[发明专利]用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法

权利要求书

1.用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，其特征在于，包括激光器、沿着激光器射出高斯光束的传播路径上依次设有准直器、可变倍扩束镜、光束整形单元、全反射镜、振镜系统、场镜和工作平台，所述激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜、第二圆锥透镜和电动切换装置，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台，电动切换装置包括第一直线模组、二维镜架、XY轴移动平台、固定座、第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关和控制系统，所述第一直线模组和XY轴移动平台分别安装在固定座两侧，两二维镜架上分别安装第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，第一圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在第一直线模组的滑台上，第二圆锥透镜的二维镜架通过连接板固定在XY轴移动平台的滑台上，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在第一直线模组两端，第三限位开关和第四限位开关分别设置在XY轴移动平台两端，所述第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、第四限位开关、第一直线模组和XY轴移动平台分别连接控制系统，所述第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角相同，且顶角呈对称放置，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形为环形光束，或者旋转第一圆锥透镜或第二圆锥透镜，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，使调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜进行整形为椭圆形光束，所述XY轴移动平台由第二直线模组和第三直线模组连接构成，第三直线模组和第一直线模组分别安装在固定座两侧，第二直线模组平行于第一直线模组，并通过连接板安装在第三直线模组的滑台上，第二圆锥透镜通过连接板固定在第二直线模组的滑台上。

2.根据权利要求1所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统，其特征在于，所述振镜系统和工作平台之间设置有光束质量分析仪。

3.采用权利要求1或2中任意一项所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过二维镜架调整第一圆锥透镜的顶角对称第二圆锥透镜的顶角；

(2)通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组方向移动，调整第二圆锥透镜和第一圆锥透镜的间距以设定所需的光斑尺寸；

(3)控制系统控制步骤(1)和(2)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移入在激光器射出高斯光束的传播路径上，通过第二限位开关和第四限位开关分别检测到第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角对称的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的环形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

4.根据权利要求3所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，所述步骤(3)的环形光斑切换为椭圆形光束，通过调整所述步骤(1)的二维镜架，使第一圆锥透镜和第二圆锥透镜的顶角之间形成1～30°的夹角，并通过控制系统控制第三直线模组驱动第二直线模组带动第二圆锥透镜向第一直线模组的方向移动以设定好所需的椭圆形光斑的尺寸，从而使所述步骤(3)的高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、顶角之间形成1～30°夹角的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的椭圆形光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。

5.根据权利要求3所述的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统的打印方法，其特征在于，所述步骤(3)的环形光斑切换为高斯光束，通过控制系统控制所述步骤(3)的第一直线模组和第二直线模组分别带动第一圆锥透镜和第二圆锥透镜移出激光器射出高斯光束的传播路径，通过第一限位开关和第三限位开关分别检测到步骤(3)的第一圆锥透镜和第二圆锥透镜后，控制第一直线模组和第二直线模组停止工作，并发送到位信号给控制系统，由控制系统发送指令控制激光器射出高斯光束，高斯光束依次通过准直器、可变倍扩束镜、全反射镜、振镜系统、场镜形成聚焦的高斯光斑到达工作平台对金属粉末进行打印。