[发明专利]具有激光束定位光学器件、光纤和光纤终端光学器件的激光束扫描器

说明书

本发明涉及一种激光束扫描器，包括激光束定位光学器件(120)、用于传输多个激光束(122a)的多个光纤(121)和被对准以将激光束从多个光纤(121)的输出端引导到激光束定位光学器件(120)的光纤终端光学器件(123a)。激光束定位光学器件(120)可相对于光纤终端光学器件(123a)移动，以在工作表面(124)上扫描激光束(122a)。

技术领域

本发明涉及一种激光束扫描器，具体地但非排他地涉及一种用于比如粉末床增材制造设备等增材制造(AM)设备的激光束扫描器。本发明还涉及用于激光束扫描器的光学器件(包括多激光束光学器件)及其制造方法。

背景技术

在粉末床增材制造中，通过粉末材料的逐层固化来生产物体。存在粉末床增材制造的多种不同方法，包括选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。

在选择性激光熔化中，在构建室中的粉末床上沉积粉末层(比如，金属粉末层)，并且扫描器在粉末层的与正在构造的物体的截面(剖切面)相对应的部分上扫描激光束。激光束将粉末熔化以便形成固化层。在层的选择性固化之后，粉末床下降层厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。通过这种逐层工艺，形成一个或多个物体。

基于激光的粉末床增材制造工艺可以进行的速率受到以灵活而准确的方式将激光功率获取到粉末床的难度所限制。复杂扫描路径需要来自光束定位机电系统的高带宽定位性能，而实心部段需要在大面积上传输的大量光功率。可以实现此的速度是决定AM部件成本的关键因素，机器每小时的设施成本是较大的(通常是最大的)单一因素，超过了材料成本和机器准备。

最近，通过使用多激光器AM设备已显著提高了速率。通常，这些设备包括单个构建室，该单个构建室具有定位于单个粉末床上方的多个光束传输通道。尽管雷尼绍(Renishaw)的RenAM^TM 500Q示例具有四个全部名义上寻址同一粉末床的激光器，但是通常这些通道寻址的区域是用重叠部分拼接的。每个光束传输通道包括激光源、两个名义上正交的振镜(galvo-mirror)和呈动态聚焦透镜形式的聚焦机构，使得激光束能够在粉末床上被单独地操纵。

这种类型的多激光器系统的缺点是每个激光器将需要两个振镜和聚焦部件。这是昂贵的、对准是耗时的、需要定期维修、并且由于光束传输通道的物理尺寸而对可以被塞入以寻址粉末的相同区域的激光器(最高效的多激光器布置)的数量设置物理限制。

US 5508489披露了一种多光束激光烧结装置，包括在粉末床处具有焦点的烧结光束和入射在聚焦光束的焦点附近的区域上的至少一个散焦激光束。聚焦镜向扫描镜提供聚焦光束。散焦光束穿过镜中的孔到达扫描镜。代替在其中具有允许光束穿过的孔的聚焦光学器件，可以使用更大的聚焦光学器件来反射和聚焦两个光束。可以使用两个独立的激光源，而不是分裂激光束以形成聚焦激光束和散焦激光束。

US 2003/0214571 A1披露了一种包括扫描器的曝光设备，该曝光设备包括多个曝光头。每个曝光头包括数字微镜装置(DMD)。在DMD的光入射侧上依次布置有包括激光出射部的光纤阵列光源、透镜系统和镜，在该激光出射部中，光纤的出射端部被布置成一列，该透镜系统对从光纤阵列光源发射的激光束进行修正以将激光束聚集到DMD上，该镜将传输到该透镜系统的激光束反射到DMD。光纤的出射端部被夹在具有平坦表面的两个板之间。比如玻璃等透明保护板放置在光纤的光出射侧上，以便保护光纤的端面。

US 2015/0165556 A1披露了用于在直接金属激光熔化中使用的二极管激光器光纤阵列。多个柱面透镜定位在二极管激光器与多个光纤之间以使每个二极管激光器与光纤耦合。二极管激光器阵列可以在光纤的端部包括透镜，或者光纤的端部可以被成形为提供准直或发散的激光束。