專利名稱：快速成形激光二極管能量源及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械工程學(xué)科快速成形技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及快速成形設(shè)備激光二極管能量源。
二、技術(shù)背景自1988年世界上第一臺商業(yè)化快速成形機(jī)問世以來，快速成形技術(shù)(RPT)有了很大發(fā)展，目前世界上已投入應(yīng)用的主要設(shè)備和工藝方法有以下幾種選擇性光固化(SLA，也稱立體印刷法)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實(shí)體法(LOM，也稱切紙法)和選區(qū)噴塑法(FDM)。上述四種常用的快速成形(RP)工藝方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足，適合于不同的加工對象和條件。前三種工藝都使用激光作為能量源，因此也稱為激光快速成形技術(shù)。
●LOM法可成形大中型零件，不變形，成形時(shí)間短，但尺寸精度較低，且材料損耗大，廢料不易清除。激光光源一直使用CO2氣體激光器(λ＝10.6μm)，如Synrad公司、Coheren公司等的50W和30W的CO2激光器。
●SLS法可制作中小型零件，成形材料廣泛，使用SLS法可直接燒結(jié)金屬粉末材料制造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件。精度較高，但是SLS法不能加工大型工件。
●SLA法使用光敏樹脂材料，可直接制造中、小型塑料件，表面粗糙度好，尺寸精度高，被認(rèn)為是一種應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟、精度最高的RPT，因而成為研究熱點(diǎn)，但制造中有物相變化，變形較大，液體中成形零件需要支撐。
目前，SLA法燒結(jié)樹脂粉末時(shí)激光光源也是使用50W的CO2氣體激光器，燒SLS法結(jié)金屬粉末材料一般使用千瓦級CO2氣體激光器?？傊?，現(xiàn)有激光快速成形系統(tǒng)使用的激光光源都是氣體激光器，如在選擇性激光燒結(jié)快速成形(SLSRP)、分層實(shí)體制造快速成形(LOM RP)系統(tǒng)中使用CO2氣體激光器，在光固化快速成形(SLA RP)系統(tǒng)中一般使用He-Cd氣體激光器。這些氣體激光器體積大、可靠性差、壽命短、光譜固定而不可選。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有激光快速成形系統(tǒng)使用的激光光源存在的缺點(diǎn)和不足，以紅外、紫外激光二極管為光源并輔助以光學(xué)元件集成為模塊，構(gòu)成激光快速成形設(shè)備使用的激光二極管能量源。充分利用和發(fā)揮了激光二極管具有的體積小、可靠性好、壽命長、光譜可選等優(yōu)點(diǎn)，有利于拓寬適用材料范圍，有利于提高成形精度和質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)激光快速成形設(shè)備小型化，使激光快速成形設(shè)備真正成為一種桌面式三維打印系統(tǒng)。
激光二極管為近紅外LD則可用于SLS、LOM快速成形設(shè)備；激光二極管為紫外LD則可用于SLA快速成形設(shè)備。
就上述目的本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的快速成形激光二極管能量源，包括激光二極管LD的光源，其特點(diǎn)是還有柱面鏡組與擴(kuò)束器；柱面鏡組包含快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡，快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準(zhǔn)直成為橢圓形平行光束，在激光二極管LD光源慢軸平面內(nèi)，快軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而慢軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一個(gè)球面透鏡，將光束準(zhǔn)直成平行光束；同樣，在激光二極管LD光源快軸平面內(nèi)，慢軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而快軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一個(gè)球面透鏡，光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直柱面鏡準(zhǔn)直后也成為平行光束；準(zhǔn)直后的光束在快、慢軸兩個(gè)方向上的光束直徑并不相等，由擴(kuò)束器將慢軸平行光束進(jìn)行擴(kuò)束，使兩個(gè)方向上的光束直徑一樣變?yōu)閳A的平行光束。
所述的快速成形激光二極管能量源還包括用于支撐、固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴(kuò)束器并使之成為一體的支架或者殼體。
本發(fā)明快速成形設(shè)備，包括由光源、指向器、合光器、耦合擴(kuò)束器、動態(tài)聚焦模塊、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡等組成的光學(xué)系統(tǒng)，工作臺，支架及殼體；其特點(diǎn)是所述的光源是快速成形激光二極管能量源。
所述的光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)用于調(diào)整激光二極管能量源發(fā)出光束的直徑，使其與動態(tài)聚焦模塊入孔的直徑相同的耦合擴(kuò)束器。
發(fā)明涉及的快速成形激光二極管能量源主要元件激光二極管LD的光束特性分析如下激光二極管LD的輸出孔徑為一狹縫，因此其光束遠(yuǎn)場圖像是單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖像，是狹縫孔徑上的復(fù)振幅分布的傅里葉變換。
E~(P)=C1fexp[ik(f+x2+y22f)]∫∫A′exp[-ik(xfx1+yfy1)]dx1dy1Σ]]>式中， 為觀察平面上P點(diǎn)的復(fù)振幅分布，C=1iλ,A′=E~(x1+y1)]]>是孔徑平面x1y1內(nèi)的復(fù)振幅分布，當(dāng)平面波垂直照射孔徑時(shí)， 為常數(shù)A′。
對于矩孔衍射，P點(diǎn)的光強(qiáng)分布為I=|E~|2=I0[sinkla2kla2]2[sinkωb2kωb2]2]]>式中，I0為觀察平面中心P0點(diǎn)的光強(qiáng)，a，b為矩孔的長、寬，l，ω為P點(diǎn)光線的方向余弦。
當(dāng)矩孔的長、寬符合b＞＞a時(shí)，矩孔成單縫。單縫衍射在x軸上的光強(qiáng)分布為I=I0(sinkla2kla2)2]]>激光二極管LD光束具有以下特點(diǎn)振幅分布為高斯函數(shù)，完全類似于許多氣體激光器的TEM00模式。光束具有像散、不對稱、高發(fā)散等空間特性，光束截面形狀如橢圓。光束擴(kuò)展的半幅值寬度大約為30°×40°；如圖1所示，發(fā)散小的方向稱為慢軸方向(a圖)，發(fā)散大的方向稱為快軸方向(b圖)。
激光二極管LD光束的這種空間特性很不利于它的應(yīng)用，一般都需要進(jìn)行改善。改善方法包括準(zhǔn)直與擴(kuò)束，其目的是使這種高發(fā)散的像散光束變成圓的平行光束。
發(fā)明涉及的快速成形激光二極管能量源，其突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步是1、比CO2，He-Cd氣體激光器壽命長、工作可靠，且體積小易于實(shí)現(xiàn)裝置小型化，使激光快速成形設(shè)備成為一種桌面式三維打印系統(tǒng)的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。
2、激光二極管LD在低電壓下工作，有利于設(shè)備的安全操作；其電光轉(zhuǎn)換效率比CO2，He-Cd氣體激光器高很多，有利于節(jié)能。
3、隨著高功率近紅外激光二極管LD和紫外激光二極管LD的市場化，其價(jià)格也越來越便宜?？焖俪尚渭す舛O管能量源可直接與現(xiàn)有激光快速成形系統(tǒng)集成，可較大幅度地降低系統(tǒng)成本。
4、由于激光二極管LD在近紅外、紫外波段內(nèi)可有多種波長選擇，適合于不同改性樹脂材料(在SLS RP和SLA RP中)的吸收特性，因此，有利于拓寬適用材料范圍。
5、近紅外激光二極管LD的波長(0.808μm)比CO2激光的波長(10.6μm)小十幾倍，因此，焦斑直徑可以做得很小，有利于提高成形精度和質(zhì)量。另外，對于金屬粉末來說，短波長激光比長波長激光的熱效應(yīng)高，有利于提高成形效率。
四

圖1為激光二極管光束慢、快軸(準(zhǔn)直后)高斯光束振幅(高斯)分布圖；圖2為快速成形激光二極管能量源圖；圖3為快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡示意圖；圖4為兩個(gè)相同的棱鏡組成的擴(kuò)束器示意圖；圖5為激光二極管能量源的快速成形裝置的光學(xué)系統(tǒng)圖；五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合

本發(fā)明(實(shí)用新型)具體實(shí)施方式
。
如圖2所示，為快速成形激光二極管能量源；光源為激光二極管LD101，激光二極管LD光源輸出的像散光束由柱面鏡組102準(zhǔn)直成為平行光束，再由擴(kuò)束器103將慢軸平行光束進(jìn)行擴(kuò)束，激光二極管光源輸出的像散光束經(jīng)過準(zhǔn)直與擴(kuò)束變?yōu)閳A的平行光束。
其中所述的柱面鏡組包含快軸準(zhǔn)直柱面鏡1021與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡1022，快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡的母線相互垂直，在激光二極管LD光源慢軸平面內(nèi)，快軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而慢軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一個(gè)球面透鏡，將光束準(zhǔn)直成平行光束；同樣，在激光二極管LD光源快軸平面內(nèi)，慢軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而快軸準(zhǔn)直柱面鏡相當(dāng)于一個(gè)球面透鏡，光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直柱面鏡準(zhǔn)直后也成為平行光束；準(zhǔn)直后的光束在快、慢軸兩個(gè)方向上的光束直徑并不相等，需要對慢軸方向上的光束進(jìn)行擴(kuò)束，使兩個(gè)方向上的光束直徑一樣。
對于這種像散光束有多種準(zhǔn)直方法，如使用復(fù)雜透鏡組或單片非球面透鏡，而使用柱面透鏡的方法更為簡單。將兩個(gè)焦距不等、母線相互垂直的平凸柱面透鏡的焦平面調(diào)到與激光二極管LD的發(fā)光面重合，光束通過兩柱面透鏡時(shí)，只在徑向發(fā)生折射，在母線方向不發(fā)生折射，從而分別實(shí)現(xiàn)對慢軸和快軸方向發(fā)散光束的準(zhǔn)直。
如圖3所示，從像差角度考慮，安裝時(shí)平凸柱面透鏡的平面應(yīng)面對激光二極管LD的發(fā)光面，使平行光束從凸面輸出。
準(zhǔn)直后的光束在快、慢軸兩個(gè)方向上的光束直徑并不相等，需要對慢軸方向上的光束進(jìn)行擴(kuò)束，使兩個(gè)方向上的光束直徑一樣。這種單方向的擴(kuò)束技術(shù)也有多種方法。如使用兩個(gè)母線相互平行的平凸柱面透鏡組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，只對慢軸方向上的光束進(jìn)行擴(kuò)束。
更為簡單的方法是使用棱鏡組，如圖4所示，兩個(gè)相同的棱鏡按布儒斯特角∠B安裝，這對于屬于線偏振光的激光二極管LD光束，具有最小的反射損失。棱鏡組只對紙平面即慢軸平面內(nèi)的光束進(jìn)行擴(kuò)束，在與紙平面垂直的另一個(gè)方向上即快軸平面內(nèi)的光束直徑不變。改變兩棱鏡的夾角，可得到不同的擴(kuò)束比β＝D/d。
本發(fā)明的快速成形激光二極管能量源，還包括用于支撐、固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴(kuò)束器的支架或者殼體。使用支架或者殼體將固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴(kuò)束器等元器件集成組裝在一起，構(gòu)成用于快速成形加工設(shè)備的新能量源部件。或者稱之為新能量源模塊。支架或者殼體的結(jié)構(gòu)可以由一般工程設(shè)計(jì)完成(本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員)，這里沒有給出示意圖。
如圖5所示，為使用本發(fā)明的快速成形激光二極管能量源開發(fā)的快速成形設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)。該快速成形設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)除了激光二極管能量源1和耦合擴(kuò)束器7外(耦合擴(kuò)束器7用于調(diào)整激光二極管能量源發(fā)出光束的直徑，使光束的直徑與動態(tài)聚焦單元入孔的直徑相耦合)，其余部分是現(xiàn)有快速成形設(shè)備的已有技術(shù)，其中光學(xué)系統(tǒng)含有指向器2、合光器3、動態(tài)聚焦模塊4、x軸掃描振鏡51、y軸掃描振鏡52；此外快速成形設(shè)備還有工作面6、支架及殼體等等。快速成形設(shè)備所利用的現(xiàn)有技術(shù)有●激光二極管能量源1發(fā)出的近紅外或紫外光譜是不可見的，設(shè)置指向器2，將它們的光軸調(diào)至同軸，便可用紅光的路徑來代表近紅外或紫外光的路徑，以便于系統(tǒng)調(diào)試，并可在加工中觀察到它們的掃描路徑。
●合光器3使LD光源模塊和指向器光軸調(diào)至同軸。
●動態(tài)聚焦單元4對平行光束聚焦，并可糾正系統(tǒng)的軸向聚焦誤差，使在工作面上得到尺寸一致的激光焦斑，提高加工質(zhì)量。
●x軸和y軸掃描振鏡將激光焦斑送到工作面上任何指定位置，工作面代表承載成形材料的加工平面。
由本發(fā)明激光快速成形激光二極管能量源構(gòu)成的快速成形設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于包括汽車工業(yè)在內(nèi)的機(jī)械、石油化工、電子、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)工程、工藝品和玩具制造等領(lǐng)域。其特殊的應(yīng)用優(yōu)勢表現(xiàn)在以下方面●可以加工各種模具，包括用于精密鑄造的消失模；
●新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)中的原型制造，以供評價(jià)和修改，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本；●制作那些難以機(jī)械加工的復(fù)雜零件和一些單件生產(chǎn)的零部件。如汽車工業(yè)提出的解決轎車的中、小鑄件，包括渦輪增壓器、排氣歧管、制動盤和曲軸等鑄件的質(zhì)量問題，使用RPT制造鑄模非常有利于這些問題的解決；●電子產(chǎn)品、工藝品、兒童玩具等產(chǎn)品的開發(fā)速度快，更新?lián)Q代周期短，利用RP與RE的集成技術(shù)可加快這些美學(xué)造型要求高的新產(chǎn)品的開發(fā)周期。
●使用SLA快速成形工藝和生物親和材料制造人造器官及人造骨骼，由于這些產(chǎn)品形狀特別復(fù)雜，其他加工手段難以滿足，而RPT有著無與倫比的優(yōu)勢。
本發(fā)明上除了以上優(yōu)勢以外，因其系統(tǒng)體積小易于實(shí)現(xiàn)裝置小型化、桌面化，因此，特別適合于設(shè)計(jì)原型和小型零件的制造。加上激光二極管光源壽命長、系統(tǒng)工作可靠、適用材料范圍寬、成型精度高等優(yōu)點(diǎn)，必定會有更廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種快速成形激光二極管能量源，包括光源激光二極管LD(101)，其特征在于還有柱面鏡組(102)與擴(kuò)束器(103)；柱面鏡組包含快軸準(zhǔn)直柱面鏡(1021)與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡(1022)，快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準(zhǔn)直成為橢圓形平行光束，由擴(kuò)束器將慢軸平行光束進(jìn)行擴(kuò)束，使兩個(gè)方向上的光束直徑一樣變?yōu)閳A的平行光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的擴(kuò)束器為兩個(gè)相同的棱鏡，按布儒斯特角安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的兩棱鏡的夾角改變，得到不同的擴(kuò)束比β＝D/d。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的擴(kuò)束器是兩個(gè)母線相互平行的平凸柱面透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于還包括用于支撐、光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴(kuò)束器并使之成為一體的支架或者殼體。
6.一種快速成形設(shè)備，包括由光源(1)、指向器(2)、合光器(3)、耦合擴(kuò)束器(7)、動態(tài)聚焦模塊(4)、x軸掃描振鏡(51)、y軸掃描振鏡(52)組成的光學(xué)系統(tǒng)，工作面(6)，支架及殼體；其特征在于所述的光源是快速成形激光二極管能量源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種快速成形設(shè)備，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)用于調(diào)整激光二極管能量源發(fā)出光束的直徑，使其與動態(tài)聚焦模塊入孔的直徑相同的耦合擴(kuò)束器(7)。
全文摘要
本發(fā)明的快速成形激光二極管能量源，包括光源激光二極管LD，其特點(diǎn)是還有柱面鏡組與擴(kuò)束器、及支架或者殼體；柱面鏡組包含快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡，快軸準(zhǔn)直柱面鏡與慢軸準(zhǔn)直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準(zhǔn)直成為橢圓形平行光束，由擴(kuò)束器將慢軸平行光束進(jìn)行擴(kuò)束，使兩個(gè)方向上的光束直徑一樣變?yōu)閳A的平行光束。其設(shè)備包括由激光二極管能量源、指向器、合光器、耦合擴(kuò)束器、動態(tài)聚焦模塊、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡等組成的光學(xué)系統(tǒng)，工作臺，支架及殼體。具有體積小、可靠性好、壽命長、光譜可選等優(yōu)點(diǎn)。成形材料范圍寬，成形精度和質(zhì)量高，設(shè)備可小型化。
文檔編號H01S5/00GK1928625SQ20061004832
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者朱林泉, 馬巧梅, 靳雁霞 申請人:中北大學(xué)