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動態(tài)變焦系統(tǒng)-金屬3D打印控制激光熔化的過程

時(shí)間:2016-06-13 19:53 來源:3D科學(xué)谷 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:

       在機(jī)械加工過程中,你可以通過自己選擇的刀具來制造出你所能制造出的細(xì)節(jié)特征。刀具的大小決定了零件的孔和槽的最小尺寸。在增材制造過程中,與關(guān)注刀具的大小類似的是我們需要關(guān)注激光光斑大小。激光點(diǎn)加熱金屬粉末,每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池,從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu),光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小,從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

       高質(zhì)量的制造要求的一致性,控制和可追溯性。動態(tài)束聚焦提供從激光熔化開始到不同的溫度情況下嚴(yán)格的聚焦控制,使得選擇性激光熔化系統(tǒng)新的光學(xué)方案可以更一致的控制激光加工條件。

      本期,一起來看動態(tài)聚焦是怎么回事?一起來思考動態(tài)變焦系統(tǒng)是否會催生SLM設(shè)備走向更大功率、更多激光頭?

小改變、大突破

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激光熔化的基本知識

      下面圖像顯示了激光能量加熱的粉末顆粒,以及熱量如何擴(kuò)散到鄰近的粉末。為了融化粉末,必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中,以熔化中心區(qū)的粉末,從而創(chuàng)建完全致密的部分,但同時(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長,影響到周圍的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大,超出激光點(diǎn)的燒結(jié)量取決于粉末的熱導(dǎo)率和激光的能量。

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圖片:激光點(diǎn)和鄰近被加熱的材料

     所擴(kuò)散的激光能量和熔池的激光掃描速度都是經(jīng)過精心調(diào)整和控制的,這樣才能達(dá)到一致的金屬合金的特性和層厚度。激光束的聚焦是熔化過程中影響合金性能的關(guān)鍵,要達(dá)到一致的過程就依賴于控制激光點(diǎn)大小,就需要使得激光能量密度和轉(zhuǎn)移到鄰近粉末的能量是一致的。

這樣就需要一個(gè)清晰聚焦的光束,任何聚焦的不集中都會導(dǎo)致能量傳達(dá)到熔化區(qū)以外的材料帶來不充分的粉末熔化,并可能導(dǎo)致的成品尺寸誤差和表面光潔度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加,那么可能導(dǎo)致成品組件含大量不完全熔化粉末和難以控制的材料性能。

聚焦的挑戰(zhàn)

      理想的激光束具有高斯強(qiáng)度分布,這樣,能量最激烈的位置是激光中心的光束,并向其邊緣降低能量分布。當(dāng)我們遠(yuǎn)離這個(gè)焦點(diǎn),光束的橫截面面積的增加,達(dá)到兩倍的最小尺寸在一個(gè)距離的最小尺寸稱為瑞利長度(在下圖中):

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圖片來自維基百科

     在光學(xué),特別是激光學(xué)中,我們設(shè)鞍腰部(如圖中所示的最低處)為A,其橫截面面積為a,沿光的傳播方向,當(dāng)橫截面面積因?yàn)樯⑸溥_(dá)到2a時(shí),我們設(shè)此處為B,瑞利長度或者瑞利射程正是指從A到B的長度(即圖中所示ZR)。相關(guān)參數(shù)是共軛焦距,b,其長度是兩倍的瑞利長度。當(dāng)光波按高斯模型傳播的時(shí)候,瑞利長度則顯得非常重要。在瑞利長度處,光斑半徑增大為鞍部半徑的1.414倍,面積增加為鞍部光斑面積的2倍,這樣光的能量密度就大大降低了。

振鏡式激光定位和聚焦

     大多數(shù)激光熔化系統(tǒng)使用電流計(jì)掃描振鏡(galvanometric scanner),這意味著對于遠(yuǎn)離熔池中心的位置,激光到達(dá)熔池的距離越遠(yuǎn),而如何精確控制激光束焦距光束角的精確變化對于加工結(jié)果來說變得尤為重要。這樣做有兩種主要的方法:passive F-theta鏡頭系統(tǒng)和動態(tài)變焦系統(tǒng)。

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圖片:galva振鏡

F-theta鏡頭使得實(shí)現(xiàn)高速加工成為可能,然而在高激光功率情況下,F(xiàn)-Theta鏡頭又面臨著一系列的局限性,包括為了避免在裝配過程中的雜散光,使用抗反射涂層,但這些可以導(dǎo)致在每個(gè)表面的入射功率高達(dá)0.3%的熱產(chǎn)生。隨著激光功率的增加,由于透鏡組件中的溫度變化會導(dǎo)致焦距的變化。而且多激光系統(tǒng)中通常需要更多的F-theta鏡頭,這也帶來了設(shè)備成本的上升和設(shè)備復(fù)雜性的問題。

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動態(tài)聚焦系統(tǒng)

動態(tài)聚焦系統(tǒng)系統(tǒng)是通過在galva振鏡的上游激光光束線中放置更小的鏡頭,來調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化。其中雷尼紹的RenAM 500M配備了這樣的動態(tài)聚焦系統(tǒng)。

動態(tài)聚焦系統(tǒng)帶來近似拋物線的焦距變化所需要的聚焦糾正,并創(chuàng)造了重要的優(yōu)勢:

-焦距變化是伺服控制的。

-可以刻意去聚焦激光來創(chuàng)建不同的處理效果。

-較少的光學(xué)元件和防反射涂層,動態(tài)聚焦系統(tǒng)比F-theta鏡頭產(chǎn)生更少的不必要的熱量。

-從聚焦伺服反饋來獲得加工過程的可追溯性。

-動態(tài)聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,性價(jià)比高,更適合多激光系統(tǒng)設(shè)備。

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當(dāng)然,動態(tài)聚焦系統(tǒng)的安裝校準(zhǔn)是項(xiàng)技術(shù)活,聚焦鏡頭需要對準(zhǔn)光軸保證準(zhǔn)確聚焦,即便是小的對準(zhǔn)誤差都可以導(dǎo)致顯著的去聚焦,另外熱控制也是需要考慮的因素之一。

(來源:感謝雷尼紹全球方案中心總監(jiān):Marc Saunders)

(責(zé)任編輯:admin)

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