增材制造設備的光路系統的制作方法
1.本技術涉及增材制造技術領域，特別是涉及一種增材制造設備的光路系統。
背景技術：
2.增材制造技術是一種通過控制激光逐層掃描，層層疊加形成三維工件的快速制造技術。其工藝流程如下：首先對工件的三維模型進行切片處理，得到工件每一層的輪廓信息；將粉末狀材料均勻地鋪灑在工作平臺表面上，激光根據系統指令選擇性地熔化粉末；一個截面完成后，再鋪上一層新材料，繼續有選擇性地根據三維物體對應的截面信息進行掃描；按照此方法再對下一個截面進行鋪粉掃描，最終得到三維工件。該方法的優點在于可用來制造過程柔性程度高、工件力學性能優異和尺寸精度高的金屬工件。
3.現有技術的增材制造設備，特別是金屬粉末增材制造設備，單套激光掃描組件（如兩軸振鏡加場鏡或者三軸振鏡和激光器）在粉床上只有一個確定大小的聚焦光斑，在保證現有成型質量（1.全粉床幅面燒結時熔池火光均勻；2.盡量少的熔渣飛濺和黑煙；3.全粉床幅面制件表面較為光滑；4.制件金相質地緊密無孔洞；5.金相腐蝕之后熔道均勻等評價標準）的情況下，這個確定大小的聚焦光斑決定了單種材料的填充線或者輪廓線的掃描功率、掃描速度、填充線間距、粉層厚度是一組確定值，因此無法提升單套激光掃描組件的成型效率，只能通過增加激光掃描組件的數量來增加成型效率。掃描填充線在掃描時間中占比比較大，現有技術也有采用離焦光斑作為填充線掃描的方法來在粉床上獲得一個更大的光斑來提升成型效率，但是因為光路系統的不穩定性及加工環節的復雜環境導致整個粉床幅面填充線光斑尺寸穩定性差，會出現不可控變化，進而影響成型質量。另外，現有技術也有采用雙激光加雙振鏡方式，一套激光掃描組件做聚焦大光斑，進行填充線掃描，另一套激光掃描組件做聚焦小光斑，進行輪廓線掃描，這種雙激光雙加工系統的設計導致填充線掃描光路無法進行輪廓線掃描，同樣輪廓線掃描光路無法進行填充線掃描，在成本增加的基礎上，激光加工稼動率很低，無法滿足正常工業加工要求。還有一種采用同軸式光斑切換的方式，比如采用同軸式電動擴束鏡，但是這種方式無法實現不同聚焦光斑在同一平面位置的聚焦。
技術實現要素：
4.基于此，有必要針對上述技術問題，提供了一種增材制造設備的光路系統，該光路系統由一套激光器和一套振鏡組成，且生成兩種以上的不同光斑大小的聚焦光斑，而且這些不同光斑大小的聚焦光斑都能處在同一焦平面，這樣便能顯著提升待打印工件的成型效率和成型質量。
5.為了實現上述目的，本實用新型提供了一種增材制造設備的光路系統，包括激光器、光束發散角可調單元、振鏡單元，直線運動模塊，以及設置于振鏡單元和光束發散角可調單元之間的方形的安裝盒，所述激光器安裝在光束發散角可調單元中，所述安裝盒的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，且所述安裝盒的相對兩側分別設有入光孔，出光孔，
所述安裝盒可移動地設置于直線運動模塊上，以將安裝盒移入或移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路，使得激光器的激光通過或不通過所述四片反射鏡形成的光路而最終在粉面輸出兩種不同光斑大小的聚焦光斑，且所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面；其中，所述四片反射鏡形成的光路中設有至少一個衍射光學元件和/或擴束鏡。作為本實用新型的進一步優選方案，將最靠近入光孔的反射鏡記作第一反射鏡，以第一反射鏡為起點，按照順時針方向將設置在安裝盒其它三個角的反射鏡分別記作第二反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡。
6.作為本實用新型的進一步優選方案，所述第二反射鏡和第三反射鏡之間、第三反射鏡和第四反射鏡之間，以及第四反射鏡和第一反射鏡之間的三個位置中至少一個位置設有衍射光學元件和/或擴束鏡。
7.作為本實用新型的進一步優選方案，第一反射鏡的反射面的法線和首次入射安裝盒的激光的軸心射線呈135度，第二反射鏡的反射面的法線和首次入射安裝盒的激光的軸心射線呈45度，第三反射鏡和第二反射鏡平行設置，第四反射鏡和第一反射鏡平行設置。
8.作為本實用新型的進一步優選方案，所述光束發散角可調單元為可調焦激光準直頭，該可調焦激光準直頭安裝在準直頭安裝座中。
9.作為本實用新型的進一步優選方案，所述入光孔的軸心與入射該入光孔的激光的軸心重合，且入光孔的直徑大于激光的直徑。
10.作為本實用新型的進一步優選方案，所述振鏡單元包括二軸振鏡和動態聚焦模塊，或者包括二軸振鏡和場鏡。
11.作為本實用新型的進一步優選方案，所述直線運動模塊包括兩根平行布設的導軌，以及可在導軌上進行移動的滑塊。
12.作為本實用新型的進一步優選方案，所述增材制造設備的光路系統還包括驅動機構，用于驅動安裝盒在直線運動模塊上進行移動。
13.作為本實用新型的進一步優選方案，當所述四片反射鏡形成的光路設有擴束鏡時，調整該擴束鏡的調節單元和光束發散角可調單元，否則，調整光束發散角可調單元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面。
14.本實用新型的增材制造設備的光路系統，通過包括激光器、光束發散角可調單元、振鏡單元，直線運動模塊，以及設置于振鏡單元和光束發散角可調單元之間的方形的安裝盒，所述激光器安裝在光束發散角可調單元中，所述安裝盒的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，且所述安裝盒的相對兩側分別設有入光孔，出光孔，所述安裝盒可移動地設置于直線運動模塊上，以將安裝盒移入或移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路，使得激光器的激光通過或不通過所述四片反射鏡形成的光路而最終在粉面輸出兩種不同光斑大小的聚焦光斑，且所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面；其中，所述四片反射鏡形成的光路中設有至少一個衍射光學元件和/或擴束鏡，使得本實用新型的增材制造設備的光路系統得到的聚焦光斑和離焦光斑相比，即使光路系統存在不穩定性，聚焦光斑有一定的焦深，在設計焦深范圍內整個粉床幅面的光斑大小基本不會發生變化，從而保證了成型質量；而且，本實用新型生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑都處在同一焦平面，使得其能顯著提升激光掃描系統的成型效率和成型質量，同時可有效降低成本。
附圖說明
15.圖1為本實用新型增材制造設備的光路系統提供的實施例一的結構示意圖；
16.圖2為本實用新型中安裝盒的俯視圖；
17.圖3為本實用新型增材制造設備的光路系統提供的實施例二的結構示意圖。
18.圖中標記如下：
19.1、激光器，2、可調焦激光準直頭，3、準直頭安裝座，4、激光，5、安裝盒，51、入光孔，52、出光孔，53、第一反射鏡，54、第二反射鏡，55、第三反射鏡，56、第四反射鏡，6、直線運動模塊，61、滑塊，62、導軌，7、動態聚焦模塊，8、二軸振鏡，9、場鏡。
具體實施方式
20.為了使本技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處描述的具體實施例僅僅用以解釋本技術，并不用于限定本技術。
21.如圖1和圖2（該圖2是去掉安裝盒5頂板的俯視圖）所示，增材制造設備的光路系統包括激光器1、光束發散角可調單元、振鏡單元，直線運動模塊6和方形的安裝盒5，所述激光器1安裝在光束發散角可調單元中，所述安裝盒5的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，且所述安裝盒5的相對兩側分別設有入光孔51，出光孔52，所述安裝盒5可移動地設置于直線運動模塊6上，以將安裝盒5移入或移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路，使得激光器1的激光4通過或不通過所述四片反射鏡形成的光路而最終在粉面輸出兩種不同光斑大小的聚焦光斑，且所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面；其中，所述四片反射鏡形成的光路中設有至少一個衍射光學元件和/或擴束鏡。在此需說明的是，本技術的振鏡單元包含聚焦鏡。
22.具體地，當所述四片反射鏡形成的光路設有擴束鏡時，調整該擴束鏡的調節單元和光束發散角可調單元，否則，調整光束發散角可調單元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面。在此需說明的是，具體如何調整擴束鏡的調節單元和光束發散角可調單元對于本領域的技術人員來說是已知的，因此在此對其不做一一列舉。而當所述四片反射鏡形成的光路設有衍射光學元件時，由于衍射光學元件的作用是改變光束的截面形狀和能量分布，不會對光束的發散角發生改變，因此光學衍射元件以其軸心和光路軸心重合的形式加入光路和不加入光路（即無衍射光學元件的光路）相比，它們產生的光斑聚焦在同一個焦平面上，這樣便達到了顯著提升單套激光4掃描組件的成型效率和成型質量的目的。
23.具體地，所述衍射光學元件為單階或多階衍射光學元件。當然，所述四片反射鏡形成的光路中還可以設有衍射光學元件和擴束鏡。
24.如圖2所示，將最靠近入光孔51的反射鏡記作第一反射鏡53，以第一反射鏡53為起點，按照順時針方向將設置在安裝盒5其它三個角的反射鏡分別記作第二反射鏡54、第三反射鏡55和第四反射鏡56。第一反射鏡53的反射面的法線和首次入射安裝盒5的激光4的軸心射線呈135度，第二反射鏡54的反射面的法線和首次入射安裝盒5的激光的軸心射線呈45度，第三反射鏡55和第二反射鏡54平行設置，第四反射鏡56和第一反射鏡53平行設置。
25.在一具體實施中，如圖2所示，所述第二反射鏡54和第三反射鏡55之間（參見圖2的
h位置）、第三反射鏡55和第四反射鏡56之間（參見圖2的i位置），以及第四反射鏡56和第一反射鏡53之間（參見圖2的j位置）的三個位置中至少一個位置設有衍射光學元件和/或擴束鏡。
26.具體地，所述直線運動模塊6包括兩根平行布設的導軌62，以及可在導軌62上進行移動的滑塊61，當然，本技術的直線運動模塊6還可以為其它具體結構，在此不做一一列舉。
27.在此需說明的是，本技術的安裝盒5可由手動或者由驅動機構（如電動，氣動，液壓傳動等）驅動其在直線運動模塊6上進行移動。此驅動機構可由現有技術任一具備驅動功能的器件，例如電動運動方式包含但不限于絲杠導軌62加驅動器方式；直線電機加導軌62加驅動器方式等，在此對其不做詳細闡述和一一列舉。
28.在另一具體實施中，所述光束發散角可調單元為可調焦激光準直頭2，該可調焦激光準直頭2安裝在準直頭安裝座3中。如圖1所示，所述振鏡單元可包括二軸振鏡8和動態聚焦模塊7（其組成三軸振鏡），或者所述振鏡系統包括二軸振鏡8和場鏡9，如圖3所示。
29.優選地，所述入光孔51的軸心與入射該入光孔51的激光4的軸心重合，且入光孔51的直徑大于激光4的直徑，這樣可保證激光4能夠無損通過轉盤的通孔，進而聚焦到粉面上。
30.為了讓本領域的技術人員更好地理解并實現本實用新型的技術方案，下面結合附圖并以實施例的形式對本實用新型的技術方案進行具體闡述：
31.如圖1所示，激光器1安裝在可調焦激光準直頭2中，可調焦激光準直頭2安裝在準直頭安裝座3中，方形的安裝盒5設置于振鏡單元和光束發散角可調單元之間，所述安裝盒5的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，如圖1所示，分別為第一反射鏡53、第二反射鏡54、第三反射鏡55和第四反射鏡56，且所述安裝盒5的相對兩側分別設有入光孔51，出光孔52，所述安裝盒5可移動地設置于直線運動模塊6上，第一反射鏡53的反射面的法線和首次入射安裝盒5的激光4的軸心射線呈135度，第二反射鏡54的反射面的法線和首次入射第二安裝盒23的激光4的軸心射線呈45度，第三反射鏡55和第二反射鏡54平行設置，第四反射鏡56和第一反射鏡53平行設置。
32.當安裝盒5由手動或者由驅動機構（如電動，氣動，液壓傳動等）驅動移動至直線運動模塊6的右側（即移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路），此時第一反射鏡53、第二反射鏡54、第三反射鏡55和第四反射鏡56不參與光路，此時平行激光4由入光孔51軸心射入，從出光孔52軸心射出到達動態聚焦模塊7或者二維振鏡的入射圓孔的軸心；當安裝盒5移動至直線運動模塊6的左側（即移入光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路），此時第一反射鏡53、第二反射鏡54、第三反射鏡55和第四反射鏡56參與光路，此時平行激光4由入光孔51的軸心射入，經過第一反射鏡53反射到第四反射鏡56，再反射到第三反射鏡55，然后反射到第二反射鏡54，從出光孔52的軸心射出達到動態聚焦模塊7或者二維振鏡的入射圓孔的軸心。本實施例可以在hig單個或者多個位置同軸安裝光學衍射元件（單階或者多階）或者擴束鏡或者這兩者的有效疊加。以上實施例是目前采用的最優方法，光斑形狀及大小可根據需要進行設計調整。
33.以上實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。以上所述實施例僅表達了本技術的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的
是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本技術構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本技術的保護范圍。因此，本技術專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
技術特征：
1.一種增材制造設備的光路系統，其特征在于，包括激光器、光束發散角可調單元、振鏡單元，直線運動模塊，以及設置于振鏡單元和光束發散角可調單元之間的方形的安裝盒，所述激光器安裝在光束發散角可調單元中，所述安裝盒的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，且所述安裝盒的相對兩側分別設有入光孔，出光孔，所述安裝盒可移動地設置于直線運動模塊上，以將安裝盒移入或移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路，使得激光器的激光通過或不通過所述四片反射鏡形成的光路而最終在粉面輸出兩種不同光斑大小的聚焦光斑，且所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面；其中，所述四片反射鏡形成的光路中設有至少一個衍射光學元件和/或擴束鏡。2.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，將最靠近入光孔的反射鏡記作第一反射鏡，以第一反射鏡為起點，按照順時針方向將設置在安裝盒其它三個角的反射鏡分別記作第二反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡。3.根據權利要求2所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述第二反射鏡和第三反射鏡之間、第三反射鏡和第四反射鏡之間，以及第四反射鏡和第一反射鏡之間的三個位置中至少一個位置設有衍射光學元件和/或擴束鏡。4.根據權利要求3所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，第一反射鏡的反射面的法線和首次入射安裝盒的激光的軸心射線呈135度，第二反射鏡的反射面的法線和首次入射安裝盒的激光的軸心射線呈45度，第三反射鏡和第二反射鏡平行設置，第四反射鏡和第一反射鏡平行設置。5.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述光束發散角可調單元為可調焦激光準直頭，該可調焦激光準直頭安裝在準直頭安裝座中。6.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述入光孔的軸心與入射該入光孔的激光的軸心重合，且入光孔的直徑大于激光的直徑。7.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述振鏡單元包括二軸振鏡和動態聚焦模塊，或者包括二軸振鏡和場鏡。8.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述直線運動模塊包括兩根平行布設的導軌，以及可在導軌上進行移動的滑塊。9.根據權利要求1所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，所述增材制造設備的光路系統還包括驅動機構，用于驅動安裝盒在直線運動模塊上進行移動。10.根據權利要求1至9任一項所述的增材制造設備的光路系統，其特征在于，當所述四片反射鏡形成的光路設有擴束鏡時，調整該擴束鏡的調節單元和光束發散角可調單元，否則，調整光束發散角可調單元，以使所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面。
技術總結
一種增材制造設備的光路系統，包括激光器、光束發散角可調單元、振鏡單元，直線運動模塊，以及設置于振鏡單元和光束發散角可調單元之間的方形的安裝盒，安裝盒的四角內分別豎向固定設置有四片反射鏡，且安裝盒的相對兩側分別設有入、出光孔，安裝盒可移動地設置于直線運動模塊上，以將安裝盒移入或移出光束發散角可調單元和振鏡單元之間的光路，使得激光通過或不通過四片反射鏡形成的光路而最終在粉面輸出兩種不同光斑大小的聚焦光斑，且所有不同光斑大小的聚焦光斑經振鏡單元的偏轉后在工作區域的粉面處于同一焦平面。本實用新型生成的所有不同光斑大小的聚焦光斑處在同一焦平面，使得其能顯著提升激光掃描系統的成型效率和成型質量。和成型質量。和成型質量。
