[实用新型]一种原位能量控制的激光选区熔化装置

说明书

本实用新型公开了一种原位能量控制的激光选区熔化装置，本实用新型新增一路同步扫描的平顶大光斑，提供粉末熔点阈值以下能量，进行粉末预热/凝固速率调控，并对成形的金属进行退火处理，降低温度梯度，减少成形内应力，从而减少应力导致的变形、开裂等行为；同时因提供了低于材料熔点阈值的能量输入，原SLM小光斑仅需提供较低能量输入即可完成材料的熔化，有利于改善熔池飞溅及微气孔产生等不良情况。本实用新型基于原位能量控制的方式，实现了激光能量的时间与空间分布。本实用新型在有效降低成型零件过程中产生缺陷的同时，还实现凝固速率的控制进而调控组织演变，对于稳定、高效地成型高性能零件，推动增材制造技术的广泛应用有重大作用。

技术领域

本实用新型属于増材制造的技术领域，具体涉及一种原位能量控制的激光选区熔化装置。

背景技术

激光选区熔化技术(SLM)是一种通过高能激光使受辐照粉末快速熔化快速凝固而实现成型零件层层成型的增材制造技术。在激光选区熔化成型过程中，粉末床在高斯分布的激光光斑照射下形成的微熔池内部由于热量分布不均匀(传热过程不均匀)及其导致的传质过程不平衡，容易使冷却凝固后的组织结构内部产生极大的热应力，从而使成型零件出现应力变形、开裂等问题，甚至导致成型过程失败。另外，粉末在高能激光的作用下形成的熔池容易产生飞溅等问题，现有的调控手段如加装预热系统、粉末改性、调节工艺参数(激光参数、扫描参数等)、后续热处理等无法从根本上解决这些问题。

随着激光光束整形技术的发展，将其与激光选区熔化技术结合，有效解决激光选区熔化成型过程的高应力、高飞溅问题成为可能。基于衍射光学原理的激光光束整形技术，能够通过波前变换，将原始激光束整形为按特定空间强度分布的光束。该技术可以把高斯能量分布的激光束转化为能量均匀分布的平顶大光斑。基于原位能量控制理念，在原SLM基础上将该平顶大光斑运用于激光选区熔化过程中的粉末预热/成型后组织的退火处理，可以有效降低成型零件的内应力、裂纹等缺陷，同时该平顶大光斑提供低于材料熔点阈值的能量，使原SLM光路输入较低能量即可熔化成型，有利于减少熔池飞溅。目前，衍射光学整形元件具有体积小、重量轻、造价低、衍射效率高等优点，将激光光束整形技术与激光选区熔化技术结合对于改善成型零件质量具有广阔的应用前景。

2020年2月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室顶级期刊ActaMaterialia新发表研究表明，可以改变激光光斑时空分布来定制3D打印组织和性能。不同形状的光斑形貌对于凝固组织的生长和微观组织的形成有极大影响，这为激光3D打印开辟了一条新的路径。但仅仅改变光斑形貌控制激光能量的方式仍然比较单一，幅度有限。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种原位能量控制的激光选区熔化装置，基于原位能量控制的理念，在原SLM基础上新增一路平顶大光斑，该平顶大光斑与原SLM小光斑嵌套合成，平顶大光斑在加工平面为正/负离焦状态，主要用于激光选区熔化过程中的粉末预热/成型后组织的退火处理，可以有效降低成型零件的内应力、裂纹等缺陷，同时提供低于材料熔点阈值的能量，使原SLM光路输入较低能量即可熔化成型，有利于减少熔池飞溅，提升零件成型质量。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种原位能量控制的激光选区熔化装置，包括激光选区熔化成型小光斑光路装置、新增平顶大光斑光路装置和激光选区熔化成型设备，所述激光选区熔化成型小光斑光路装置、新增平顶大光斑光路装置设置在激光选区熔化成型设备上；

所述激光选区熔化成型小光斑光路装置包括第一激光器、第一准直器、第一扫描振镜、激光光纤整形器和第一f-θ镜，激光束由第一激光器发出，经过第一准直器扩束进入第一扫描振镜，最终在第一f-θ镜作用下聚焦于成型平面进行激光选区熔化粉末；