Устройство многопозиционной фокусировки равномерного лазерного излучения для построения металлических деталей методом селективного лазерного плавления
DEVICE FOR MULTI-POSITION FOCUSING OF UNIFORM LASER RADIATION FOR THE CONSTRUCTION OF METAL PARTS BY SELECTIVE LASER MELTING

Изобретение относится к устройствам для формирования лазерного излучения с линейным распределением интенсивности.
Известно устройство для формирования лазерного излучения с линейным распределением интенсивности [п. 2656429, МПК B23K 26/06, G02B 27/09, опубл. 05.06.2018, Бюл. №16]. Устройство содержит несколько источников лазерного света для формирования лазерного излучения и оптические средства для преобразования идущих от источников лазерного света лазерных излучений в лазерное излучение, которое имеет в рабочей плоскости линейное распределение интенсивности. Источники лазерного света выполнены в виде лазеров на основной моде. В устройстве каждое из идущих от источников лазерного света лазерных излучений не перекрывается само с собой. Изобретение позволяет обеспечить однородное линейное распределение интенсивности в рабочей плоскости.
Недостаток в том, что несмотря на использование лазеров на основной моде, устройство не позволяет обеспечить сравнительно однородное линейное распределение интенсивности в рабочей плоскости.
Известна оптика для лазерного излучения с изменяемым масштабом проекции [DE 102011117607 А1, МПК B23K/26/06, опубл. 02.05.2013] в которой предусмотрен коллимационный объектив и фокусирующая оптика. При этом коллимационный объектив состоит из первой подвижной группы собирательных линз, второй подвижной группы собирательных линз и третьей неподвижной или подвижной в осевом направлении группы собирательных линз. За счет сдвига первых обеих линзовых групп относительно друг друга можно устанавливать диаметр фокуса. Если третья линзовая группа также подвижна в осевом направлении, то можно также переставлять положение фокуса.
Здесь также подвижные оптические элементы лежат в коллимационной зоне, однако за счет применяемого здесь количества оптических элементов, особенно критическими являются термические проблемы при лазерной обработке материалов, такие как, например, термический сдвиг фокуса.
Известна проекционная оптика для лазерного излучения с регулируемым положением фокуса [п. 2711287, МПК B23K 26/046, B23K 26/06, опубл. 16.01.2020, бюл. №20 (прототип)], а также с регулируемым диаметром фокуса. При этом система с переменным фокусным расстоянием содержит коллиматорную оптику из первой подвижной линзы или линзовой группы с положительным фокусным расстоянием и вторую подвижную линзу или линзовую группу с отрицательным фокусным расстоянием, а также фокусирующий элемент. Первая подвижная линза или линзовая группа с положительным фокусным расстоянием служит для проекции источника рабочего лазерного луча в виртуальный промежуточный фокус и вторая подвижная линза или линзовая группа с отрицательным фокусным расстоянием служит для проекции виртуального промежуточного фокуса в бесконечность, так что фокусирующая оптика проецирует источник рабочего лазерного луча в свой главный фокус.
Недостатки изобретения состоят в том, что разработанная проекционной оптика для обработки материалов с помощью лазерного излучения, не обеспечивает быстроту и точность построения изделий и снижения эксплуатационных и энергозатрат.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности лазерного технологического комплекса, при высоком качестве изделий и снижении эксплуатационных и энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в устройстве многопозиционной фокусировки равномерного лазерного излучения для построения металлической детали методом селективного лазерного плавления, содержащем лазер, две коллиматорные линзы и фокусирующую линзу, новым является то, что оно содержит формирователь энергии лазерного излучения, выполненный с возможностью преобразования гауссовского пучка лазерного излучения в пучок с П-образной равномерной интенсивностью, отклоняющую лазерное излучение систему зеркал и объектив для фокусирования лазерного излучения в плоскости построения металлической детали, при этом одна из коллиматорных линз размещена на выходе лазерного излучения лазера, а формирователь энергии лазерного излучения и фокусирующая линза расположены между коллиматорными линзами, причем фокусирующая линза закреплена с возможностью перемещения вдоль распространения лазерного излучения, а отклоняющая лазерное излучение система зеркал расположена между второй коллиматорной линзой и упомянутым объективом для фокусирования лазерного излучения.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что оно содержит формирователь энергии лазерного излучения, выполненный с возможностью преобразования гауссовского пучка лазерного излучения в пучок с П-образной равномерной интенсивностью, отклоняющую лазерное излучение систему зеркал и объектив для фокусирования лазерного излучения в плоскости построения металлической детали, при этом одна из коллиматорных линз размещена на выходе лазерного излучения лазера, а формирователь энергии лазерного излучения и фокусирующая линза расположены между коллиматорными линзами, причем фокусирующая линза закреплена с возможностью перемещения вдоль распространения лазерного излучения, а отклоняющая лазерное излучение система зеркал расположена между второй коллиматорной линзой и упомянутым объективом для фокусирования лазерного излучения.
Перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено устройство многопозиционной фокусировки лазерного излучения.
На фиг. 2 представлена схема преобразования интенсивности лазерного излучения.
Устройство многопозиционной фокусировки равномерного лазерного излучения для построения металлических деталей методом селективного лазерного плавления (3D печать методом SLM) (фиг. 1) состоит из лазера 1, коллиматорной линзы 2, формирователя луча 3, фокусирующей линзы 4, привода фокусирующей линзы 5, коллиматорной линзы 6, гальванометра (отклоняющая система зеркал) 7 и F-Theta объектива 8.
Устройство работает следующим образом.
Коллиматорная линза 2 монтируется на выходе оптоволоконного лазерного излучателя 1 на расстоянии, которое равно фокусному. Выходящее лазерное излучение преобразуется в направленный параллельный пучок, минимизируя его расходимость. Далее пучок попадает в формирователь 3 для преобразования распределения интенсивности лазерного луча. Преобразование гауссового пучка в пучок с П-образной равномерной интенсивностью является основной функцией системы преобразования излучения, что позволяет эффективно использовать энергию лазера и улучшить технологию изготовления деталей методом селективного лазерного плавления (SLM). Концепция работы преобразователя показана на фиг. 2. Гауссовое распределение интенсивности коллимированного пучка лазера преобразуется в плоское распределение на вершине. Выходной пучок также коллимирован и имеет приблизительно те же размеры, что и входной пучок. Затем излучение попадает в фокусирующую линзу 4, закрепленную на подвижном приводе 5, что позволяет ей перемещаться вдоль распространения лазерного луча, тем самым уменьшая или увеличивая диаметр пучка лазера.
Колиматорная линза 6 преобразует лазерное излучение в направленный параллельный пучок, падающий на отклоняющую систему зеркал гальванометра 7. На зеркала гальванометра поступает сигнал, отклоняющий луч лазера в плоскости, перпендикулярной распространению излучения. F-Theta объектив 8 фокусирует полученное излучение в плоскости построения детали в камере SLM принтера.
Таким образом, устройство многопозиционной фокусировки равномерного лазерного излучения с оптическим формирователем обеспечивает быстроту и точность построения изделий, многократное повышение производительности лазерного технологического комплекса, снижение эксплуатационных и энергозатрат при высоком качестве изделия.