[发明专利]使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置及方法

说明书

本发明公开了一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及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非球柱面镜组，非球柱面镜组包括相互正交的第一非球柱面镜和第二非球柱面镜，第一非球柱面镜将入射的圆形光束光斑从点光斑转换为线光斑，第二非球柱面镜将第一非球柱面镜出射的线光斑转换为方形面光斑。本发明通过非球柱面镜组实现了对圆形高斯光束光斑向方形光斑的转换，克服了以任何方式调节圆形光斑能量分布均无法实现打印扫描线能量真正平顶分布的问题，有利于提高3D打印质量。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种使用非球柱面镜组调节方形光斑能量分布的装置及方法。

背景技术

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-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。

发明内容

本发明以将圆形高斯光束转换为能量分布平顶的方形光束，并通过旋转非球柱面镜组的角度改变光斑方向，以保持方向光斑的边始终与扫描线方向垂直，进而提高SML金属3D激光打印质量为目的，提供了一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种使用非球柱面镜组调节光斑形状及能量分布的装置，包括安装在所述装置外壳内的非球柱面镜组，所述非球柱面镜组包括相互正交的第一非球柱面镜和第二非球柱面镜，所述第一非球柱面镜将入射的圆形光束光斑从点光斑转换为线光斑，所述第二非球柱面镜将所述第一非球柱面镜出射的所述线光斑转换为方形面光斑。

作为优选，所述第一非球柱面镜和/或所述第二非球柱面镜的曲率c与圆锥系数k满足以下公式(1)表达的关系：

k＝-0.22c²-0.73c+0.15    公式(1)。

作为优选，所述第一非球柱面镜和/或所述第二非球柱面镜的曲率c与圆锥系数k满足以下公式(2)表达的关系：

公式(2)中，Z表示所述非球柱面镜的曲面高度；

r表示非球柱面镜的曲面距离轴心的距离。

作为优选，所述非球柱面镜由熔融石英制成。

作为优选，所述装置还包括一旋转装置，所述旋转装置用于旋转所述非球柱面镜组的角度以改变方形光斑方向，进而使得方形光斑的边与扫描线垂直。

作为优选，控制所述旋转装置旋转以保持所述方形光斑的边始终与扫描线方向垂直的方法通过以下公式(3)表达：

公式(3)中，(x₀,y₀)表示打印向量的起始位置的坐标；

(x₁,y₁)表示所述打印向量的结束位置的坐标；

θ表示保持所述方形光斑与扫描线方向垂直需要旋转的角度。