專利名稱：快速成形激光二極管能量源及其設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械工程學科快速成形技術領域，主要涉及快速成形設備激光二極管能量源。
二、技術背景自1988年世界上第一臺商業化快速成形機問世以來，快速成形技術(RPT)有了很大發展，目前世界上已投入應用的主要設備和工藝方法有以下幾種選擇性光固化(SLA，也稱立體印刷法)、選擇性激光燒結(SLS)、分層實體法(LOM，也稱切紙法)和選區噴塑法(FDM)。上述四種常用的快速成形(RP)工藝方法各有優點和不足，適合于不同的加工對象和條件。前三種工藝都使用激光作為能量源，因此也稱為激光快速成形技術。
●LOM法可成形大中型零件，不變形，成形時間短，但尺寸精度較低，且材料損耗大，廢料不易清除。激光光源一直使用CO2氣體激光器(λ＝10.6μm)，如Synrad公司、Coheren公司等的50W和30W的CO2激光器。
●SLS法可制作中小型零件，成形材料廣泛，使用SLS法可直接燒結金屬粉末材料制造產品結構件。精度較高，但是SLS法不能加工大型工件。
●SLA法使用光敏樹脂材料，可直接制造中、小型塑料件，表面粗糙度好，尺寸精度高，被認為是一種應用最廣、技術最成熟、精度最高的RPT，因而成為研究熱點，但制造中有物相變化，變形較大，液體中成形零件需要支撐。
目前，SLA法燒結樹脂粉末時激光光源也是使用50W的CO2氣體激光器，燒SLS法結金屬粉末材料一般使用千瓦級CO2氣體激光器。總之，現有激光快速成形系統使用的激光光源都是氣體激光器，如在選擇性激光燒結快速成形(SLSRP)、分層實體制造快速成形(LOM RP)系統中使用CO2氣體激光器，在光固化快速成形(SLA RP)系統中一般使用He-Cd氣體激光器。這些氣體激光器體積大、可靠性差、壽命短、光譜固定而不可選。
發明內容
本發明的目的是克服現有激光快速成形系統使用的激光光源存在的缺點和不足，以紅外、紫外激光二極管為光源并輔助以光學元件集成為模塊，構成激光快速成形設備使用的激光二極管能量源。充分利用和發揮了激光二極管具有的體積小、可靠性好、壽命長、光譜可選等優點，有利于拓寬適用材料范圍，有利于提高成形精度和質量，易于實現激光快速成形設備小型化，使激光快速成形設備真正成為一種桌面式三維打印系統。
激光二極管為近紅外LD則可用于SLS、LOM快速成形設備；激光二極管為紫外LD則可用于SLA快速成形設備。
就上述目的本發明是通過以下技術方案來實現的本發明的快速成形激光二極管能量源，包括激光二極管LD的光源，其特點是還有柱面鏡組與擴束器；柱面鏡組包含快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡，快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準直成為橢圓形平行光束，在激光二極管LD光源慢軸平面內，快軸準直柱面鏡相當于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而慢軸準直柱面鏡相當于一個球面透鏡，將光束準直成平行光束；同樣，在激光二極管LD光源快軸平面內，慢軸準直柱面鏡相當于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而快軸準直柱面鏡相當于一個球面透鏡，光束經快軸準直柱面鏡準直后也成為平行光束；準直后的光束在快、慢軸兩個方向上的光束直徑并不相等，由擴束器將慢軸平行光束進行擴束，使兩個方向上的光束直徑一樣變為圓的平行光束。
所述的快速成形激光二極管能量源還包括用于支撐、固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴束器并使之成為一體的支架或者殼體。
本發明快速成形設備，包括由光源、指向器、合光器、耦合擴束器、動態聚焦模塊、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡等組成的光學系統，工作臺，支架及殼體；其特點是所述的光源是快速成形激光二極管能量源。
所述的光學系統有一個用于調整激光二極管能量源發出光束的直徑，使其與動態聚焦模塊入孔的直徑相同的耦合擴束器。
發明涉及的快速成形激光二極管能量源主要元件激光二極管LD的光束特性分析如下激光二極管LD的輸出孔徑為一狹縫，因此其光束遠場圖像是單縫夫瑯和費衍射圖像，是狹縫孔徑上的復振幅分布的傅里葉變換。
E~(P)=C1fexp[ik(f+x2+y22f)]∫∫A′exp[-ik(xfx1+yfy1)]dx1dy1Σ]]>式中， 為觀察平面上P點的復振幅分布，C=1iλ,A′=E~(x1+y1)]]>是孔徑平面x1y1內的復振幅分布，當平面波垂直照射孔徑時， 為常數A′。
對于矩孔衍射，P點的光強分布為I=|E~|2=I0[sinkla2kla2]2[sinkωb2kωb2]2]]>式中，I0為觀察平面中心P0點的光強，a，b為矩孔的長、寬，l，ω為P點光線的方向余弦。
當矩孔的長、寬符合b＞＞a時，矩孔成單縫。單縫衍射在x軸上的光強分布為I=I0(sinkla2kla2)2]]>激光二極管LD光束具有以下特點振幅分布為高斯函數，完全類似于許多氣體激光器的TEM00模式。光束具有像散、不對稱、高發散等空間特性，光束截面形狀如橢圓。光束擴展的半幅值寬度大約為30°×40°；如圖1所示，發散小的方向稱為慢軸方向(a圖)，發散大的方向稱為快軸方向(b圖)。
激光二極管LD光束的這種空間特性很不利于它的應用，一般都需要進行改善。改善方法包括準直與擴束，其目的是使這種高發散的像散光束變成圓的平行光束。
發明涉及的快速成形激光二極管能量源，其突出的實質性特點和顯著的技術進步是1、比CO2，He-Cd氣體激光器壽命長、工作可靠，且體積小易于實現裝置小型化，使激光快速成形設備成為一種桌面式三維打印系統的設想成為現實。
2、激光二極管LD在低電壓下工作，有利于設備的安全操作；其電光轉換效率比CO2，He-Cd氣體激光器高很多，有利于節能。
3、隨著高功率近紅外激光二極管LD和紫外激光二極管LD的市場化，其價格也越來越便宜。快速成形激光二極管能量源可直接與現有激光快速成形系統集成，可較大幅度地降低系統成本。
4、由于激光二極管LD在近紅外、紫外波段內可有多種波長選擇，適合于不同改性樹脂材料(在SLS RP和SLA RP中)的吸收特性，因此，有利于拓寬適用材料范圍。
5、近紅外激光二極管LD的波長(0.808μm)比CO2激光的波長(10.6μm)小十幾倍，因此，焦斑直徑可以做得很小，有利于提高成形精度和質量。另外，對于金屬粉末來說，短波長激光比長波長激光的熱效應高，有利于提高成形效率。
四
圖1為激光二極管光束慢、快軸(準直后)高斯光束振幅(高斯)分布圖；圖2為快速成形激光二極管能量源圖；圖3為快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡示意圖；圖4為兩個相同的棱鏡組成的擴束器示意圖；圖5為激光二極管能量源的快速成形裝置的光學系統圖；五具體實施方式
以下結合
本發明(實用新型)具體實施方式
。
如圖2所示，為快速成形激光二極管能量源；光源為激光二極管LD101，激光二極管LD光源輸出的像散光束由柱面鏡組102準直成為平行光束，再由擴束器103將慢軸平行光束進行擴束，激光二極管光源輸出的像散光束經過準直與擴束變為圓的平行光束。
其中所述的柱面鏡組包含快軸準直柱面鏡1021與慢軸準直柱面鏡1022，快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡的母線相互垂直，在激光二極管LD光源慢軸平面內，快軸準直柱面鏡相當于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而慢軸準直柱面鏡相當于一個球面透鏡，將光束準直成平行光束；同樣，在激光二極管LD光源快軸平面內，慢軸準直柱面鏡相當于一片平行玻璃板，對光不起折射作用，而快軸準直柱面鏡相當于一個球面透鏡，光束經快軸準直柱面鏡準直后也成為平行光束；準直后的光束在快、慢軸兩個方向上的光束直徑并不相等，需要對慢軸方向上的光束進行擴束，使兩個方向上的光束直徑一樣。
對于這種像散光束有多種準直方法，如使用復雜透鏡組或單片非球面透鏡，而使用柱面透鏡的方法更為簡單。將兩個焦距不等、母線相互垂直的平凸柱面透鏡的焦平面調到與激光二極管LD的發光面重合，光束通過兩柱面透鏡時，只在徑向發生折射，在母線方向不發生折射，從而分別實現對慢軸和快軸方向發散光束的準直。
如圖3所示，從像差角度考慮，安裝時平凸柱面透鏡的平面應面對激光二極管LD的發光面，使平行光束從凸面輸出。
準直后的光束在快、慢軸兩個方向上的光束直徑并不相等，需要對慢軸方向上的光束進行擴束，使兩個方向上的光束直徑一樣。這種單方向的擴束技術也有多種方法。如使用兩個母線相互平行的平凸柱面透鏡組成望遠系統，只對慢軸方向上的光束進行擴束。
更為簡單的方法是使用棱鏡組，如圖4所示，兩個相同的棱鏡按布儒斯特角∠B安裝，這對于屬于線偏振光的激光二極管LD光束，具有最小的反射損失。棱鏡組只對紙平面即慢軸平面內的光束進行擴束，在與紙平面垂直的另一個方向上即快軸平面內的光束直徑不變。改變兩棱鏡的夾角，可得到不同的擴束比β＝D/d。
本發明的快速成形激光二極管能量源，還包括用于支撐、固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴束器的支架或者殼體。使用支架或者殼體將固定光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴束器等元器件集成組裝在一起，構成用于快速成形加工設備的新能量源部件。或者稱之為新能量源模塊。支架或者殼體的結構可以由一般工程設計完成(本領域普通的技術人員)，這里沒有給出示意圖。
如圖5所示，為使用本發明的快速成形激光二極管能量源開發的快速成形設備的光學系統。該快速成形設備的光學系統除了激光二極管能量源1和耦合擴束器7外(耦合擴束器7用于調整激光二極管能量源發出光束的直徑，使光束的直徑與動態聚焦單元入孔的直徑相耦合)，其余部分是現有快速成形設備的已有技術，其中光學系統含有指向器2、合光器3、動態聚焦模塊4、x軸掃描振鏡51、y軸掃描振鏡52；此外快速成形設備還有工作面6、支架及殼體等等。快速成形設備所利用的現有技術有●激光二極管能量源1發出的近紅外或紫外光譜是不可見的，設置指向器2，將它們的光軸調至同軸，便可用紅光的路徑來代表近紅外或紫外光的路徑，以便于系統調試，并可在加工中觀察到它們的掃描路徑。
●合光器3使LD光源模塊和指向器光軸調至同軸。
●動態聚焦單元4對平行光束聚焦，并可糾正系統的軸向聚焦誤差，使在工作面上得到尺寸一致的激光焦斑，提高加工質量。
●x軸和y軸掃描振鏡將激光焦斑送到工作面上任何指定位置，工作面代表承載成形材料的加工平面。
由本發明激光快速成形激光二極管能量源構成的快速成形設備，可廣泛應用于包括汽車工業在內的機械、石油化工、電子、計算機、生物醫學工程、工藝品和玩具制造等領域。其特殊的應用優勢表現在以下方面●可以加工各種模具，包括用于精密鑄造的消失模；
●新產品開發和設計中的原型制造，以供評價和修改，可以縮短開發周期，降低開發成本；●制作那些難以機械加工的復雜零件和一些單件生產的零部件。如汽車工業提出的解決轎車的中、小鑄件，包括渦輪增壓器、排氣歧管、制動盤和曲軸等鑄件的質量問題，使用RPT制造鑄模非常有利于這些問題的解決；●電子產品、工藝品、兒童玩具等產品的開發速度快，更新換代周期短，利用RP與RE的集成技術可加快這些美學造型要求高的新產品的開發周期。
●使用SLA快速成形工藝和生物親和材料制造人造器官及人造骨骼，由于這些產品形狀特別復雜，其他加工手段難以滿足，而RPT有著無與倫比的優勢。
本發明上除了以上優勢以外，因其系統體積小易于實現裝置小型化、桌面化，因此，特別適合于設計原型和小型零件的制造。加上激光二極管光源壽命長、系統工作可靠、適用材料范圍寬、成型精度高等優點，必定會有更廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種快速成形激光二極管能量源，包括光源激光二極管LD(101)，其特征在于還有柱面鏡組(102)與擴束器(103)；柱面鏡組包含快軸準直柱面鏡(1021)與慢軸準直柱面鏡(1022)，快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準直成為橢圓形平行光束，由擴束器將慢軸平行光束進行擴束，使兩個方向上的光束直徑一樣變為圓的平行光束。
2.根據權利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的擴束器為兩個相同的棱鏡，按布儒斯特角安裝。
3.根據權利要求3所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的兩棱鏡的夾角改變，得到不同的擴束比β＝D/d。
4.根據權利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于所述的擴束器是兩個母線相互平行的平凸柱面透鏡組成的望遠系統。
5.根據權利要求1所述的快速成形激光二極管能量源，其特征在于還包括用于支撐、光源激光二極管LD、柱面鏡組、及擴束器并使之成為一體的支架或者殼體。
6.一種快速成形設備，包括由光源(1)、指向器(2)、合光器(3)、耦合擴束器(7)、動態聚焦模塊(4)、x軸掃描振鏡(51)、y軸掃描振鏡(52)組成的光學系統，工作面(6)，支架及殼體；其特征在于所述的光源是快速成形激光二極管能量源。
7.根據權利要求6所述的一種快速成形設備，其特征在于所述的光學系統有一個用于調整激光二極管能量源發出光束的直徑，使其與動態聚焦模塊入孔的直徑相同的耦合擴束器(7)。
全文摘要
本發明的快速成形激光二極管能量源，包括光源激光二極管LD，其特點是還有柱面鏡組與擴束器、及支架或者殼體；柱面鏡組包含快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡，快軸準直柱面鏡與慢軸準直柱面鏡的母線相互垂直；激光二極管光源輸出的像散光束由柱面鏡組準直成為橢圓形平行光束，由擴束器將慢軸平行光束進行擴束，使兩個方向上的光束直徑一樣變為圓的平行光束。其設備包括由激光二極管能量源、指向器、合光器、耦合擴束器、動態聚焦模塊、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡等組成的光學系統，工作臺，支架及殼體。具有體積小、可靠性好、壽命長、光譜可選等優點。成形材料范圍寬，成形精度和質量高，設備可小型化。
文檔編號H01S5/00GK1928625SQ20061004832
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月21日 優先權日2006年9月21日
發明者朱林泉, 馬巧梅, 靳雁霞 申請人:中北大學