[发明专利]兼顾成形效率和成形精度的双光束SLM成形装置及方法

说明书

本发明属于先进制造技术领域，并公开了兼顾成形效率和成形精度的双光束SLM成形装置及方法，其包括两激光源、光束切换组件和扫描加工组件，两激光源分别用于输出中/低功率激光束和中/高功率激光束；光束切换组件包括运动机构和错位布置的两反射镜，两反射镜在运动机构驱动下实现位置调整，分别用于将准直后的中/低功率激光束和中/高功率激光束反射至扫描加工组件；扫描加工组件用于将光束切换组件反射的中/低功率激光束或中/高功率激光束聚焦在金属粉末床表面，完成金属零部件的SLM成形。本发明能够解决现有双光束SLM装备普遍存在的光束切换可靠性低、成形尺寸小、造价高的问题，同时实现金属零部件高效率、高精度SLM成形。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及兼顾成形效率和成形精度的双光束SLM成形装置及方法。

背景技术

激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是应用前景最广的高性能金属增材制造技术之一，它通过对逐层预铺的金属粉末施加选择性的激光扫描熔化与堆积，实现复杂金属构件的整体成形。然而，市面上通用的SLM装备一般采用低功率激光器，成形效率偏低(一般仅为5-40cm³/h)，无法满足批量生产需求。为解决这一问题，国内外研究机构近期相继提出了基于双光束协同加工的新型SLM装备，此类装备同时配备了低功率激光源和高功率激光源，通过低功率激光和高功率激光的配合实现金属零部件的成形。

对于双光束SLM技术而言，如何实现低功率激光束与高功率激光束的快速、可靠切换，并兼顾成形尺寸和装备成本，是发展该技术所必须解决的核心问题。然而，国内外现有的双光束SLM装备尚未给出理想的解决方案。例如，专利CN108580896A公开了一种包含两套扫描振镜系统的双光束SLM装备，其中，两套振镜平行安装在成形缸上方，并分别与一台激光器相连。这不仅导致装备成本较高，且双光束加工仅能在两套振镜的扫场重合区域内进行，成形尺寸严重受限。再如，专利CN103658647B公开了一种基于四激光双工位的激光选区熔化设备及加工方法，它可通过调整全反射镜片的角度，使高功率激光束和低功率激光束交替性地进入同一台扫描振镜系统，这一技术方案具有装备成本低、成形尺寸大的优势，但其对全反射镜片的旋转定位精度要求极高，双光束快速、可靠切换的实现难度较大。再如，专利CN210098969U和CN104708003B提出了基于半透镜(分光镜)的光束切换方案，使两束激光分别通过半透镜的反射和透射进入同一台扫描振镜系统，这一方案不涉及光束切换装置的旋转定位，可靠性较强。但是，半透镜造价较高，且对两束激光的波长有特殊要求，不太适合较高功率激光束的长时间工作，不利于应用推广。

综上所述，开发一种光束切换速度快、可靠性高、成形尺寸大、制造成本低、适用性强的双光束SLM装备，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种兼顾成形效率和成形精度的双光束SLM成形装置及方法，旨在解决现有双光束SLM装备普遍存在的光束切换可靠性低、成形尺寸小、造价高等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种兼顾成形效率和成形精度的双光束SLM成形装置，其包括第一激光源、第二激光源、光束切换组件和扫描加工组件，其中：

第一激光源用于输出中/低功率激光束，以实现高精度SLM成形，第二激光源用于输出中/高功率激光束，以实现高效率SLM成形，整个成形过程中第一激光源和第二激光源错时工作或仅其中一个工作；

光束切换组件包括第一反射镜、第二反射镜和运动机构，第一反射镜和第二反射镜错位布置，并可在运动机构的驱动下实现位置调整，以保证两者错时工作，其中第一反射镜用于将准直后的中/低功率激光束反射至扫描加工组件，第二反射镜用于将准直后的中/高功率激光束反射至扫描加工组件；

扫描加工组件用于将光束切换组件反射的中/低功率激光束或中/高功率激光束聚焦在金属粉末床表面，以此完成金属零部件的高精度和高效率的SLM成形。