本发明专利技术公开了一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法，属于3D打印技术领域。其中装置包括安装在装置外壳内的锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到锥镜匀光模块后，通过锥镜间距调节装置调节锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。本发明专利技术通过改变锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜之间的间距，以改变扫描线光束能量分布，使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。属3D激光打印的质量。属3D激光打印的质量。
【技术实现步骤摘要】
使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法
[0001]本专利技术涉及3D打印
，具体涉及一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。
技术介绍
[0002]增材制造、粉末床激光熔化即3D金属打印选择性激光熔化成形SLM技术，已成为精度最高、最为重要的3D金属打印技术。激光束按各层数字模型路径依次扫描平铺的金属粉末，形成平面结构，层层叠加形成3锥结构。SLM技术中，目前全世界均采用高斯分布的激光束，其熔化金属粉末的熔体动力学表明，高斯光束具有过于强大的局部强度，束腰以内，轴心附近拥有大约86％的入射波功率。打印过程中，重复的热
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冷循环恶化了以下问题：熔池气化和在底层熔池的反冲压力的积累，引起飞溅、匙形孔状的熔池的产生，导致各种缺陷如：孔隙率和表面粗糙度上升；柱状晶和残余应力增长，机械性能的各向异性倾向上升；相对密度下降，大大降低了打印的产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。由于激光能量分布的不均性，光斑中心的能量密度远大于光斑边缘，不能实现能量的精确分配，采用高斯激光生产加工时，激光利用率低，能量损失大，随着功率的不断提高产生粉末重熔现象，大大降低了打印成品的质量。
技术实现思路
[0003]本专利技术以将高斯光束变换为能量分布可调节的光束，提高SML金属3D激光打印质量为目的，提供了一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置及方法。
[0004]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]提供一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，包括安装在所述装置外壳内的锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块后，通过所述锥镜间距调节装置调节所述锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。
[0006]作为优选，所述光束为高斯光束。
[0007]作为优选，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对而平面背离设置。
[0008]作为优选，所述装置还包括准直镜，所述准直镜用于将光纤激光器发生的所述光束进行准直后入射到所述锥镜匀光模块中。
[0009]作为优选，所述装置还包括聚焦器件，所述聚焦器件用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后形成在打印工作面上。
[0010]作为优选，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后入射给振镜反射镜，经所述振镜反射镜的反射后形成在所述打印工作面上。
[0011]作为优选，所述聚焦器件为FTheta场镜，经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后
出射的所述光束经振镜反射镜反射后入射到所述FTheta场镜，经所述FTheta场镜聚焦后形成在所述打印工作面上。
[0012]作为优选，所述装置还包括所述振镜反射镜。
[0013]作为优选，经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的扫描线的能量分布E的计算方式通过以下公式(1)表达：
[0014][0015]公式(1)中，e0表示入射的所述光束的中心能量；
[0016]R1表示入射到所述锥镜匀光模块的所述光束的直径；
[0017]R2表示从所述锥镜匀光模块出射的所述光束的直径；
[0018]x表示能量分布曲线以XY轴坐标系的原点为中心的曲线横轴坐标；
[0019]R2、R1的比值K通过以下公式(2)计算而得：
[0020][0021]公式(2)中，L表示所述锥镜匀光模块中的所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距；
[0022]R1表示入射到所述第一轴锥镜的所述光束的直径；
[0023]a表示所述第一轴锥镜的锥角；
[0024]n表示所述第一轴锥镜或所述第二轴锥镜的折射率。
[0025]本专利技术还提供了一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的方法，使用所述的装置实现，所述方法包括步骤：
[0026]S1，调节安装在所述装置中的锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；
[0027]S2，将准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块中，所述锥镜匀光模块输出经能量分布调节后的所述光束并经聚焦后出射到打印工作面上。
[0028]本专利技术通过改变锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜之间的间距，以改变扫描线光束能量分布，使得扫描线光束能量局部平顶，提升了3D打印激光能量分布的均匀性，有利于提高SML金属3D激光打印的质量。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1是扫描光斑局部能量示意图；
[0031]图2是从光斑上切分的细条内的能量投影为扫描线的能量分布示意图；
[0032]图3是圆形光斑能量分布和扫描线能量分布的对比示意图；
[0033]图4为中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图
一；
[0034]图5是中间能量低边缘能量高的圆形光斑的扫描线能量分布区域平顶的示意图二；
[0035]图6是本专利技术一实施例提供的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；
[0036]图7是本专利技术另一实施例提供的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置示意图；
[0037]图8是通过锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜改变激光能量分布的原理示意图；
[0038]图9是高斯光束能量分布图；
[0039]图10是经调节后的光斑光束的能量分布示意图；
[0040]图11是光束直径变倍倍率K＝0.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；
[0041]图12是光束直径变倍倍率K＝0.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；
[0042]图13是光束直径变倍倍率K＝1时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；
[0043]图14是光束直径变倍倍率K＝1时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；
[0044]图15是光束直径变倍倍率K＝1.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；
[0045]图16是光束直径变倍倍率K＝1.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图；
[0046]图17是光束直径变倍倍率K＝2.5时经锥镜匀光模块调节后的光斑能量分布示意图；
[0047]图18是光束直径变倍倍率K＝2.5时经锥镜匀光模块调节后的扫描线能量分布示意图.
[0048]图19是本专利技术一实施例提供的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的方法的实现步骤图。
具体实施方式
[0049]下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，包括安装在所述装置外壳内的锥镜匀光模块和锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到所述锥镜匀光模块后，通过所述锥镜间距调节装置调节所述锥镜匀光模块中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束的能量分布调节。2.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述光束为高斯光束。3.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对而平面背离设置。4.根据权利要求1所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括准直镜，所述准直镜用于将光纤激光器发生的所述光束进行准直后入射到所述锥镜匀光模块中。5.根据权利要求1或4所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述装置还包括聚焦器件，所述聚焦器件用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后形成在打印工作面上。6.根据权利要求5所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对经所述锥镜匀光模块作能量分布调节后出射的所述光束聚焦后入射给振镜反射镜，经所述振镜反射镜的反射后形成在所述打印工作面上。7.根据权利要求5所述的使用轴锥镜调节3D打印光束激光能量分布的装置，其特征在于，所述聚焦器件为FTheta场镜，经所述锥镜匀光...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兵涛，李明之，
申请(专利权)人：爱司凯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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