沖電源12，并與掃描振鏡裝置3的振鏡控制板自帶的控制電路進行通信。控制裝置5具有很靈活簡潔的人機互動界面，能進行實時的參數(shù)調節(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。當然，可根據(jù)經(jīng)驗及對構體分層后截面圖的分析，預先設定好參數(shù)，設備也可以自動進行激光快速成型直至整個構件被打印完成。本實施例中所述激光源1、擴束鏡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，達到剛性聯(lián)接，并要求無隙密封以達到光路無塵干擾、穩(wěn)定的目的。例如在擴束鏡2部分，設計了防塵外套和與激光器11銜接的金屬密封部件，進入掃描振鏡裝置3處亦裝有防塵密封圈。本實施例激光燒結成型技術設備的激光光路引導系統(tǒng)的其它結構參見現(xiàn)有技術。本實用新型并不局限于上述實施方式，如果對本實用新型的各種改動或變型不脫離本實用新型的精神和范圍，倘若這些改動和變型屬于本實用新型的權利要求和等同技術范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型。
權利要求1.激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:包括激光源、與該激光源配合的擴束鏡、與該擴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；激光燒結成型設備設有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦點落于該成型平臺的中心。
2.如權利要求1所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:所述激光源、所述擴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.如權利要求1所述的激光光路引導系統(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制，從而輸出5kHz的脈沖激光。
4.如權利要求3所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器的外壁設有散熱片，且還套設有用于防塵的外罩，該外罩上設有風扇。
5.如權利要求1所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:所述擴束鏡為一組硒化鋅ZnSe透鏡，該組ZnSe透鏡由前透鏡和后透鏡構成，前透鏡焦點和后透鏡焦點重合,該組ZnSe透鏡對10.6 μ m波長光透過率達92%或以上，并對其進行擴束。
6.如權利要求1所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:所述掃描振鏡裝置由振鏡電機、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，且振鏡電機連接平面鏡。
7.如權利要求1所述的激光光路引導系統(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，10.6 μ m的激光光束經(jīng)該平場聚集透鏡后匯聚于成型平臺處。
8.如權利要 求1至7任意一項所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:還包括控制裝置，該控制裝置由控制系統(tǒng)計算機和與振鏡控制器構成，控制系統(tǒng)計算機和與振鏡控制器連接，控制系統(tǒng)計算機連接所述激光源，振鏡控制器連接所述掃描振鏡裝置。
9.如權利要求1至7任意一項所述的激光光路引導系統(tǒng)，其特征在于:所述激光源、所述擴束鏡、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。
專利摘要本實用新型公開了激光燒結成型設備的激光光路引導系統(tǒng)，其包括激光源、與該激光源配合的擴束鏡、與該擴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；激光燒結成型設備設有成型平臺，平場聚焦透鏡的焦平面與成型平臺重合，透鏡焦點落于成型平臺的中心。本實用新型采用以上結構，不僅能很好地實現(xiàn)三維構件的打印，而且各光學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，設計中也考慮到對振鏡等光學元件的保護；光路引導系統(tǒng)結構緊湊，光路短，光能量損耗少；系統(tǒng)調試容易。
文檔編號B22F3/105GK203091969SQ20132006895
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權日2013年2月5日
發(fā)明者余振新 申請人:余振新