激光选区熔化增材制造激光束光路系统优化研究*

黄建军 邵中魁 何朝辉 姜耀林 沈小丽

(1.浙江省机电设计研究院有限公司 杭州310051；2.浙江省机电产品质量检测所 杭州310051)

3D打印是一种快速成型技术，对制造工艺的发展具有革命性的推动作用[1]。不同于传统的削减材料成型方法，3D打印采用材料堆积增长成型的自由成型手段，极大减少了加工工序和简化了制造工艺，因此在复杂结构件和特殊零件定制领域具有突出的优势。

选区激光熔化成型（Selective laser melting,SLM）是现阶段最具潜力的3D打印技术，其可选择金属、合金、复合材料、陶瓷等多种粉末材料[2]。SLM工作原理为：加工前将粉末材料平铺在基板上，通过激光器产生高能激光束，经光路系统的分散和聚合，振镜扫描系统控制两个镜片的转动保证光束聚焦于金属粉末，从而使粉末熔化凝固，不断堆叠成型[3]。因此，SLM成型设备中激光光路系统的设计对成型件的质量有十分重要的影响，获得了国内外众多学者的关注。

KA.Mumtaz等[4]人将脉冲激光器作为能源，进行整形脉冲零件制造，发现整形脉冲可减少SLM成型过程中粉末飞溅的问题。Iov V等[5]对激光扫描工艺参数进行了研究，发现扫描速度和激光功率对粉末熔化的影响较大。姚华山等[6]利用有限元方法分析了粉床导热系数的动态变化规律，模拟了SLM成型过程中激光动态扫描引起的材料动态变化情况。

本文将针对SLM设备的激光束光路系统进行优化设计，具体对光纤激光器、隔离器、扩束镜、扫描振镜、调焦装置等设备进行了原理分析和优化选型。

1 激光光路系统

SLM激光束光路系统如图1所示，系统主要包括光纤激光器、光束隔离器、扩束镜、振镜、f−θ镜头/F-theta镜。

图1 SLM激光束光路系统

系统中的光束通过带有灰尘、油雾、潮湿的空气时，光束有部分能量会被吸收，光束的扩散角度将被扩大，从而影响最终到达成型平台的光束质量，例如随着光束发散角的增大，聚焦点的高度将会降低，从而偏离成型面。针对上述问题，本文在设计中安装了灰尘、油雾和除湿的过滤装置，只有经过过滤的空气才可以进入通激光束光路中。

光束传输时，通道内的二氧化碳会吸收部分光束的能量使传输通道变热，同样二氧化碳也会引起光束扩散角度的扩大。扫描时间越长对成型质量的影响越明显，其影响也会随着激光功率的增大和光路长度的增加而增加。控制光束传输通道内二氧化碳比例的方法一般采用以下两种：一是采用二氧化碳过滤器（也可采用吸附二氧化碳的空气干燥器）控制光束传输通道内二氧化碳的比例；二是采用PSA氮气发生器获得高纯度的氮气，使得光束在单一氮气中传输以获得更好的质量。

2 激光器

一般 SLM 要求激光能量密度超过 106W/cm2。目前应用于SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器和光纤(Fiber)激光器，各激光器产生的激光波长分别为1064 nm、10640 nm、1090 nm。金属粉末对1064 nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640 nm等较长波长激光的吸收率较低。

脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，以及最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，且无须水冷，运行费用低，成为了在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。目前IPG品牌的激光器应用较广，该光纤激光器掺镱连续、脉冲可转换，波长为 1070nm，可通过外部触摸屏开启指示光和调节功率，在金属3D打印领域应用较多。IPG激光器的准直镜和激光头如图2所示。

图2 准直镜和激光头

3 扩束镜

扩束镜有两个重要功能，一是扩大激光束的直径，二是减小激光束的发散角。经扩束镜的光束，其发散角和扩束比呈反比。和扩束之前的光束相比，光束在扩束后可被聚焦得更小。从激光器输出的激光束的光斑尺寸和发散角乘积是光学不变量，因此光束直径扩大x倍时，其发散角相应压缩为原来的1/x，压缩发散角就是激光准直的过程。

扩束镜的结构原理如图3所示，其由一个输入负透镜和一个输出正透镜组成，输入负透镜将远处一虚焦点的光束输送给输出镜，两者为虚共焦结构。这种结构的扩束镜简单、成本低，可获得20倍以下的放大倍率。

图3 扩束镜的结构原理

4 扫描振镜

一套完整的扫描振镜系统由振镜头、控制卡和软件驱动组成。扫描振镜系统的振镜头由两个振镜和伺服电路组成。反射镜安装在扫描电机的主轴上，电机偏转来带动反射镜旋转：扫描电机在限定角度内偏转，其内集成了测定实时旋转角度的传感器；伺服电路接受驱动电压信号来控制扫描电机的偏转。

振镜头工作时，激光光束进入振镜头后，先投射到沿X轴偏转的反射镜A上，然后经A反射到沿Y轴旋转的反射镜B上，最后投射到工作平面x-y内。利用两反射镜偏转角度的组合，实现在整个视场内的任意位置的扫描。

带动反射镜片偏转的扫描电机是特殊的摆动电机，不能像普通电机一样旋转，其转子上有机械扭簧或通过电子方法施加复位力矩，复位力矩大小与转子偏离平衡位置的角度成正比：而偏转角度与电流大小成正比，当通入的电流大小一定时，扫描电机偏转一定角度，此时产生的电磁力矩与复位力矩大小相等，转子就不再转动，有类似电流表的效果，因此又被称为电流表式扫描。

为保证 SLM 设备样机具有良好的稳定性和可靠的精度，本文设计的光路系统选用德国SCANLAB公司的hurrySCAN20振镜扫描系统，其具有体积小、定位精准、性能可靠的优点，能够在Windows系统下直接使用，通过配套的RTC5控制卡与工控机的PCI总线连接，提供整个扫描过程的控制，其主要性能指标如表1所示。

表1 振镜扫描头主要性能指标

5 调焦装置

因光路系统中光程恒定，光束达到焦平面，即工作平面时的光斑大小是恒定。而实际使用过程中，不同材料在某一激光功率、某一铺粉层厚的条件下，最优成型效果都对应不同的聚焦光斑直径。

由分析可知，通过选用较大的扩束倍数可以得到小的光斑直径，但如果为了达到适应某种材料的最佳光斑尺寸而验算得到扩束倍数小于 l，显然并不符合实际。为了得到理想的大尺寸聚焦光斑，目前有两种比较适用的方法：一种是在光路中引入光闸来限制光束束腰的大小，安装在激光器和扩束镜之间，这样入射到扩束镜中的光束束腰就等于光闸的孔径；另一种简便的办法是将用于聚焦的f−θ场镜设计为位置可调的结构，即可以调整离工作平面的距离，可使焦平面与工作平面有一定的正离焦量，从而得到一个较大的光斑。基于此，在光路系统中设计安装一个调焦装置，可用于微调f−θ场镜离工作平面的距离，以获适合不同材料熔化成型工艺要求的最佳光斑尺寸。

6 聚焦透镜

聚焦透镜的功能是将光束聚拢，以获得合适尺寸的光斑。根据其在光路中的不同位置，可以将光路布局分为先聚焦后扫描和先扫描后聚焦两种方式。

先聚焦后扫描的光路布局如图 4(a)所示，将聚焦透镜安装在振镜扫描系统之前，在对激光束进行聚焦后，再投射到振镜头内进行光路调控。这种布局的好处在于激光束在进入振镜头之前被聚焦，可以减弱发散激光束的离焦误差对振镜扫描系统精度的影响，能够得到具有很高能量密度的小光斑。但由于光束最终聚焦点距透镜中心的距离是恒定的，其轨迹将是一个球面，那么在扫描过程中，工作平面各点的光斑大小和能量密度不同，最终成型质量和精度都会受影响。

先扫描后聚焦式光路布局如图4(b)所示，振镜扫描系统安装在聚焦透镜之前，经扩束镜之后的平行光直接进入振镜头，随振镜系统偏转角度的不同，光束会入射到聚焦透镜的不同部位，但经过同一个聚焦透镜任何部位的平行光都会聚焦在离透镜中心距离恒定的焦平面上，可以保证与工作平面内的光斑大小一致。这种光路布局方式的缺点是反射镜等角速度转动时，焦平面内的激光扫描速度却是变化的。光束经聚焦透镜的折射示意图如图5所示。

由图可知，一束平行光通过聚焦透镜后在焦平面上的像高为y，像高与θ的正切函数呈正比而不是与θ正比。这样焦平面上的光斑移动速度与振镜偏转的角速度不成正比，等角速度旋转无法得到恒定的扫描速度。

图4 光路布局图

图5 光束经聚住透镜的折射示意图

对比两种光路布局方式，本文采用了先扫描后聚焦的方式，并用f−θ透镜替代普通光学聚焦透镜。f−θ透镜跟普通聚焦透镜相比，其成像有一定的负畸变，实际像高变小并与θ正比，是像高与入射角满足关系f−θ的线性镜头，这样就可通过控制电机的等速偏转实现匀速扫描。

f−θ平场透镜经过设计可以在激光扫描系统中实现最佳性能。对于激光扫描系统中的很多应用，平面成像场可以实现最佳的结果。一个球面透镜只能在圆形平面上成像，如图6(a)所示。平场聚焦透镜可以解决这个问题。然而，光束的偏移取决于有效焦距f 和偏移角 θ正切值的乘积[f×tan(θ)]，如图图6(b)所示。

选择f−θ平场聚焦透镜需要考虑的一些最重要的因素有工作波长、光斑尺寸和扫描长直径(SFD)。用户可以通过这些参数在扫描系统中设置更多的限制，比如入射光束直径、扫描反射镜偏移、反射镜安装和反射镜位置。

图6 激光成像示意图

7 结语

本文介绍了 SLM 技术的原理及研究现状，并提出了激光光路系统的优化设计方案，重点对激光器、扩束镜、扫描振镜、调教装置和聚焦透镜等设备进行了原理分析，并提出了一些设备器件的设计和选型方案，最后还进行了相应光路系统的研制开发，对选区激光熔化成型设备的优化设计具有一定的指导意义。