本實用新型涉及一種激光選區熔化/燒結成型3D零件過程中，特別涉及一種多光束陣列振鏡掃描系統。

背景技術：

激光選區熔化/燒結成型過程是以一定功率的激光掃描成型平面，并逐層疊加形成實體的加工過程。經過聚焦的激光光斑以預設路徑掃描成型平面的金屬粉末，被光斑掃描到的金屬或者聚合物粉末瞬間熔化和冷凝形成實體，隨后成型平面下降一定的高度，并重新鋪粉以形成新的成型平面，激光在新的成型平面上繼續進行掃描，如此循環往復直至成型件加工完畢。加工過程中，激光掃描的路徑是通過掃描振鏡系統來控制，振鏡系統的掃描效果將直接影響著最終的成型效果。

目前，在激光選區熔化/燒結成型設備中雙振鏡掃描系統適用范圍最廣。這種雙振鏡掃描系統主要由兩個轉軸相互垂直的反射鏡構成，兩個轉軸由電機控制旋轉，分別控制光束在x軸和y軸方向上的運動。擴束鏡擴束后的激光經過振鏡的兩次反射并通過F-θ鏡聚焦到成型平面，聚焦后的光斑直徑越小，成型精度越高。然后目前采用單光束成形方式，因此當成型件尺寸較大且加工精度要求較高時，這種單光束的雙振鏡掃描系統加工效率將會大大降低。為解決這一問題，部分設備采用了多組振鏡系統同時掃描的多光束掃描系統，但需要同時配備多個激光器。這種方式雖然提高了加工的效率，但是成本將極大的提高，而且多組振鏡之間的搭接也存在一定整形問題，因此并沒有得到普及。

因此在激光選區熔化/燒結成型過程中，需要提供一種既能夠有效提高掃描效率，且能夠極大降低成本的振鏡掃描系統。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種多光束陣列振鏡掃描系統，該掃描系統在不增加激光器數量的情況下可實現多光束掃描的效果，有效的解決了單光束掃描效率低的問題，同時也具有結構簡單、成本較低的優點。

為了達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

本實用新型公開了一種多光束陣列振鏡掃描系統，包括振鏡框體結構，所述振鏡框體結構上設有進光口和出光口，所述振鏡框體結構內部設有X軸陣列振鏡系統和Y軸振鏡系統，所述X軸陣列振鏡系統或Y軸振鏡系統為多個軸心線相互平行的振鏡組成，經擴束鏡擴束后的激光通過進光口進入陣列振鏡掃描系統內部，光束到達X軸陣列振鏡系統被平分為n束光強相同的平行光束，n束平行光束在X軸各個振鏡偏轉帶動下實現在X方向任意移動，并投射到Y軸振鏡系統上，在Y軸振鏡偏轉反射帶動下，n組光束在Y方向上移動，從而實現n組光束在X方向位置可控運動，在Y方向同步運動，最后該n組光束經過出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個數為n的光斑。

作為優選的技術方案，所述X軸陣列振鏡系統為多組鏡，Y軸振鏡系統為單振鏡，經擴束鏡擴束后的激光通過進光口進入陣列振鏡掃描系統內部，X軸陣列振鏡系統為n面反射率和透射率不同的振鏡組成，光束到達X軸陣列振鏡系統后會被均分為n束光強相同的平行光束并被反射到Y軸振鏡系統上，Y軸振鏡系統反射的n束激光經過出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個數為n的光斑。

作為優選的技術方案，激光通過進光口進入陣列振鏡掃描系統內部，在通過X軸陣列振鏡系統時，首先經過X軸陣列振鏡系統第一振鏡上，第一振鏡將反射過來的激光一部分透射到第二振鏡上，另一部分光在第一振鏡偏轉帶動下反射Y軸振鏡系統上，并在Y軸振鏡系統偏轉帶動下反射經過F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成光束1，同樣第二振鏡接收的光，一部分透射到第三振鏡上，一部分光在第二振鏡偏轉帶動下反射Y軸振鏡系統上，并在Y軸振鏡系統偏轉帶動下反射經過F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成光束2，如此類推，X軸陣列振鏡系統有幾組鏡片，每次偏轉反射光均為總能量的幾分之一，在成形平面上也將形成幾組光束。

作為優選的技術方案，所述Y軸振鏡系統為多組鏡，X軸陣列振鏡系統為單振鏡，經擴束鏡擴束后的激光通過進光口進入陣列振鏡掃描系統內部，經過X軸陣列振鏡系統反射到Y軸振鏡系統上，Y軸振鏡系統為n面反射率和透射率不同的振鏡組成，光束到達Y軸振鏡系統后會被均分為n束光強相同的光束，n束光強相同的光束經過出光口并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個數為n的光斑。

作為優選的技術方案，激光通過進光口進入陣列振鏡掃描系統內部，在通過X軸陣列振鏡系統時，在X振鏡偏轉帶動下反射Y振鏡組第一振鏡上，第一振鏡將反射過來的激光一部分透射到第二振鏡上，另一部分光在第一振鏡偏轉帶動下反射經過F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成分光束1，同樣第二振鏡接收的光，一部分透射到第三振鏡上，一部分光在第二振鏡偏轉帶動下反射經過F-θ鏡聚焦到成型平面上，形成分光束2，同理Y軸振鏡系統有幾組鏡片，每次偏轉反射光均為總能量的幾分之一。

作為優選的技術方案，每一面振鏡均由電機驅動且可進行一定弧度的轉動，振鏡具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率隨振鏡排列順序的變化而變化；陣列振鏡的間距可調，每面振鏡的驅動電機采用同步驅動或異步驅動的方式。

作為優選的技術方案，當陣列振鏡數目為n時，沿光路方向的第一面振鏡將反射1/n倍光束能量，其余光量均透射到第二面振鏡，第二面振鏡將反射剩余光束能量的1/((n-1))并透射其余光量，以此類推，光路的最后一面振鏡為全反射鏡，將接受到剩余的1/n倍光量并全部反射，其中n為大于1的正整數。

作為優選的技術方案，所述Y軸振鏡系統由電機驅動可進行小弧度的旋轉，其轉軸方向與X軸陣列振鏡系統的軸心線垂直，所述Y軸振鏡系統為當X軸或者Y軸振鏡系統為單振鏡時，單振鏡為全反射鏡片，將接收到的Y軸振鏡系統接收到經X軸陣列振鏡系統反射的等光強平行光束組并全部反射。

作為優選的技術方案，出光口位于陣列掃描振鏡系統底部，外接F-θ鏡，由Y軸振鏡系統反射的n束等光強平行光束通過出光口并經F-θ鏡聚焦，在成型平面上形成了一組個數為n的陣列光斑。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

本實用新型由于采用以上方案，使得這種多光束陣列振鏡掃描系統有效提高了激光掃描的效率并且大幅度降低了技術成本。具有透射和反射功能的陣列振鏡，通將不同反射率和透射率的鏡片按一定規律排列在入射光路上，很好的實現了均勻分光的功能。由激光器產生的大功率激光經過陣列振鏡并被均勻分成多束低功率等光強的平行光束，再經過F-θ鏡聚焦到成型平面上形成滿足需要的一組陣列光斑。這種陣列掃描振鏡系統在X軸方向(或Y軸方向)上為多光束掃描，因此與傳統的雙振鏡單光束掃描振鏡系統相比，其加工效率將會成倍增長，增長的倍數與振鏡的陣列數目相同，這將極大的降低加工時間和加工成本。

附圖說明

圖1是本實用新型中多光束陣列振鏡掃描系統上視圖。

圖2是本實用新型中多光束陣列振鏡掃描系統正視圖。

圖3是本實用新型中多光束陣列振鏡掃描系統的軸視圖。

圖4是本實用新型中多光束陣列振鏡掃描系統案例圖。

圖5(a)-圖5(c)是本實用新型相同掃面區域中三光束陣列振鏡掃描系統的三種不同重合度光斑的掃描效果圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

如圖1至4所示,本實用新型設計的一種多光束陣列振鏡掃描系統包括進光口1、X軸陣列振鏡系統2、Y軸振鏡系統3、出光口4和振鏡框體結構5，所述振鏡框體結構5內部設有X軸陣列振鏡系統2和Y軸振鏡系統3，所述X軸陣列振鏡系統2或Y軸振鏡系統3為多個軸心線相互平行的振鏡組成，經擴束鏡擴束后的激光通過進光口1進入陣列振鏡掃描系統內部，光束到達X軸陣列振鏡系統2或Y軸振鏡系統3被分為n束光強相同的平行光束，該平行光束經過出光口4并被F-θ鏡聚焦到成型平面上形成一組個數為n的光斑。X軸陣列振鏡系統有兩方面的作用：(1)將光束能量平分；(2)每個振鏡運動是單獨電機控制的偏轉角度，平分光束在振鏡單元偏轉后，光束會發生一定的偏轉，從而控制光束在X方向的位置。經過X軸振鏡分光及X軸振鏡偏轉帶動下在X方向移動的光束，投射到Y軸振鏡上，在Y軸振鏡偏轉帶動下，光束在Y方向上移動。因此本系統實現功能是光束是X軸振鏡分光并在分光束分別在各個振鏡偏轉帶動下實現在X方向任意移動，并投射到Y軸振鏡，在Y軸振鏡偏轉反射帶動下，N組光束在Y方向上移動，從而實現N組光束在X方向位置可控運動，在Y方向同步運動。分光之間的距離在X軸振鏡控制，但是在Y軸行進的距離和長度是同步的。在X軸振鏡控制上，分光也可以實現光合并，如在單獨X振鏡控制下，分光1，分光2合并一束，分光3，分光4在X軸位置一樣，那么光束也可以實現合并，這樣4束分光可以變為兩束。如控制在X軸位置一樣的話，四束分光又可以變為一束。在Y方向上起止點只能同步。本實施例以X軸陣列振鏡系統2為多組鏡，Y軸振鏡系統為單振鏡進行闡述，而Y軸振鏡系統3為多組鏡，X軸陣列振鏡系統為單振鏡的原理與之相同。XY振鏡調換(X為單振鏡，Y為陣列振鏡系統)，也就可以實現Y方向分束，X方向運動同步。

如圖1至圖4所示，進光口1外接擴束鏡，激光器發出的激光經過擴束鏡擴束后，以一定直徑的平行光束通過進光口，進入陣列掃描振鏡系統內部。

如圖1至圖4所示，所述X軸陣列振鏡系統2由多個軸心線相互平行的振鏡組成，是本掃描振鏡系統的核心結構，每一面振鏡均由電機驅動可進行一定弧度的轉動，振鏡具有反射和透射光束的功能，其透射率和反射率隨振鏡排列順序的變化而變化，當陣列振鏡數目為3時，沿光路方向的第一面振鏡2-1將反射1/3倍光束能量，其余光量均透射到第二面振鏡2-2，第二面振鏡將反射剩余光束能量1/2并透射其余光束能量，光路的最后一面振鏡2-3為全反射鏡，將接受到剩余的1/3倍光量并全部反射。

如圖1至圖4所示，Y軸振鏡系統3由電機驅動可進行小弧度的旋轉，其轉軸方向與X軸陣列振鏡系統2的軸心線垂直，Y軸振鏡系統3為全反射鏡片，Y軸振鏡系統3接收到經X軸陣列振鏡系統2反射的等光強平行光束組并全部反射。

如圖1至圖4所示，出光口4位于陣列掃描振鏡系統底部，外接F-θ鏡，由Y軸振鏡系統3反射的3束等光強平行光束通過出光口并經F-θ鏡聚焦，在成型平面上形成了一組個數為3的陣列光斑。

如圖1至圖4所示，X軸陣列振鏡系統2和Y軸振鏡系統3分別控制成型平面上陣列光斑在X方向和Y方向上的運動，掃描體統中X軸和Y軸是等價的，可以互換，陣列振鏡的間距可變，可以通過改變陣列振鏡間距來調整成型平面上光斑的間距，下圖示出了相同掃面區域中三光束陣列振鏡掃描系統的三種不同重合度光斑的掃描效果：

圖5(a)圖中的光斑重合度為0，熔道寬度為l₁，掃描次數為3；圖5(b)圖中的光斑重合度為50％，熔道寬度為l₂，掃描次數為4.3；圖5(c)圖中的光斑重合度為100％，熔道寬度為l₃，掃描次數為9，三種掃描方式的熔道寬度之間的關系為：

l₁＝1.5l₂＝3l₃

三種掃描方式中，熔道搭接率均為0，通過改變陣列振鏡的間距可實現不同加工環境下激光掃描效率的最大化。

如圖1至圖4所示，振鏡框體結構5為不透光并密封的箱體結構。

如圖1至圖4所示，這種多光束陣列振鏡掃描系統適用于以激光為能量源的激光選區熔化/燒結(SLM)、激光選區燒結(SLS)成型以及激光打標技術中。

綜上所述，陣列掃描振鏡系統在X軸方向(或Y軸方向)上為多光束掃描，因此與傳統的雙振鏡單光束掃描振鏡系統相比，其加工效率將會成倍增長，增長的倍數與振鏡的陣列數目相同，這將極大的降低加工時間和加工成本，可較好地實現本實用新型。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。