激光選區(qū)熔化增材制造激光束光路系統(tǒng)優(yōu)化研究*

黃建軍 邵中魁 何朝輝 姜耀林 沈小麗

(1.浙江省機電設計研究院有限公司 杭州310051；2.浙江省機電產品質量檢測所 杭州310051)

3D打印是一種快速成型技術，對制造工藝的發(fā)展具有革命性的推動作用[1]。不同于傳統(tǒng)的削減材料成型方法，3D打印采用材料堆積增長成型的自由成型手段，極大減少了加工工序和簡化了制造工藝，因此在復雜結構件和特殊零件定制領域具有突出的優(yōu)勢。

選區(qū)激光熔化成型（Selective laser melting,SLM）是現階段最具潛力的3D打印技術，其可選擇金屬、合金、復合材料、陶瓷等多種粉末材料[2]。SLM工作原理為：加工前將粉末材料平鋪在基板上，通過激光器產生高能激光束，經光路系統(tǒng)的分散和聚合，振鏡掃描系統(tǒng)控制兩個鏡片的轉動保證光束聚焦于金屬粉末，從而使粉末熔化凝固，不斷堆疊成型[3]。因此，SLM成型設備中激光光路系統(tǒng)的設計對成型件的質量有十分重要的影響，獲得了國內外眾多學者的關注。

KA.Mumtaz等[4]人將脈沖激光器作為能源，進行整形脈沖零件制造，發(fā)現整形脈沖可減少SLM成型過程中粉末飛濺的問題。Iov V等[5]對激光掃描工藝參數進行了研究，發(fā)現掃描速度和激光功率對粉末熔化的影響較大。姚華山等[6]利用有限元方法分析了粉床導熱系數的動態(tài)變化規(guī)律，模擬了SLM成型過程中激光動態(tài)掃描引起的材料動態(tài)變化情況。

本文將針對SLM設備的激光束光路系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，具體對光纖激光器、隔離器、擴束鏡、掃描振鏡、調焦裝置等設備進行了原理分析和優(yōu)化選型。

1 激光光路系統(tǒng)

SLM激光束光路系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括光纖激光器、光束隔離器、擴束鏡、振鏡、f?θ鏡頭/F-theta鏡。

圖1 SLM激光束光路系統(tǒng)

系統(tǒng)中的光束通過帶有灰塵、油霧、潮濕的空氣時，光束有部分能量會被吸收，光束的擴散角度將被擴大，從而影響最終到達成型平臺的光束質量，例如隨著光束發(fā)散角的增大，聚焦點的高度將會降低，從而偏離成型面。針對上述問題，本文在設計中安裝了灰塵、油霧和除濕的過濾裝置，只有經過過濾的空氣才可以進入通激光束光路中。

光束傳輸時，通道內的二氧化碳會吸收部分光束的能量使傳輸通道變熱，同樣二氧化碳也會引起光束擴散角度的擴大。掃描時間越長對成型質量的影響越明顯，其影響也會隨著激光功率的增大和光路長度的增加而增加?？刂乒馐鴤鬏斖ǖ纼榷趸急壤姆椒ㄒ话悴捎靡韵聝煞N：一是采用二氧化碳過濾器（也可采用吸附二氧化碳的空氣干燥器）控制光束傳輸通道內二氧化碳的比例；二是采用PSA氮氣發(fā)生器獲得高純度的氮氣，使得光束在單一氮氣中傳輸以獲得更好的質量。

2 激光器

一般 SLM 要求激光能量密度超過 106W/cm2。目前應用于SLM技術的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器和光纖(Fiber)激光器，各激光器產生的激光波長分別為1064 nm、10640 nm、1090 nm。金屬粉末對1064 nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10640 nm等較長波長激光的吸收率較低。

脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質量，可靠性，以及最長的免維護時間，最高的整體電光轉換效率，脈沖重復頻率，最小的體積，且無須水冷，運行費用低，成為了在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。目前IPG品牌的激光器應用較廣，該光纖激光器摻鐿連續(xù)、脈沖可轉換，波長為 1070nm，可通過外部觸摸屏開啟指示光和調節(jié)功率，在金屬3D打印領域應用較多。IPG激光器的準直鏡和激光頭如圖2所示。

圖2 準直鏡和激光頭

3 擴束鏡

擴束鏡有兩個重要功能，一是擴大激光束的直徑，二是減小激光束的發(fā)散角。經擴束鏡的光束，其發(fā)散角和擴束比呈反比。和擴束之前的光束相比，光束在擴束后可被聚焦得更小。從激光器輸出的激光束的光斑尺寸和發(fā)散角乘積是光學不變量，因此光束直徑擴大x倍時，其發(fā)散角相應壓縮為原來的1/x，壓縮發(fā)散角就是激光準直的過程。

擴束鏡的結構原理如圖3所示，其由一個輸入負透鏡和一個輸出正透鏡組成，輸入負透鏡將遠處一虛焦點的光束輸送給輸出鏡，兩者為虛共焦結構。這種結構的擴束鏡簡單、成本低，可獲得20倍以下的放大倍率。

圖3 擴束鏡的結構原理

4 掃描振鏡

一套完整的掃描振鏡系統(tǒng)由振鏡頭、控制卡和軟件驅動組成。掃描振鏡系統(tǒng)的振鏡頭由兩個振鏡和伺服電路組成。反射鏡安裝在掃描電機的主軸上，電機偏轉來帶動反射鏡旋轉：掃描電機在限定角度內偏轉，其內集成了測定實時旋轉角度的傳感器；伺服電路接受驅動電壓信號來控制掃描電機的偏轉。

振鏡頭工作時，激光光束進入振鏡頭后，先投射到沿X軸偏轉的反射鏡A上，然后經A反射到沿Y軸旋轉的反射鏡B上，最后投射到工作平面x-y內。利用兩反射鏡偏轉角度的組合，實現在整個視場內的任意位置的掃描。

帶動反射鏡片偏轉的掃描電機是特殊的擺動電機，不能像普通電機一樣旋轉，其轉子上有機械扭簧或通過電子方法施加復位力矩，復位力矩大小與轉子偏離平衡位置的角度成正比：而偏轉角度與電流大小成正比，當通入的電流大小一定時，掃描電機偏轉一定角度，此時產生的電磁力矩與復位力矩大小相等，轉子就不再轉動，有類似電流表的效果，因此又被稱為電流表式掃描。

為保證 SLM 設備樣機具有良好的穩(wěn)定性和可靠的精度，本文設計的光路系統(tǒng)選用德國SCANLAB公司的hurrySCAN20振鏡掃描系統(tǒng)，其具有體積小、定位精準、性能可靠的優(yōu)點，能夠在Windows系統(tǒng)下直接使用，通過配套的RTC5控制卡與工控機的PCI總線連接，提供整個掃描過程的控制，其主要性能指標如表1所示。

表1 振鏡掃描頭主要性能指標

5 調焦裝置

因光路系統(tǒng)中光程恒定，光束達到焦平面，即工作平面時的光斑大小是恒定。而實際使用過程中，不同材料在某一激光功率、某一鋪粉層厚的條件下，最優(yōu)成型效果都對應不同的聚焦光斑直徑。

由分析可知，通過選用較大的擴束倍數可以得到小的光斑直徑，但如果為了達到適應某種材料的最佳光斑尺寸而驗算得到擴束倍數小于 l，顯然并不符合實際。為了得到理想的大尺寸聚焦光斑，目前有兩種比較適用的方法：一種是在光路中引入光閘來限制光束束腰的大小，安裝在激光器和擴束鏡之間，這樣入射到擴束鏡中的光束束腰就等于光閘的孔徑；另一種簡便的辦法是將用于聚焦的f?θ場鏡設計為位置可調的結構，即可以調整離工作平面的距離，可使焦平面與工作平面有一定的正離焦量，從而得到一個較大的光斑?；诖?，在光路系統(tǒng)中設計安裝一個調焦裝置，可用于微調f?θ場鏡離工作平面的距離，以獲適合不同材料熔化成型工藝要求的最佳光斑尺寸。

6 聚焦透鏡

聚焦透鏡的功能是將光束聚攏，以獲得合適尺寸的光斑。根據其在光路中的不同位置，可以將光路布局分為先聚焦后掃描和先掃描后聚焦兩種方式。

先聚焦后掃描的光路布局如圖 4(a)所示，將聚焦透鏡安裝在振鏡掃描系統(tǒng)之前，在對激光束進行聚焦后，再投射到振鏡頭內進行光路調控。這種布局的好處在于激光束在進入振鏡頭之前被聚焦，可以減弱發(fā)散激光束的離焦誤差對振鏡掃描系統(tǒng)精度的影響，能夠得到具有很高能量密度的小光斑。但由于光束最終聚焦點距透鏡中心的距離是恒定的，其軌跡將是一個球面，那么在掃描過程中，工作平面各點的光斑大小和能量密度不同，最終成型質量和精度都會受影響。

先掃描后聚焦式光路布局如圖4(b)所示，振鏡掃描系統(tǒng)安裝在聚焦透鏡之前，經擴束鏡之后的平行光直接進入振鏡頭，隨振鏡系統(tǒng)偏轉角度的不同，光束會入射到聚焦透鏡的不同部位，但經過同一個聚焦透鏡任何部位的平行光都會聚焦在離透鏡中心距離恒定的焦平面上，可以保證與工作平面內的光斑大小一致。這種光路布局方式的缺點是反射鏡等角速度轉動時，焦平面內的激光掃描速度卻是變化的。光束經聚焦透鏡的折射示意圖如圖5所示。

由圖可知，一束平行光通過聚焦透鏡后在焦平面上的像高為y，像高與θ的正切函數呈正比而不是與θ正比。這樣焦平面上的光斑移動速度與振鏡偏轉的角速度不成正比，等角速度旋轉無法得到恒定的掃描速度。

圖4 光路布局圖

圖5 光束經聚住透鏡的折射示意圖

對比兩種光路布局方式，本文采用了先掃描后聚焦的方式，并用f?θ透鏡替代普通光學聚焦透鏡。f?θ透鏡跟普通聚焦透鏡相比，其成像有一定的負畸變，實際像高變小并與θ正比，是像高與入射角滿足關系f?θ的線性鏡頭，這樣就可通過控制電機的等速偏轉實現勻速掃描。

f?θ平場透鏡經過設計可以在激光掃描系統(tǒng)中實現最佳性能。對于激光掃描系統(tǒng)中的很多應用，平面成像場可以實現最佳的結果。一個球面透鏡只能在圓形平面上成像，如圖6(a)所示。平場聚焦透鏡可以解決這個問題。然而，光束的偏移取決于有效焦距f 和偏移角 θ正切值的乘積[f×tan(θ)]，如圖圖6(b)所示。

選擇f?θ平場聚焦透鏡需要考慮的一些最重要的因素有工作波長、光斑尺寸和掃描長直徑(SFD)。用戶可以通過這些參數在掃描系統(tǒng)中設置更多的限制，比如入射光束直徑、掃描反射鏡偏移、反射鏡安裝和反射鏡位置。

圖6 激光成像示意圖

7 結語

本文介紹了 SLM 技術的原理及研究現狀，并提出了激光光路系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案，重點對激光器、擴束鏡、掃描振鏡、調教裝置和聚焦透鏡等設備進行了原理分析，并提出了一些設備器件的設計和選型方案，最后還進行了相應光路系統(tǒng)的研制開發(fā)，對選區(qū)激光熔化成型設備的優(yōu)化設計具有一定的指導意義。