本實(shí)用新型涉及一種激光選區(qū)熔化/燒結(jié)成型3D零件過(guò)程中，特別涉及一種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光選區(qū)熔化/燒結(jié)成型過(guò)程是以一定功率的激光掃描成型平面，并逐層疊加形成實(shí)體的加工過(guò)程。經(jīng)過(guò)聚焦的激光光斑以預(yù)設(shè)路徑掃描成型平面的金屬粉末，被光斑掃描到的金屬或者聚合物粉末瞬間熔化和冷凝形成實(shí)體，隨后成型平面下降一定的高度，并重新鋪粉以形成新的成型平面，激光在新的成型平面上繼續(xù)進(jìn)行掃描，如此循環(huán)往復(fù)直至成型件加工完畢。加工過(guò)程中，激光掃描的路徑是通過(guò)掃描振鏡系統(tǒng)來(lái)控制，振鏡系統(tǒng)的掃描效果將直接影響著最終的成型效果。

目前，在激光選區(qū)熔化/燒結(jié)成型設(shè)備中雙振鏡掃描系統(tǒng)適用范圍最廣。這種雙振鏡掃描系統(tǒng)主要由兩個(gè)轉(zhuǎn)軸相互垂直的反射鏡構(gòu)成，兩個(gè)轉(zhuǎn)軸由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，分別控制光束在x軸和y軸方向上的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的激光經(jīng)過(guò)振鏡的兩次反射并通過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面，聚焦后的光斑直徑越小，成型精度越高。然后目前采用單光束成形方式，因此當(dāng)成型件尺寸較大且加工精度要求較高時(shí)，這種單光束的雙振鏡掃描系統(tǒng)加工效率將會(huì)大大降低。為解決這一問(wèn)題，部分設(shè)備采用了多組振鏡系統(tǒng)同時(shí)掃描的多光束掃描系統(tǒng)，但需要同時(shí)配備多個(gè)激光器。這種方式雖然提高了加工的效率，但是成本將極大的提高，而且多組振鏡之間的搭接也存在一定整形問(wèn)題，因此并沒(méi)有得到普及。

因此在激光選區(qū)熔化/燒結(jié)成型過(guò)程中，需要提供一種既能夠有效提高掃描效率，且能夠極大降低成本的振鏡掃描系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)在不增加激光器數(shù)量的情況下可實(shí)現(xiàn)多光束掃描的效果，有效的解決了單光束掃描效率低的問(wèn)題，同時(shí)也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)，包括振鏡框體結(jié)構(gòu)，所述振鏡框體結(jié)構(gòu)上設(shè)有進(jìn)光口和出光口，所述振鏡框體結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有X軸陣列振鏡系統(tǒng)和Y軸振鏡系統(tǒng)，所述X軸陣列振鏡系統(tǒng)或Y軸振鏡系統(tǒng)為多個(gè)軸心線相互平行的振鏡組成，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的激光通過(guò)進(jìn)光口進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，光束到達(dá)X軸陣列振鏡系統(tǒng)被平分為n束光強(qiáng)相同的平行光束，n束平行光束在X軸各個(gè)振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)在X方向任意移動(dòng)，并投射到Y(jié)軸振鏡系統(tǒng)上，在Y軸振鏡偏轉(zhuǎn)反射帶動(dòng)下，n組光束在Y方向上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)n組光束在X方向位置可控運(yùn)動(dòng)，在Y方向同步運(yùn)動(dòng)，最后該n組光束經(jīng)過(guò)出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個(gè)數(shù)為n的光斑。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述X軸陣列振鏡系統(tǒng)為多組鏡，Y軸振鏡系統(tǒng)為單振鏡，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的激光通過(guò)進(jìn)光口進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，X軸陣列振鏡系統(tǒng)為n面反射率和透射率不同的振鏡組成，光束到達(dá)X軸陣列振鏡系統(tǒng)后會(huì)被均分為n束光強(qiáng)相同的平行光束并被反射到Y(jié)軸振鏡系統(tǒng)上，Y軸振鏡系統(tǒng)反射的n束激光經(jīng)過(guò)出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個(gè)數(shù)為n的光斑。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，激光通過(guò)進(jìn)光口進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，在通過(guò)X軸陣列振鏡系統(tǒng)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)X軸陣列振鏡系統(tǒng)第一振鏡上，第一振鏡將反射過(guò)來(lái)的激光一部分透射到第二振鏡上，另一部分光在第一振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射Y軸振鏡系統(tǒng)上，并在Y軸振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射經(jīng)過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成光束1，同樣第二振鏡接收的光，一部分透射到第三振鏡上，一部分光在第二振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射Y軸振鏡系統(tǒng)上，并在Y軸振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射經(jīng)過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成光束2，如此類推，X軸陣列振鏡系統(tǒng)有幾組鏡片，每次偏轉(zhuǎn)反射光均為總能量的幾分之一，在成形平面上也將形成幾組光束。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述Y軸振鏡系統(tǒng)為多組鏡，X軸陣列振鏡系統(tǒng)為單振鏡，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的激光通過(guò)進(jìn)光口進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)過(guò)X軸陣列振鏡系統(tǒng)反射到Y(jié)軸振鏡系統(tǒng)上，Y軸振鏡系統(tǒng)為n面反射率和透射率不同的振鏡組成，光束到達(dá)Y軸振鏡系統(tǒng)后會(huì)被均分為n束光強(qiáng)相同的光束，n束光強(qiáng)相同的光束經(jīng)過(guò)出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個(gè)數(shù)為n的光斑。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，激光通過(guò)進(jìn)光口進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，在通過(guò)X軸陣列振鏡系統(tǒng)時(shí)，在X振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射Y振鏡組第一振鏡上，第一振鏡將反射過(guò)來(lái)的激光一部分透射到第二振鏡上，另一部分光在第一振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射經(jīng)過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成分光束1，同樣第二振鏡接收的光，一部分透射到第三振鏡上，一部分光在第二振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下反射經(jīng)過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成分光束2，同理Y軸振鏡系統(tǒng)有幾組鏡片，每次偏轉(zhuǎn)反射光均為總能量的幾分之一。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，每一面振鏡均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)且可進(jìn)行一定弧度的轉(zhuǎn)動(dòng)，振鏡具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率隨振鏡排列順序的變化而變化；陣列振鏡的間距可調(diào)，每面振鏡的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用同步驅(qū)動(dòng)或異步驅(qū)動(dòng)的方式。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，當(dāng)陣列振鏡數(shù)目為n時(shí)，沿光路方向的第一面振鏡將反射1/n倍光束能量，其余光量均透射到第二面振鏡，第二面振鏡將反射剩余光束能量的1/((n-1))并透射其余光量，以此類推，光路的最后一面振鏡為全反射鏡，將接受到剩余的1/n倍光量并全部反射，其中n為大于1的正整數(shù)。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述Y軸振鏡系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行小弧度的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)軸方向與X軸陣列振鏡系統(tǒng)的軸心線垂直，所述Y軸振鏡系統(tǒng)為當(dāng)X軸或者Y軸振鏡系統(tǒng)為單振鏡時(shí)，單振鏡為全反射鏡片，將接收到的Y軸振鏡系統(tǒng)接收到經(jīng)X軸陣列振鏡系統(tǒng)反射的等光強(qiáng)平行光束組并全部反射。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，出光口位于陣列掃描振鏡系統(tǒng)底部，外接F-θ鏡，由Y軸振鏡系統(tǒng)反射的n束等光強(qiáng)平行光束通過(guò)出光口并經(jīng)F-θ鏡聚焦，在成型平面上形成了一組個(gè)數(shù)為n的陣列光斑。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本實(shí)用新型由于采用以上方案，使得這種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)有效提高了激光掃描的效率并且大幅度降低了技術(shù)成本。具有透射和反射功能的陣列振鏡，通將不同反射率和透射率的鏡片按一定規(guī)律排列在入射光路上，很好的實(shí)現(xiàn)了均勻分光的功能。由激光器產(chǎn)生的大功率激光經(jīng)過(guò)陣列振鏡并被均勻分成多束低功率等光強(qiáng)的平行光束，再經(jīng)過(guò)F-θ鏡聚焦到成型平面上形成滿足需要的一組陣列光斑。這種陣列掃描振鏡系統(tǒng)在X軸方向(或Y軸方向)上為多光束掃描，因此與傳統(tǒng)的雙振鏡單光束掃描振鏡系統(tǒng)相比，其加工效率將會(huì)成倍增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的倍數(shù)與振鏡的陣列數(shù)目相同，這將極大的降低加工時(shí)間和加工成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型中多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)上視圖。

圖2是本實(shí)用新型中多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)正視圖。

圖3是本實(shí)用新型中多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)的軸視圖。

圖4是本實(shí)用新型中多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)案例圖。

圖5(a)-圖5(c)是本實(shí)用新型相同掃面區(qū)域中三光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)的三種不同重合度光斑的掃描效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1至4所示,本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)包括進(jìn)光口1、X軸陣列振鏡系統(tǒng)2、Y軸振鏡系統(tǒng)3、出光口4和振鏡框體結(jié)構(gòu)5，所述振鏡框體結(jié)構(gòu)5內(nèi)部設(shè)有X軸陣列振鏡系統(tǒng)2和Y軸振鏡系統(tǒng)3，所述X軸陣列振鏡系統(tǒng)2或Y軸振鏡系統(tǒng)3為多個(gè)軸心線相互平行的振鏡組成，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的激光通過(guò)進(jìn)光口1進(jìn)入陣列振鏡掃描系統(tǒng)內(nèi)部，光束到達(dá)X軸陣列振鏡系統(tǒng)2或Y軸振鏡系統(tǒng)3被分為n束光強(qiáng)相同的平行光束，該平行光束經(jīng)過(guò)出光口4并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個(gè)數(shù)為n的光斑。X軸陣列振鏡系統(tǒng)有兩方面的作用：(1)將光束能量平分；(2)每個(gè)振鏡運(yùn)動(dòng)是單獨(dú)電機(jī)控制的偏轉(zhuǎn)角度，平分光束在振鏡單元偏轉(zhuǎn)后，光束會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，從而控制光束在X方向的位置。經(jīng)過(guò)X軸振鏡分光及X軸振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下在X方向移動(dòng)的光束，投射到Y(jié)軸振鏡上，在Y軸振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，光束在Y方向上移動(dòng)。因此本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能是光束是X軸振鏡分光并在分光束分別在各個(gè)振鏡偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)在X方向任意移動(dòng)，并投射到Y(jié)軸振鏡，在Y軸振鏡偏轉(zhuǎn)反射帶動(dòng)下，N組光束在Y方向上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)N組光束在X方向位置可控運(yùn)動(dòng)，在Y方向同步運(yùn)動(dòng)。分光之間的距離在X軸振鏡控制，但是在Y軸行進(jìn)的距離和長(zhǎng)度是同步的。在X軸振鏡控制上，分光也可以實(shí)現(xiàn)光合并，如在單獨(dú)X振鏡控制下，分光1，分光2合并一束，分光3，分光4在X軸位置一樣，那么光束也可以實(shí)現(xiàn)合并，這樣4束分光可以變?yōu)閮墒?。如控制在X軸位置一樣的話，四束分光又可以變?yōu)橐皇Ｔ赮方向上起止點(diǎn)只能同步。本實(shí)施例以X軸陣列振鏡系統(tǒng)2為多組鏡，Y軸振鏡系統(tǒng)為單振鏡進(jìn)行闡述，而Y軸振鏡系統(tǒng)3為多組鏡，X軸陣列振鏡系統(tǒng)為單振鏡的原理與之相同。XY振鏡調(diào)換(X為單振鏡，Y為陣列振鏡系統(tǒng))，也就可以實(shí)現(xiàn)Y方向分束，X方向運(yùn)動(dòng)同步。

如圖1至圖4所示，進(jìn)光口1外接擴(kuò)束鏡，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，以一定直徑的平行光束通過(guò)進(jìn)光口，進(jìn)入陣列掃描振鏡系統(tǒng)內(nèi)部。

如圖1至圖4所示，所述X軸陣列振鏡系統(tǒng)2由多個(gè)軸心線相互平行的振鏡組成，是本掃描振鏡系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，每一面振鏡均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行一定弧度的轉(zhuǎn)動(dòng)，振鏡具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率隨振鏡排列順序的變化而變化，當(dāng)陣列振鏡數(shù)目為3時(shí)，沿光路方向的第一面振鏡2-1將反射1/3倍光束能量，其余光量均透射到第二面振鏡2-2，第二面振鏡將反射剩余光束能量1/2并透射其余光束能量，光路的最后一面振鏡2-3為全反射鏡，將接受到剩余的1/3倍光量并全部反射。

如圖1至圖4所示，Y軸振鏡系統(tǒng)3由電機(jī)驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行小弧度的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)軸方向與X軸陣列振鏡系統(tǒng)2的軸心線垂直，Y軸振鏡系統(tǒng)3為全反射鏡片，Y軸振鏡系統(tǒng)3接收到經(jīng)X軸陣列振鏡系統(tǒng)2反射的等光強(qiáng)平行光束組并全部反射。

如圖1至圖4所示，出光口4位于陣列掃描振鏡系統(tǒng)底部，外接F-θ鏡，由Y軸振鏡系統(tǒng)3反射的3束等光強(qiáng)平行光束通過(guò)出光口并經(jīng)F-θ鏡聚焦，在成型平面上形成了一組個(gè)數(shù)為3的陣列光斑。

如圖1至圖4所示，X軸陣列振鏡系統(tǒng)2和Y軸振鏡系統(tǒng)3分別控制成型平面上陣列光斑在X方向和Y方向上的運(yùn)動(dòng)，掃描體統(tǒng)中X軸和Y軸是等價(jià)的，可以互換，陣列振鏡的間距可變，可以通過(guò)改變陣列振鏡間距來(lái)調(diào)整成型平面上光斑的間距，下圖示出了相同掃面區(qū)域中三光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)的三種不同重合度光斑的掃描效果：

圖5(a)圖中的光斑重合度為0，熔道寬度為l₁，掃描次數(shù)為3；圖5(b)圖中的光斑重合度為50％，熔道寬度為l₂，掃描次數(shù)為4.3；圖5(c)圖中的光斑重合度為100％，熔道寬度為l₃，掃描次數(shù)為9，三種掃描方式的熔道寬度之間的關(guān)系為：

l₁＝1.5l₂＝3l₃

三種掃描方式中，熔道搭接率均為0，通過(guò)改變陣列振鏡的間距可實(shí)現(xiàn)不同加工環(huán)境下激光掃描效率的最大化。

如圖1至圖4所示，振鏡框體結(jié)構(gòu)5為不透光并密封的箱體結(jié)構(gòu)。

如圖1至圖4所示，這種多光束陣列振鏡掃描系統(tǒng)適用于以激光為能量源的激光選區(qū)熔化/燒結(jié)(SLM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)成型以及激光打標(biāo)技術(shù)中。

綜上所述，陣列掃描振鏡系統(tǒng)在X軸方向(或Y軸方向)上為多光束掃描，因此與傳統(tǒng)的雙振鏡單光束掃描振鏡系統(tǒng)相比，其加工效率將會(huì)成倍增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的倍數(shù)與振鏡的陣列數(shù)目相同，這將極大的降低加工時(shí)間和加工成本，可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。