[發明專利]利用激光能再循環的增材制造

有效

• 申請號: 201810216204.7
• 申請日: 2018-03-15
• 公開（公告）號: CN108656534B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: T·A·佩里;B·E·卡爾森;J·J·諾爾蒂;H·蔡;J·P·斯派瑟
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: B29C64/153
• 分類號: B29C64/153;B29C64/268;B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄧雪萌

提供了增材制造系統、區域掃描激光系統以及用于執行增材制造過程的方法。一種示例性增材制造系統包括用于生產激光束的激光發生裝置。此外，增材制造系統包括光學元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以編碼激光束中的圖像。而且，增材制造系統包括選擇性光束分離器，其配置為將激光束的第一部分引導至待燒結或待熔化的材料上。增材制造系統包括再循環系統，其用于接收激光束的第二部分。

背景技術

本發明總體涉及增材制造，并且更具體地涉及利用激光束進行區域掃描的增材制造。

用于金屬或非金屬部件的增材制造(AM)的新技術可以從根本上提高加工速度，以使增材制造在用于生產高容量部件上變得商業可行。目前的粉末床增材制造系統通常通過將薄層粉末沉積到構建區上，然后通過在部件的橫截面上方掃描定向能量源(通常是點聚集激光)來選擇性地燒結或熔化粉末成為固體層。

區域掃描是增材制造的一項新進展，它通過用部件橫截面的相對較大的子區域的高功率激光圖像代替點聚集激光，改善燒結或熔化每個單層所需的時間。可以通過將一些數量的子區域拼接在一起來創建部件的每一層。基于現有的激光技術，每個子區域目前可從大約5mm x 5mm升至大約75mm x 75mm。這對于掃描點聚焦來說是一個巨大的收益，其可能是大約0.1mm直徑的點。

區域掃描是通過使用定制的非線性光學元件控制入射激光輻射的偏振來完成的。激光功率的來源是自然地單色的、相干的和平面偏振的。為了描述的目的，將假定偏振平面為垂直的。定制的非線性光學元件可以包括DC偏置源、透明電極、光導電涂層(在光譜的藍色部分中有效)以及當施加靜電場時延遲光的偏振的非線性材料。來自偏振激光的輻射引導到非線性光學元件上，該非線性光學元件與要被印刷的部件橫截面的子區域的圖像精確地一致。子區的圖像通過將藍色光源投射通過數字光投影(DLP)光學元件而形成。被照亮為藍色的圖像區域將導致光導電層導電，這又反過來將電勢施加到非線性光學元件，使得穿過那些區域中的非線性光學材料的光的偏振被延遲。在未被藍色照亮的區域中，非線性光學材料穿過所有光而不改變偏振。選擇非線性材料的厚度使得延遲激光輻射的一半波長，這具有選擇性地使入射偏振從垂直到水平旋轉的效果。

離開非線性光學元件的激光入射到強偏振相關的介電反射鏡上。因此，垂直偏振將與水平偏振分離，并可用于燒結或熔化粉末并制造部件。為了使粉末燒結或熔化，粉末顆粒必須暴露于與掃描點聚集激光系統相似量的能量下，這些系統使用200-500W激光器和10mm/S的掃描速度。為了使用大面積技術獲得類似的能量密度，激光功率需要在5-100KW范圍內，并且激光交互時間需要為每個區域10mS。為了在實踐中實現這些高功率，使用光束均化元件將多個較低功率激光器(每個～1KW)組合在一起。依據部件的橫截面，每次發射中沉積在部件中的能量數量會有很大的變化，其范圍將從百分之幾到百分之百不等。這意味著5-100KW激光的很大一部分不用于增材制造工藝，而是放置在某種類型的冷光束收集器中。

因此，期望提供用于在增材制造系統中再循環激光功率的系統。此外，期望提供用于減少增材制造工藝中的廢物的方法。此外，根據隨后的詳細描述和所附權利要求，結合附圖和背景技術，其它期望的特征和特性將變得顯而易見。

發明內容

提供了增材制造系統、區域掃描激光系統以及用于執行增材制造過程的方法。一種示例性增材制造系統包括用于生產激光束的激光發生裝置。此外，增材制造系統包括光學元件，其用于形成具有第一偏振的激光束的第一部分以及具有不同于第一偏振的第二偏振的激光束的第二部分以編碼激光束中的圖像。而且，增材制造系統包括選擇性光束分離器，其配置為將激光束的第一部分引導至待燒結或待熔化的材料上。增材制造系統包括再循環系統，其用于接收激光束的第二部分。