一種激光裝置、激光燒結(jié)裝置及激光燒結(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種激光裝置、激光燒結(jié)裝置及激光燒結(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光燒結(jié)是一種分層加工制造技術(shù)，如圖1所示，在燒結(jié)過程中，一束處于基本恒定功率水平的激光束I，被入射到一個(gè)粉末平鋪平面2上，激光束光斑處的粉末被快速加熱并熔合在一起，激光束沿著橫跨粉末層3的連續(xù)直線反復(fù)掃描，零件的一個(gè)層面即可被制備出來。零件每一個(gè)層面的形狀和結(jié)構(gòu)，都可以通過計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的CAD模型進(jìn)行設(shè)定，通過自動(dòng)控制技術(shù)使激光有選擇地掃描設(shè)定區(qū)域，精確達(dá)到預(yù)設(shè)模型尺寸。當(dāng)一層完成后，粉末平鋪平面的表面被降低，在此已燒結(jié)平面上又鋪上另一層粉末，然后再次在自動(dòng)控制系統(tǒng)的指揮下進(jìn)行掃描燒結(jié)。這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到零件被制作完成。
[0003]由于激光燒結(jié)所需的功率較大，往往是選擇功率較大的紅外CO2激光器和YAG固體激光器，或其他一些大功率的紫外激光器，這些激光器的特點(diǎn)是激光束為單束恒定功率激光，焦點(diǎn)光斑大小也不易調(diào)整，在燒結(jié)過程中，焦點(diǎn)光斑照射到的粉末溫度急劇上升，與周圍的粉體溫度差異過大，粉末層的收縮差異過大，從而導(dǎo)致燒結(jié)層趨向于卷曲。這是激光燒結(jié)技術(shù)面臨的最大技術(shù)問題之一，直接影響到燒結(jié)體的質(zhì)量性能。
[0004]目前，解決此問題所采用的技術(shù)之一，是將粉末床加熱到一定的溫度，減少粉末間的溫度梯度差，但是僅在燒結(jié)聚合物時(shí)容易實(shí)現(xiàn)，在燒結(jié)金屬或無機(jī)粉末時(shí)，粉末床難以保持一個(gè)較高的溫度，無法控制卷曲問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種激光裝置，所述激光裝置包括多個(gè)激光二極管單元，形成功率密度呈梯度分布的激光光斑；本發(fā)明還提供了一種激光燒結(jié)裝置，所述激光燒結(jié)裝置使用具有梯度功率的激光光斑進(jìn)行燒結(jié)，減小了燒結(jié)區(qū)域粉末顆粒與其周圍粉末顆粒之間的溫度梯度，可大大減小卷曲程度，有利于獲得高性能的燒結(jié)體。所述激光燒結(jié)裝置尤其適用于選取掃描燒結(jié)，特別在難成型、難燒結(jié)的熒光陶瓷材料的制備過程中，起到較好的效果。
[0006]具體地，本發(fā)明提供了一種激光裝置、激光燒結(jié)裝置及方法，其中激光裝置包括:一控制單元、一支架和多個(gè)激光二極管單元，所述多個(gè)激光二極管單元設(shè)置在所述支架上，所述控制單元控制所述激光裝置出射的激光束形成功率密度呈梯度分布的光斑。
[0007]優(yōu)選地，所述多個(gè)激光二極管單元在所述支架上呈梯度排列，且每個(gè)激光二極管單元的功率相同。
[0008]優(yōu)選地，所述多個(gè)激光二極管單元在所述支架上均勻排列，且劃分為功率呈梯度分布的多個(gè)單元組。
[0009]優(yōu)選地，所述多個(gè)激光二極管單元的位置可調(diào)，并通過調(diào)整所述激光二極管單元的位置來控制光斑的梯度分布。
[0010]優(yōu)選地，所述支架設(shè)有活動(dòng)件，用以自動(dòng)調(diào)節(jié)所述激光二極管單元到支架底部的距離。
[0011]優(yōu)選地，所述控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)激光二極管單元的統(tǒng)一控制、分組控制或者單獨(dú)控制。
[0012]優(yōu)選地，所述激光裝置還包括光學(xué)模塊，所述光學(xué)模塊包括調(diào)焦模組，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑功率及大小的調(diào)節(jié)。
[0013]優(yōu)選地，所述調(diào)焦模組為透鏡陣列，所述透鏡陣列包括多個(gè)與激光二極管單元組一一對(duì)應(yīng)的透鏡單元，或其他可以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能的光學(xué)元件。
[0014]更優(yōu)選地，所述光學(xué)模塊還包括準(zhǔn)直模組。
[0015]優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直模組為包括多個(gè)與激光二極管單元--對(duì)應(yīng)設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡或其他可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直功能的光學(xué)元件。
[0016]優(yōu)選地，所述激光二極管單元為藍(lán)色激光二極管單元。
[0017]本發(fā)明還公開了一種激光燒結(jié)裝置，包括:激光裝置、粉末層以及粉末床，其特征在于，
[0018]所述激光裝置出射的激光在所述粉末層上形成功率密度呈梯度分布的光斑，其中，
[0019]所述光斑中激光功率密度最大的區(qū)域，為主燒結(jié)區(qū)；所述主燒結(jié)區(qū)鄰接至少一個(gè)輔助燒結(jié)區(qū)，所述輔助燒結(jié)區(qū)的功率密度小于主燒結(jié)區(qū)，用以在粉末層的燒結(jié)部位與待燒結(jié)粉末區(qū)或者已燒結(jié)區(qū)之間形成預(yù)設(shè)的溫度梯度。
[0020]優(yōu)選地，所述輔助燒結(jié)區(qū)包括功率密度遞減的輔助燒結(jié)子區(qū)，所述主燒結(jié)區(qū)與輔助燒結(jié)區(qū)中功率密度最大的輔助燒結(jié)子區(qū)鄰接。
[0021]所述輔助燒結(jié)子區(qū)的面積隨功率密度的增大而減小，所述主燒結(jié)區(qū)的面積小于每一個(gè)輔助燒結(jié)子區(qū)的面積。
[0022]優(yōu)選地，所述主燒結(jié)區(qū)的形狀為圓形、橢圓、矩形或其他形狀。
[0023]優(yōu)選地，所述激光裝置包括光學(xué)模塊，所述光學(xué)模塊包括調(diào)焦模組，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑功率及大小的調(diào)控。
[0024]所述調(diào)焦模組的位置可調(diào)，使得所述粉末層上形成的激光光斑處于聚焦區(qū)域或者離焦區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑功率及大小的調(diào)控。
[0025]優(yōu)選地，所述光斑的主燒結(jié)區(qū)為聚焦光斑或者離焦光斑；所述輔助燒結(jié)區(qū)為聚焦光斑或者離焦光斑。
[0026]優(yōu)選地，所述功率密度呈梯度分布的光斑，為多個(gè)激光光斑單元組合而成的組合光斑。
[0027]優(yōu)選地，所述組合光斑中的多個(gè)激光光斑單元呈梯度排列，且每個(gè)激光光斑單元的功率密度相同。
[0028]優(yōu)選地，所述組合光斑包括功率密度呈梯度分布的光斑模塊，每個(gè)光斑模塊包括數(shù)量相同且均勻排列的激光光斑單元。
[0029]優(yōu)選地，所述激光燒結(jié)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑單元或光斑模塊的單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光斑整體的調(diào)節(jié)。
[0030]所述激光光斑單元或光斑模塊都可以通過調(diào)整光學(xué)模塊、激光裝置與粉末層的距離、激光二極管單元排列的位置或功率的大小等來進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)光斑整體的調(diào)節(jié)。
[0031]另外，本發(fā)明還公開了一種激光燒結(jié)方法，包括以下步驟:
[0032]將待燒結(jié)的粉末平鋪在粉末床上形成粉末層，開啟激光裝置發(fā)射激光束，并在粉末層表面形成功率密度呈梯度分布的光斑，所述光斑包括主燒結(jié)區(qū)和輔助燒結(jié)區(qū)；
[0033]設(shè)定光斑的功率、行進(jìn)速度和路徑，使得光斑的輔助燒結(jié)區(qū)和主燒結(jié)區(qū)依次掃過粉末層上的待燒結(jié)粉末，處于主燒結(jié)區(qū)的粉末被快速加熱到可相互熔合的溫度，光斑沿著橫跨粉末層的連續(xù)直線反復(fù)掃描得到一個(gè)粉末燒結(jié)層。
[0034]優(yōu)選地，本方法還包括以下步驟:
[0035]在粉末燒結(jié)層之上繼續(xù)疊加一層新的粉末，激光束繼續(xù)按照程序重復(fù)掃描燒結(jié)，粉末層反復(fù)疊加燒結(jié)熔合，直到得到所需尺寸的燒結(jié)體。
[0036]本發(fā)明采用LD陣列構(gòu)建激光裝置，可以形成功率密度呈梯度分布的整體光斑；采用該梯度光斑進(jìn)行激光燒結(jié)，改變了以往激光燒結(jié)技術(shù)采用大型激光器產(chǎn)生的單一激光光斑進(jìn)行燒結(jié)的方式，使得被燒結(jié)區(qū)域與待燒結(jié)區(qū)域或已燒結(jié)區(qū)域之間形成一定的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)緩慢升溫或緩慢降溫，從而有效改善激光燒結(jié)中易出現(xiàn)的卷曲、成球等燒結(jié)缺陷；本發(fā)明提供的激光燒結(jié)裝置尤其適用于選取掃描燒結(jié)。
【附圖說明】
[0037]圖1是現(xiàn)有技術(shù)下激光燒結(jié)的示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明激光裝置其中實(shí)施例一 LD陣列示意圖；
[0039]圖3是本發(fā)明激光裝置其中實(shí)施例一 LD陣列側(cè)視圖；
[0040]圖4是本發(fā)明激光裝置其中實(shí)施例一 LD陣列側(cè)視圖；
[0041]圖5是本發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例一 LD陣列投射出的梯度光斑；
[0042]圖6是發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例一激光燒結(jié)過程示意圖；
[0043]圖7是本發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例二 LD陣列投射出的梯度光斑；
[0044]圖8是發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例二激光燒結(jié)過程示意圖；
[0045]圖9a是本發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例三LD陣列投射出的梯度光斑；
[0046]圖9b是本發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例三LD陣列投射出的其他類型梯度光斑；
[0047]圖9c是本發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例三LD陣列投射出的其他類型梯度光斑；
[0048]圖10是發(fā)明激光燒結(jié)裝置其中實(shí)施例三激光燒結(jié)過程上下方向形成燒結(jié)帶示意圖；
[0049]圖11是本發(fā)明激光燒結(jié)方法其中一實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例為實(shí)施本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，所述描述是以說明本發(fā)明的一般原則為目的，并非用以限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0051]本發(fā)明公開了一種燒結(jié)裝置，目的是減少被燒結(jié)材料的卷曲，可以使材料成型質(zhì)量得到有效提高。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明公開的激光