一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造装置与方法与流程

1.本发明涉及激光增材制造领域，尤其涉及一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造装置与方法。


背景技术：

2.激光粉末床熔融成型技术又称为激光选区熔化技术(selective laser melting，slm)，使用精细聚焦激光光斑直接熔化15～53μm金属粉末达到冶金结合，具有加工精度高、致密度近100％、表面质量较高等多种优点，是金属增材制造的重要技术之一。
3.随着激光增材制造技术的发展及应用领域的拓展，相关工程应用对成型质量提出更高的要求。特别是随着高反材料激光增材制造零件的应用，其加工工艺对设备性能提出了新的要求。
4.现有商用激光粉末床熔融成型设备普遍采用波长为1064nm的红外激光器作为光源，而高反材料对此波长激光具有非常高的反射率。
5.高激光反射率使得粉末材料不能获得足够的输入能量，成型过程中激光难以持续熔化金属粉末材料，导致孔隙等缺陷的产生，降低成型件的致密度，最终严重影响成型件的综合性能。
6.此外，在采用红外激光作为能量源时，为保证足够的输入能量通常需要采用大激光功率、低扫描速度进行打印，导致成型效率低，增加了制造成本，也造成能源的浪费。
7.同时，红外激光聚焦后的光斑直径聚焦后仍可达到50微米，成型过程中光斑带来的热影响区域较大，造成成型件表面粉末黏附，影响了成型精度和表面粗糙度。相较于红外激光，金、银、铜等高反材料对短波长激光的吸收率有非常大的提升，如纯铜对波长为450nm的蓝光的吸收率提高到65％。吸收率的提升可以获得足够的能量，使材料受热均匀，获得稳定的熔池，进而体现在成型质量的显著提高。同时，在已有的相关蓝激光焊接实验中，无论铜实体表面状况如何，蓝激光都有助于提高熔池的稳定形，获得平整无飞溅物的焊缝，并保持良好的导电性。此外，吸收率的提高可显著的降低能耗。因此采用蓝/红外激光进行增材制造是一种具有重要意义的方法，解决纯铜、银等高反射材料增材制造难题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造装置与方法。本发明采用双波长激光同轴耦合输出的方式，实现在一台设备上完成对不同材料的成型工作，特别的实现同一幅面上对不同反射率材料的打印工作、材料预热等应用效果。
9.本发明通过下述技术方案实现：
10.一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造装置，包括计算机系统1、成型腔11和激光器；
11.所述激光器包括：红外激光器2、蓝光激光器3、红外光准直镜4、蓝光准直器5、红外
光动态聚焦镜6、蓝光动态聚焦镜7、蓝光反射器8、合束器9、扫描振镜10；
12.所述红外激光器2、红外光准直镜4、红外光动态聚焦镜6、合束器9和扫描振镜10依次光路连接；
13.所述蓝光激光器3、蓝光准直器5、蓝光动态聚焦镜7、蓝光反射器8、合束器9和扫描振镜10依次光路连接。
14.所述合束器9为二向色镜，其一面镀有蓝光全反射膜，另一面镀有红外光透过膜；
15.红外激光光束透过合束器9，由扫描振镜10折射后，作用于成型腔的成型区域；
16.蓝光激光光束，由蓝光反射器8折射至合束器9，再由合束器9折射入扫描振镜10，最后由扫描振镜10再次折射后，作用于成型腔的成型区域。
17.通过调节合束器9和蓝光反射器8的反射角度，使红外激光光束和蓝光激光光束，平行入射至扫描振镜10。
18.所述蓝光准直器5与蓝光动态聚焦镜7的入射光路方向为同轴连接，蓝光反射器8与蓝光动态聚焦镜7通过螺纹连接；所述合束器9在发射光路方向与红外光动态聚焦镜6和红外光准直镜4同轴连接；
19.所述合束器9和蓝光反射器8，平行安装于成型腔11上表面。
20.所述蓝光反射器8为45
°
蓝光反射器(采用蓝光全反射镜片)。
21.所述成型腔11内包括：铺粉车111、直线导轨112、供粉缸113、成型缸114、粉料回收瓶115、成型腔壳体116；
22.所述直线导轨112安装于成型腔侧壁上，通过电机传动带动铺粉车111在成型平面上做直线运动，将供粉缸113的粉末材料平铺至成型缸114的成型平面上；
23.所述粉料回收瓶115位于成型缸114一侧；
24.所述成型缸114、供粉缸113的上升与下降由计算机系统1控制。
25.本发明蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造过程，可通过如下方案实施：
26.由计算机系统1控制激光器的出光与否，完成单激光器出光或双激光器同时出光；
27.激光器发出的激光，分别经红外光准直镜4、蓝光准直器5扩束整形后，计算机系统1根据不同波长激光焦点位置，分别调节红外光动态聚焦镜6和蓝光动态聚焦镜7的位置，使激光焦点处于不离焦或离焦状态；并通过调节激光延时参数，使红外激光光束和蓝光激光光束同时工作时，它们的扫描中心位置相同，保持同步扫描。
28.所述单激光器，此处是指红外激光器2或者蓝光激光器3；
29.双激光器，此处是指红外激光器2和蓝光激光器3；
30.本发明在高反材料激光增材制造过程，可通过如下方案实施：
31.在进行高反材料激光增材制造过程中，蓝光激光经扩束整形后，经蓝光动态聚焦镜7聚焦成小光斑激光，并使焦点落于成型面上，由扫描振镜10按照既定路径完成高反材料熔化成型作业；与此同时，红外激光经扩束整形后，红外光动态聚焦镜6根据相应的调整指令，在成型平面获得正/负离焦的大光斑光束，对粉末材料进行预热；成型过程中，蓝激光和红外激光焦点落于同一位置处，保持同步扫描。
32.本发明在提高激光增材制造成型精度过程，可通过如下方案实施：
33.在提高激光增材制造成型精度的过程中，首先由计算机系统1控制红外激光器2输出红外激光，关闭蓝光激光器3；
34.红外激光经扩束整形后，红外光动态聚焦镜6聚焦使焦点落于成型面上，而后由扫描振镜10控制完成零件内部实体扫描成型作业；
35.随后，关闭红外激光器2；开启蓝光激光器3输出蓝激光，经扩束整形后，蓝光动态聚焦镜7聚焦使焦点落于成型面上；经扫描振镜10控制，完成零件外轮廓的扫描工作，以提高成型表面质量，降低粗糙度。
36.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
37.1.本发明通过光路耦合的方式集成了双波长激光，解决了目前激光增材制造技术中高反材料对激光存在高反射的问题，使高反材料激光增材制造质量获得显著提高；同时，提高激光能量的利用率，有效降低能源浪费。
38.2.本发明技术方案可完成同一幅面内双波长激光同步扫描，并且结合对红外激光的离焦控制获得大光斑红外激光，实现大光斑激光预热、小光斑激光熔融成型的效果，减小熔池温度梯度，降低残余应力，改善成型质量。
39.3.本发明采用的短波长激光经聚焦后获得聚焦光斑直径更小的激光光束，有利于精细结构的准确成型工作，同时有利于提高成型件的尺寸精度，降低表面粗糙度。
附图说明
40.图1是本实施例一种蓝光/红外双波长同轴复合激光增材制造装置的结构示意图。
41.图2是红外光预热蓝光熔融成型示意图；图中：a为蓝激光；b为红外激光。
42.图3是小光斑扫描轮廓示意图；图中：a为蓝激光；b为红外激光。
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
44.实施例
45.如图1-3所示。本发明公开了一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造装置，包括计算机系统1、成型腔11和激光器；
46.所述激光器包括：红外激光器2、蓝光激光器3、红外光准直镜4、蓝光准直器5、红外光动态聚焦镜6、蓝光动态聚焦镜7、蓝光反射器8、合束器9、扫描振镜10；
47.所述红外激光器2、红外光准直镜4、红外光动态聚焦镜6、合束器9和扫描振镜10依次光路连接；
48.所述蓝光激光器3、蓝光准直器5、蓝光动态聚焦镜7、蓝光反射器8、合束器9和扫描振镜10依次光路连接。
49.所述合束器9为二向色镜，其一面镀有蓝光全反射膜，另一面镀有红外光透过膜；
50.红外激光光束透过合束器9，由扫描振镜10折射后，作用于成型腔的成型区域；
51.蓝光激光光束，由蓝光反射器8折射至合束器9，再由合束器9折射入扫描振镜10，最后由扫描振镜10再次折射后，作用于成型腔的成型区域。
52.采用动态聚焦镜，减少不同波长激光合束后的射散现象，实现双激光焦点在成型平面上的重合。
53.通过调节合束器9和蓝光反射器8的反射角度，使红外激光光束和蓝光激光光束，平行入射至扫描振镜10。
54.所述蓝光准直器5与蓝光动态聚焦镜7的入射光路方向为同轴连接，蓝光反射器8与蓝光动态聚焦镜7通过螺纹连接；所述合束器9在发射光路方向与红外光动态聚焦镜6和红外光准直镜4同轴连接；
55.所述合束器9和蓝光反射器8，平行安装于成型腔11上表面。
56.所述蓝光反射器8为45
°
蓝光反射器。
57.所述成型腔11内包括：铺粉车111、直线导轨112、供粉缸113、成型缸114、粉料回收瓶115、成型腔壳体116；
58.所述直线导轨112安装于成型腔侧壁上，通过电机传动带动铺粉车111在成型平面上做直线运动，将供粉缸113的粉末材料平铺至成型缸114的成型平面上；
59.所述粉料回收瓶115位于成型缸114一侧；
60.所述成型缸114、供粉缸113的上升与下降由计算机系统1控制。
61.一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造方法，其包括如下步骤：
62.由计算机系统1控制激光器的出光与否，完成单激光器出光或双激光器同时出光；
63.所述单激光器，此处是指红外激光器2或者蓝光激光器3；
64.双激光器，此处是指红外激光器2和蓝光激光器3；
65.激光器发出的激光，分别经红外光准直镜4、蓝光准直器5扩束整形后，计算机系统1根据不同波长激光焦点位置，分别调节红外光动态聚焦镜6和蓝光动态聚焦镜7的位置，使激光焦点处于不离焦或离焦状态；并通过调节激光延时参数，使红外激光光束和蓝光激光光束同时工作时，它们的扫描中心位置相同，保持同步扫描。
66.一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造方法，其包括高反材料激光增材制造步骤，具体如下：
67.在进行高反材料激光增材制造过程中，蓝光激光经扩束整形后，经蓝光动态聚焦镜7聚焦成小光斑激光，并使焦点落于成型面上，由扫描振镜10按照既定路径完成高反材料熔化成型作业；与此同时，红外激光经扩束整形后，红外光动态聚焦镜6根据相应的调整指令，在成型平面获得正/负离焦的大光斑光束，对粉末材料进行预热；成型过程中，蓝激光和红外激光焦点落于同一位置处，保持同步扫描。
68.一种蓝光红外双波长同轴复合激光增材制造方法，其包括提高激光增材制造成型精度步骤，具体如下：
69.在提高激光增材制造成型精度的过程中，首先由计算机系统1控制红外激光器2输出红外激光，关闭蓝光激光器3；
70.红外激光经扩束整形后，红外光动态聚焦镜6聚焦使焦点落于成型面上，而后由扫描振镜10控制完成零件内部实体扫描成型作业；
71.随后，关闭红外激光器2；开启蓝光激光器3输出蓝激光，经扩束整形后，蓝光动态聚焦镜7聚焦使焦点落于成型面上；经扫描振镜10控制，完成零件外轮廓的扫描工作，以提高成型表面质量，降低粗糙度。
72.如上所述，本发明采用两种不同波长的激光通过同轴耦合输出的方式，采用短波长蓝光可提高材料对激光的吸收率，减小激光功率损失；同时获得聚焦光斑直径更小的光束，用于金属金属零件的高精度成型工作。同时，通过本发明可获得大光斑光束，实现激光增材制造过程中对粉末材料进行实时预热，减小增材制造过程中的温度梯度，减少残余应
力，提高激光增材制造成型质量。
73.本发明可用于多材料激光增材制造中对不同材料采用不同波长激光进行成型工作，提高材料冶金结合性能。本发明有效的提高激光增材制造成型质量，扩大激光增材制造应用范围。
74.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。