CN1213598A - 用半导体激光器阵列实现快速成型的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用半导体激光器阵列实现快速成型的方法及装置。该快速成型的方法是:使用计算机对各元素可独立驱动的半导体激光器阵列激光元的光功率输出与否进行控制,再通过各激光元相应的光学系统形成一种阵列式能量源来实现材料逐层选区添加,直接制造三维型体。该快速成型装置包括成型室和激光窗等,它还包括半导体激光器阵列能量源,半导体激光器阵列能量源设在成型室的上方。本发明具有结构简单、成型速度快等优点。

Description

用半导体激光器阵列实现快速成型的方法及装置

本发明涉及一种利用半导体激光器阵列实现快速成型的方法及装置，它属于一种半导体激光器快速成型的方法及装置。

现在的快速自动成型机采用的点扫描方式是用透镜将激光束在工作面上聚焦成点，逐行进行扫描，利用计算机对激光功率输出的控制实现选区加工。激光点扫描系统若采用透镜后扫描方式即在聚焦透镜后设置扫描器时(附图1)，由于聚焦点的轨迹为一圆弧，在轨迹边缘处与工作面处相距甚远，只有在轨迹中心处才与工作面重合，严重影响工件质量。激光点扫描系统若采用透镜前扫描方式即在聚焦透镜前设置扫描器时(附图2)，扫描质量好，聚焦点的轨迹为一直线可与工作面重合，但聚焦透镜不是在近轴光而是在较大视场下工作，聚焦透镜口径大，造成视场像差校正和光学加工的困难。

本发明的目的是提供一种没有共性扫描系统的、成型产品质量好和成型速度快的用半导体激光器阵列实现快速成型的方法及装置。

本发明的任务是这样实现的：

一种用半导体激光器阵列实现快速成型的方法，它使用计算机对各元素可独立驱动的半导体激光器阵列激光元的光功率输出与否进行控制，再通过各激光元相应的光学系统形成一种阵列式能量源来实现材料逐层选区添加，直接制造三维型体。

为实现上述方法而设计的快速成型装置，它包括成型室和激光窗等，其中它还包括半导体激光器阵列能量源，半导体激光器阵列能量源设在成型室上方，作为实现材料逐层选区添加的能量源；成型室由成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒及相应的运动机构组成，以完成各种自动成型的运动；激光窗设置在成型室和半导体激光器阵列能量源之间，用以传输激光能量并隔离成型室与外界的联系。

上述半导体激光器阵列能量源包括半导体激光器阵列、快轴准直柱面镜和慢轴准直微柱镜阵列，快轴准直柱面镜设在半导体激光器阵列的前面并使半导体激光器阵列位于快轴准直柱面镜的焦点处，慢轴准直微柱镜阵列位于快轴准直柱面镜出光的一侧，使其焦平面与半导体激光器阵列发光元平面共面，快轴准直柱面镜和慢轴准直微柱镜阵列分别用来准直半导体激光器阵列的快轴和慢轴方向的发散角。

上述半导体激光器阵列可为面阵，面阵半导体激光器可用若干个安装于薄片小热沉上的单个半导体激光器组成或用若干个带尾纤的半导体激光器组成，面阵的各个半导体激光器元素可独立驱动，以实现控制相应元素的出光与否，面阵半导体激光器阵列的节距和行距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。

上述半导体激光器阵列还可为线阵，线阵半导体激光器用若干个安装于薄片小热沉上的单个半导体激光器组成或用若干个带尾纤的半导体激光器组成，线阵的各个半导体激光器元素可独立驱动，以实现控制相应元素的出光与否，线阵半导体激光器阵列的节距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。

由于本发明采用了上述技术方案，因此与背景技术相比，具有无共性扫描系统、结构简单、成型速度快、产品质量好和操作方便等优点。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1是透镜后扫描方式激光点扫描系统；

图2是透镜前扫描方式激光点扫描系统；

图3是半导体激光器面阵选区烧结快速成型机示意图；

图4是半导体激光器线阵选区烧结快速成型机示意图；

图5是半导体激光器线阵快轴方向的准直柱面镜；

图6是半导体激光器线阵能量源示意图；

图7是带小热沉的单个半导体激光器的示意图。

图1中的1为聚光镜，2为转镜，3为扫描轨迹，4为工作面。

图2中的5为聚光镜单元，2为转镜，6为扫描轨迹，与工作面重合。

如图3所示，半导体激光器面阵选区烧结快速成型机包括半导体激光器面阵能量源7、成型室和激光窗9等部件，作为实现材料逐层选区添加能量源的半导体激光器面阵能量源7设在成型室上方，成型室由成型活塞12、供粉活塞13、铺粉滚筒15等组成，激光窗9设置在成型室和半导体激光器面阵能量源7之间，用以传输激光能量并隔离成型室与外界的联系。图中10为加工平面，11为生成的零件，14为原料粉末，Z为表示活塞运动方向。半导体激光器面阵能量源包括半导体激光器面阵、快轴准直柱面镜阵列和慢轴准直微柱镜阵列，快轴准直柱面镜阵列设在半导体激光器面阵的前面并使半导体激光器阵列位于快轴准直柱面镜的焦点处，慢轴准直微柱镜阵列位于快轴准直柱面镜出光的一侧，使其焦平面与半导体激光器面阵发光元平面共面，快轴准直柱面镜阵列和慢轴准直微柱镜阵列分别用来准直半导体激光器面阵的快轴和慢轴方向的发散角。半导体激光器面阵用若干个安装于薄片小热沉上的半导体激光器组成，面阵的各个半导体激光器元素可独立地由计算机驱动，以实现控制相应元素的出光与否，面阵半导体激光器阵列的节距和行距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。当半导体激光器面阵能复盖三维型体的各层截面时，则半导体激光器面阵只需垂直于层面作相对机械运动，即可实现逐层选区添加制造三维型体。上述面阵半导体激光器也可用若干个带尾纤的半导体激光器组成。

该机工作过程是：完成一层烧结后成型活塞12下降一层厚的高度，而供粉活塞13上升一定的高度将粉推出，由铺粉滚筒15推向成型活塞12上方的工作面10处并铺平压实，再启动能量源烧结该层，如此反复形成三维实体11。

如图4所示，半导体激光器线阵选区烧结快速成型机包括半导体激光器线阵能量源16、成型室和激光窗9等部件，作为实现材料逐层选区添加能量源的半导体激光器线阵能量源16设在成型室上方，成型室由成型活塞12、供粉活塞13、铺粉滚筒15等组成，激光窗9设置在成型室和半导体激光器线阵能量源16之间，用以传输激光能量并隔离成型室与外界的联系。图中10为加工平面，11为生成的零件，14为原料粉末，Z为表示活塞运动方向，X表示扫描运动方向。半导体激光器线阵能量源包括半导体激光器线阵17、快轴准直柱面镜18和慢轴准直微柱镜阵列19(见图6)，快轴准直柱面镜18设在半导体激光器线阵17的前面并使半导体激光器线阵17位于快轴准直柱面镜18的焦点处。慢轴准直微柱镜阵列19位于快轴准直柱面镜18出光的一侧，使其焦平面与半导体激光器线阵17发光元平面共面，快轴准直柱面镜18和慢轴准直微柱镜阵列19分别用来准直半导体激光器线阵17的快轴和慢轴方向的发散角。半导体激光器线阵用若干个安装于小热沉上的单个半导体激光器组成，线阵的各个半导体激光器元素具有独立的电源，以便独立驱动实现控制相应元素的出光与否。线阵半导体激光器阵列的节距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。例：半导体激光器线阵中发光元的节距P(各发光元的中心距)应能满足加工精度的要求，例如：加工精度为±0.2mm，则阵列元素输出光与否的分辩率应高于0.2mm，即开关一个发光元所影响的尺寸不大于0.2mm。根据这个尺寸P，设计半导体激光器阵列的发光元的长度和间隙。如：当各发光元长度e=0.1mm，则各发光元的间隔不得超过0.2-0.1=0.1mm。间隔大小对阵列加工工艺影响很大，因此要在加工精度、节距、长度、间隔等参数中进行优化设计。上述线阵半导体激光器也可用若干个带尾纤的半导体激光器组成。当半导体激光器线阵的线长大于三维型体各截面的最大长度时，则半导体激光器线阵只需沿垂直于线阵方向的一维扫描和垂直于层面作相对机械运动，即可实现逐层选区添加制造三维型体。成型室内各零部件的工作情况同前。当面阵不能复盖三维型体的各层截面或线阵的线长小于三维型体各截面的最大长度时，可通过分块实现逐层选区添加制造三维型体。

如图5所示，快轴准直柱面镜18母线方向的长度与半导体激光器线阵17的长度相等，其半径方向的通光口径c.a.决定于快轴准直柱面镜18的焦距f和半导体激光器线阵17快轴的发散角θ,c.a.=f·θ(1)。当半导体激光器为面阵时，快轴方向准直就应由多根细长的柱面镜形成面阵来实现。

如图6所示。半导体激光器线阵17的快轴方向的快轴准直柱面镜18与图5中的一样，慢轴方向准直的微柱镜阵列19的长度与半导体激光器线阵17相等，其母线方向的宽度应大于快轴准直柱面镜18的通光口径，以保证由激光器发出的两个方向的光线都能进入透镜而不被拦截，其半径方向的通光口径c.a.决定于它的焦距f和激光器慢轴发散角θ，与公式(1)相同。当半导体激光器阵列为面阵时，慢轴方向准直也应由多个线阵柱面微透镜阵列组成面阵来实现。图中e为激光元出光尺寸，c.a.为通光口径，S_omax为微透镜阵列到激光元出射面的最大距离，f为焦距，P为节距。

半导体激光器发光元快轴方向的线度尺寸极小(1μm量级)，可看作是点光源，因此准直后可看作为理想的平行光，而慢轴方向发光元的线度尺寸较大(几十到百十个μm量级)，因此准直后存在剩余发散角，可按下式计算： $\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{mx}}=\frac{e}{2S_{o\max }}=\left(\frac{e}{c\·a\·-e}\right)\×\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HW}1/e^2}$

其中α_max为准直后的剩余发散角，e为激光元出光尺寸，c.a.为孔径光栏直径，S_omax为微透镜阵列到激光元出射面的最大距离，θ_HW1/e²为激光束功率下降到中心1/e²值的直径所对应的发散角。

当选定了快慢轴准直光学元件输出平行光束不能获得符合要求的阵列光斑时，可在一定工作距离上对半导体激光器阵列的各发光元成像，调整此快轴和慢轴的准直光学元件相对于激光器发光元的位置，可在工作面上获得线阵或面阵的发光元的像，形成符合要求的能量源。

如图7所示，带小热沉的单个半导体激光器由小热沉20、接线柱21、连接线22和半导体激光器晶片23组成。制作方法为：先将特殊光刻有分离槽的半导体激光器线阵晶片与精密加工的小热沉组合体铟焊，结构上应将晶片反装于小热沉上(即P区紧贴热沉)以利于散热，然后将各激光元的N区引线连至相对应的各接线柱上，以实现分别驱动，在完成了分离和连线工序后得到若干个带小热沉的单个半导体激光器，再在夹具上装配成半导体激光器线阵。小热沉的尺寸和激光器晶片的安装有足够高的精度，能确保各激光器元的解理面齐平和激光器元的间距，也就可以保证准直后出射光束的平行性和线阵元素间的节距。

驱动半导体激光器阵列各激光元的电源可采用数量与激光元数量相等，与激光元一一对应的独立驱动电源，也可采用统一的激光电源，通过译码选元顺序驱动相应的激光元。

Claims (5)

1、一种用半导体激光器阵列实现快速成型的方法，其特征在于：使用计算机对各元素可独立驱动的半导体激光器阵列激光元的光功率输出与否进行控制，再通过各激光元相应的光学系统形成一种阵列式能量源来实现材料逐层选区添加，直接制造三维型体。

2、一种实现权利要求1所述方法而设计的快速成型装置，它包括成型室和激光窗，其特征在于：它还包括半导体激光器阵列能量源，半导体激光器阵列能量源设在成型室上方，作为实现材料逐层选区添加的能量源；成型室由成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒及相应的运动机构组成，以完成各种自动成型的运动；激光窗设置在成型室和半导体激光器阵列能量源之间，用以传输激光能量并隔离成型室与外界的联系。

3、根据权利要求2所述的快速成型装置，其特征在于：所述半导体激光器阵列能量源包括半导体激光器阵列、快轴准直柱面镜和慢轴准直微柱镜阵列，快轴准直柱面镜设在半导体激光器阵列的前面并使半导体激光器阵列位于快轴准直柱面镜的焦点处，慢轴准直微柱镜阵列位于快轴准直柱面镜出光的一侧，使其焦平面与半导体激光器阵列发光元平面共面，快轴准直柱面镜和慢轴准直微柱镜阵列分别用来准直半导体激光器阵列的快轴和慢轴方向的发散角。

4、根据权利要求3所述的快速成型装置，其特征在于：所述半导体激光器阵列可为面阵，面阵半导体激光器可用若干个安装于薄片小热沉上的单个半导体激光器组成或用若干个带尾纤的半导体激光器组成，面阵的各个半导体激光器元素可独立驱动，以实现控制相应元素的出光与否，面阵半导体激光器阵列的节距和行距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。

5、根据权利要求3所述的快速成型装置，其特征在于：所述半导体激光器阵列还可为线阵，线阵半导体激光器用若干个安装于薄片小热沉上的单个半导体激光器组成或用若干个带尾纤的半导体激光器组成，线阵的各个半导体激光器元素可独立驱动，以实现控制相应元素的出光与否，线阵半导体激光器阵列的节距按逐层选区烧结或固化精度的要求确定。

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