激光增材制造領(lǐng)域中的光束擴(kuò)散器的應(yīng)用

時(shí)間：2022-06-11作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：320

光束擴(kuò)散器是一種光學(xué)組件，可將通過它們傳播的光束的照明模式改變?yōu)樗璧墓鈴?qiáng)度分布。本文介紹了一些利用激光束整形優(yōu)勢(shì)的增材制造新方法。




光束擴(kuò)散器增材制造

的簡(jiǎn)單描述

增材制造(AM)是指各種技術(shù)，其中材料層在計(jì)算機(jī)控制的過程中相互疊加，以從CAD或其他方式生成的3D模型形成三維對(duì)象，而不是傳統(tǒng)的“減材制造”，其中材料通常被去除。

AM加工是通過制造輕、強(qiáng)的零件和系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相比具有一些固有的優(yōu)勢(shì)。隨著近年來工藝精度的提高，AM已成為許多不同工業(yè)領(lǐng)域的寶貴生產(chǎn)方法，包括食品工業(yè)、航空航天、汽車、醫(yī)療保健等。

與AM相關(guān)的其他術(shù)語包括“3D打印”和“高速原型制作”，以及AM的子集，通常在使用類似技術(shù)的家庭和產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用程序中提及。

今天有許多不同的技術(shù)可用于執(zhí)行各種增材制造工藝，其中許多是基于激光的，其中激光用作加熱源以實(shí)現(xiàn)材料的選擇性融合，無論是熔化狀態(tài)還是燒結(jié)狀態(tài)，不同的技術(shù)導(dǎo)致不同級(jí)別的層內(nèi)材料密度，也可以適用于不同的材料。




光束擴(kuò)散器激光束整形光束擴(kuò)散器是一種光學(xué)組件，可將通過它們傳播的光束的照明模式改變?yōu)樗璧墓鈴?qiáng)度分布，通常是均勻和同質(zhì)的光強(qiáng)度分布，其設(shè)計(jì)特性由工藝參數(shù)決定。

有多種基于不同光學(xué)概念的光束擴(kuò)散器：

衍射擴(kuò)散器，它改變光的相位以產(chǎn)生所需的輻射。衍射擴(kuò)散器的特點(diǎn)是高均勻性和銳利的邊緣。

寬帶擴(kuò)散器，也稱為工程擴(kuò)散器，是一種折射組件，非常類似于基于幾何光學(xué)的微透鏡陣列，其排列和透鏡高度決定了輸出形狀和質(zhì)量。其特點(diǎn)是均勻度高、效率高。

寬帶混合擴(kuò)散器在其設(shè)計(jì)中結(jié)合了衍射和折射特性，可產(chǎn)生具有一邊界的提升效率、高均勻度的銳利形狀。Holo/Or的寬帶擴(kuò)散器就是這樣的混合元件。

與標(biāo)準(zhǔn)高斯光束相比，其他用于將光擴(kuò)散到較均勻的強(qiáng)度分布的方法也是可用的，但上述方法是較常見的方法，可產(chǎn)生較佳輸出參數(shù)。




使用光束擴(kuò)散器激光束整形的AM工藝優(yōu)化

通常，通過使用不同的激光束擴(kuò)散器參數(shù)來優(yōu)化不同的工藝。使用的技術(shù)、輸入激光束直徑、光學(xué)設(shè)置、粉末材料類型等工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)準(zhǔn)確的照明模式產(chǎn)生影響，從而為特定應(yīng)用提供較佳性能。

以激光金屬沉積（LMD）為例，比較研究表明，由于其能量均勻，溫度梯度小，使用光束擴(kuò)散器產(chǎn)生的環(huán)形光束比使用高斯光束的工藝性能要好。在許多性能指標(biāo)上發(fā)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)，包括工件中較小的殘余應(yīng)力，減少熱量積累，避免過度燒結(jié)和稀釋，細(xì)化晶粒尺寸和改善涂層的表面質(zhì)量。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空和航天、能源技術(shù)、石油化工和醫(yī)療技術(shù)等行業(yè)。在選擇性激光熔化(SLM)中，研究表明，與簡(jiǎn)單的高斯光束相比，具有中心光斑的環(huán)形可以改善熔池動(dòng)力學(xué)，從而產(chǎn)生較穩(wěn)定的熔池。這能夠消除內(nèi)部應(yīng)力斷裂，從而以非常高的構(gòu)建速率生產(chǎn)完全致密的材料。




光束擴(kuò)散器的常見問題

什么是光束擴(kuò)散器？

光束擴(kuò)散器是一種光束整形器，也叫做衍射擴(kuò)束器，通常從通過它的輸入光束產(chǎn)生均勻、均勻的照明。擴(kuò)散器還可以將光束整形為幾乎任何所需的強(qiáng)度分布。




有哪些類型的光束擴(kuò)散器？

當(dāng)今市場(chǎng)上有各種類型的光束擴(kuò)散器，較常見的是衍射擴(kuò)散器和寬帶擴(kuò)散器，它們是微透鏡陣列的一個(gè)子部分。




光束擴(kuò)散器增材制造中使用什么激光束整形？

不同的工藝從不同的強(qiáng)度分布中獲益。例如，在激光金屬沉積中，由于其均勻的能量分布和較小的溫度梯度，環(huán)形光束被證明能產(chǎn)生**的工藝效果。在選擇性激光熔化中，具有中心光斑功率的環(huán)形模式能夠在高質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)量。














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