SLM系统简易设计方案

发表于 2016-12-27 15:45:49 显示全部楼层 0 781

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典型的 SLM 系统主要包括光路系统、气氛控制系统、运动系统、软件控制系统四个部分,不同的设备在其各个子系统中又有很大不同,造成设备在精度、稳定性、成型幅面大小方面存在较大差异。

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图1. SLM 系统硬件构成

图1 所示为SLM 设备硬件系统,单阵镜扫描幅面250mmx250mm。首先,PC上位机导入STL模型,进行分层和填充操作,单层分层文件传输到控制卡,执行当前层扫描,控制卡按照上位机设置的参数控制激光的功率、频率,同时控制振镜完成激光扫描动作。单层扫描任务结束后,由扩展的运动控制器控制铺送粉,完成后再次进行单层扫描,如此循环。控制卡是该部分的核心,实现激光开关光、功率调节、扫描以及机械运动等的控制。

(1)光路系统:

光路系统包括激光器、准直扩束模块、聚焦扫描模块等。激光出射后经过准直、扩束、聚焦、振镜扫描传输到待加工平面,其设计是否合理直接影响到扫描精度。图2为光路系统的示意图。

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图2. 光路系统示意图

SLM用激光器常选用二氧化碳激光器、YAG激光器和光纤激光器。近几年,光纤激光器凭借其体积小、柔性好、稳定性好、寿命长等优良性能逐渐被用户认可,其1.06μm的波长对金属粉末具有比10.6μm波长激光更高的吸收率,这些优点使其在选区激光熔化光学系统中逐渐占据主要地位。其中IPG品牌的激光器应用较广,该光纤激光器掺镱连续、脉冲可转换,波长为1070nm,可通过外部触摸屏开启指示光和调节功率。

选区激光熔化要求输出的激光光斑必须聚焦到较小的尺寸,较小的光斑直径可以提高加工精度、获得较高的功率密度,从而提高扫描速度以实现快速加工。影响激光光斑大小的最主要因素包括衍射和球差,如图3所示为衍射和球差对激光光斑的影响曲线:

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图3. 衍射和球差带来的光斑影响

在考虑两者影响的情况下,光斑尺寸计算公式为:

$R39RV8D.jpg

f为透镜的焦距   
D 为输入光束在透镜处的直径
k折射率函数
M2激光模式参数
λ激光波长

由式(1),在激光器、聚焦镜等硬件确定的情况下,光斑大小受入射光束直径的影响,因此,为获得理想的光斑,需要在激光进入透镜之前对光斑的大小进行调节。系统解决方案中,准直扩束模块为激光光斑大小的调节提供保障。激光输出后为高斯光束,QBH接头与准直镜构成的准直单元可以减小发散角,使激光近似平行光输出;扩束镜由两个光学元件构成,主要用于扩展准直之后的光束横截面积,并且可以通过旋转扩束镜上的刻度实现不同的放大倍数。经过准直扩束之后的激光束,光斑扩大,发散角被压缩,从而可更好的调节工作平面的光斑尺寸。此外,激光器输出的原始光束光斑尺寸并不大,但由于用于加工的激光功率很高,如果长时间照射聚焦透镜,则会对光学器件造成热损坏,因此,准直扩束在增大光束直径,减小功率密度,保护光学器件方面有其必要性。

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图4. 两轴扫描振镜工作原理

SLM系统聚焦扫描模块要根据成型幅面的大小进行相应设计,这是由聚焦镜的成像原理决定的。当成型幅面较小时,扫描模块由两轴扫描振镜和f-θ透镜组成,其工作原理如图4所示。激光经准直扩束后进入扫描镜,在振镜中两个相互垂直可独立偏转的反射镜作用下,实现激光扫描,最后激光通过f-θ透镜聚焦在工作平面上。随着航空航天、船舶、海洋工程等工业重大装备制造领域的要求,原来小幅面的成型面积越来越无法满足需要,SLM系统加工幅面亟待增加。然而f-θ透镜的扫描范围与其焦距成正比,扫描范围的增大,将使工作距离增加,失真程度增大,在不考虑球差的作用时,导致聚焦光斑扩大,功率密度急剧下降,不利于加工。因此,由f-θ透镜组成的聚焦扫描模块难以满足大幅面加工的需要。

43.jpg
5. 三轴动态聚焦系统工作原理

动态聚焦镜是一套可实时改变激光焦点的光学系统,由负透镜和聚焦镜构成,负透镜可在高速电机的带动下沿光轴方向前后移动。激光首先进入负透镜,通过透镜的前后移动实现焦距改变,之后激光被扩束进入聚焦镜。聚焦后的激光通过振镜的摆动扫描整个加工平面。动态聚焦系统的焦距可以通过外部旋钮调节,也可以通过电气控制,实现加工幅面的改变。因此当扫描幅面较大时,聚焦扫描模块的设计需由动态聚焦镜和扫描振镜组成,其工作原理如图5所示。目前的大幅面SLM设备,如500*500mm,多采用四激光器四振镜拼接的方式。

(2)控制系统:

控制系统的核心为控制卡,该控制卡具的通讯协议可实现对振镜的控制,I/O口实现对运动的控制。同时它还具备激光模拟信号的输入输出协议可对激光开关光、功率、频率进行控制。上位机通过软件对控制卡发出命令实现对激光器、振镜、以及运动系统的控制。

(3)运动系统

SLM设备的运动系统包括成型缸和供粉缸的上下运动装置以及铺送粉装置等。控制卡须向运动控制器发出命令实现多轴协调运动。运动控制系统组成如图6所示。

TM截图未命名.jpg
图6. 运动系统示意图

此外,控制卡还应该实现对气氛以及工艺参数的控制。运动系统从铺送粉机构到考虑缸体、腔体的密闭性都是比较复杂的问题。

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