黃建軍 邵中魁 何朝輝 姜耀林 沈小麗

(1.浙江省機(jī)電設(shè)計研究院有限公司 杭州310051；2.浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測所 杭州310051)

3D打印是一種快速成型技術(shù)，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(fù)雜結(jié)構(gòu)件和特殊零件定制領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢。

選區(qū)激光熔化成型（Selective laser melting,SLM）是現(xiàn)階段最具潛力的3D打印技術(shù)，其可選擇金屬、合金、復(fù)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(chǎn)生高能激光束，經(jīng)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(zhuǎn)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(shè)備中激光光路系統(tǒng)的設(shè)計對成型件的質(zhì)量有十分重要的影響，獲得了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

KA.Mumtaz等[4]人將脈沖激光器作為能源，進(jìn)行整形脈沖零件制造，發(fā)現(xiàn)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(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)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(shè)備的激光束光路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具體對光纖激光器、隔離器、擴(kuò)束鏡、掃描振鏡、調(diào)焦裝置等設(shè)備進(jìn)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(kuò)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(kuò)散角度將被擴(kuò)大，從而影響最終到達(dá)成型平臺的光束質(zhì)量，例如隨著光束發(fā)散角的增大，聚焦點(diǎn)的高度將會降低，從而偏離成型面。針對上述問題，本文在設(shè)計中安裝了灰塵、油霧和除濕的過濾裝置，只有經(jīng)過過濾的空氣才可以進(jìn)入通激光束光路中。

光束傳輸時，通道內(nèi)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(kuò)散角度的擴(kuò)大。掃描時間越長對成型質(zhì)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?nèi)二氧化碳比例的方法一般采用以下兩種：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(nèi)二氧化碳的比例；二是采用PSA氮?dú)獍l(fā)生器獲得高純度的氮?dú)?，使得光束在單一氮?dú)庵袀鬏斠垣@得更好的質(zhì)量。

2 激光器

一般 SLM 要求激光能量密度超過 106W/cm2。目前應(yīng)用于SLM技術(shù)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(chǎn)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(zhì)量，可靠性，以及最長的免維護(hù)時間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，且無須水冷，運(yùn)行費(fèi)用低，成為了在高速、高精度激光標(biāo)刻方面的唯一選擇。目前IPG品牌的激光器應(yīng)用較廣，該光纖激光器摻鐿連續(xù)、脈沖可轉(zhuǎn)換，波長為 1070nm，可通過外部觸摸屏開啟指示光和調(diào)節(jié)功率，在金屬3D打印領(lǐng)域應(yīng)用較多。IPG激光器的準(zhǔn)直鏡和激光頭如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)直鏡和激光頭

3 擴(kuò)束鏡

擴(kuò)束鏡有兩個重要功能，一是擴(kuò)大激光束的直徑，二是減小激光束的發(fā)散角。經(jīng)擴(kuò)束鏡的光束，其發(fā)散角和擴(kuò)束比呈反比。和擴(kuò)束之前的光束相比，光束在擴(kuò)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(xué)不變量，因此光束直徑擴(kuò)大x倍時，其發(fā)散角相應(yīng)壓縮為原來的1/x，壓縮發(fā)散角就是激光準(zhǔn)直的過程。

擴(kuò)束鏡的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，其由一個輸入負(fù)透鏡和一個輸出正透鏡組成，輸入負(fù)透鏡將遠(yuǎn)處一虛焦點(diǎn)的光束輸送給輸出鏡，兩者為虛共焦結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束鏡簡單、成本低，可獲得20倍以下的放大倍率。

圖3 擴(kuò)束鏡的結(jié)構(gòu)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(qū)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(jī)的主軸上，電機(jī)偏轉(zhuǎn)來帶動反射鏡旋轉(zhuǎn)：掃描電機(jī)在限定角度內(nèi)偏轉(zhuǎn)，其內(nèi)集成了測定實(shí)時旋轉(zhuǎn)角度的傳感器；伺服電路接受驅(qū)動電壓信號來控制掃描電機(jī)的偏轉(zhuǎn)。

振鏡頭工作時，激光光束進(jìn)入振鏡頭后，先投射到沿X軸偏轉(zhuǎn)的反射鏡A上，然后經(jīng)A反射到沿Y軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡B上，最后投射到工作平面x-y內(nèi)。利用兩反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的組合，實(shí)現(xiàn)在整個視場內(nèi)的任意位置的掃描。

帶動反射鏡片偏轉(zhuǎn)的掃描電機(jī)是特殊的擺動電機(jī)，不能像普通電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子上有機(jī)械扭簧或通過電子方法施加復(fù)位力矩，復(fù)位力矩大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比：而偏轉(zhuǎn)角度與電流大小成正比，當(dāng)通入的電流大小一定時，掃描電機(jī)偏轉(zhuǎn)一定角度，此時產(chǎn)生的電磁力矩與復(fù)位力矩大小相等，轉(zhuǎn)子就不再轉(zhuǎn)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(shè)備樣機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和可靠的精度，本文設(shè)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(zhǔn)、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的PCI總線連接，提供整個掃描過程的控制，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 振鏡掃描頭主要性能指標(biāo)

5 調(diào)焦裝置

因光路系統(tǒng)中光程恒定，光束達(dá)到焦平面，即工作平面時的光斑大小是恒定。而實(shí)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(yīng)不同的聚焦光斑直徑。

由分析可知，通過選用較大的擴(kuò)束倍數(shù)可以得到小的光斑直徑，但如果為了達(dá)到適應(yīng)某種材料的最佳光斑尺寸而驗算得到擴(kuò)束倍數(shù)小于 l，顯然并不符合實(shí)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(kuò)束鏡之間，這樣入射到擴(kuò)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(shè)計為位置可調(diào)的結(jié)構(gòu)，即可以調(diào)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?；诖耍诠饴废到y(tǒng)中設(shè)計安裝一個調(diào)焦裝置，可用于微調(diào)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(jù)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(jìn)行聚焦后，再投射到振鏡頭內(nèi)進(jìn)行光路調(diào)控。這種布局的好處在于激光束在進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)的光斑大小和能量密度不同，最終成型質(zhì)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(jīng)擴(kuò)束鏡之后的平行光直接進(jìn)入振鏡頭，隨振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角度的不同，光束會入射到聚焦透鏡的不同部位，但經(jīng)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(nèi)的光斑大小一致。這種光路布局方式的缺點(diǎn)是反射鏡等角速度轉(zhuǎn)動時，焦平面內(nèi)的激光掃描速度卻是變化的。光束經(jīng)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(shù)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(zhuǎn)的角速度不成正比，等角速度旋轉(zhuǎn)無法得到恒定的掃描速度。

圖4 光路布局圖

圖5 光束經(jīng)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(xué)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(fù)畸變，實(shí)際像高變小并與θ正比，是像高與入射角滿足關(guān)系f?θ的線性鏡頭，這樣就可通過控制電機(jī)的等速偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)勻速掃描。

f?θ平場透鏡經(jīng)過設(shè)計可以在激光掃描系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳性能。對于激光掃描系統(tǒng)中的很多應(yīng)用，平面成像場可以實(shí)現(xiàn)最佳的結(jié)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(shù)在掃描系統(tǒng)中設(shè)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(jié)語

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