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光束扩散器在激光增材制造领域的应用

作者: 时间:2022-04-08

光束扩散器是一种光学组件,可将通过它们传播的光束的照明模式改变为所需的光强度分布。本文介绍了一些利用激光束整形优势的增材制造创新方法。

光束扩散器增材制造的简单描述

增材制造(AM)是指各种技术,其中材料层在计算机控制的过程中相互叠加,以从CAD或其他方式生成的3D模型形成三维对象,而不是传统的减材制造,其中材料通常被去除。

AM加工是通过制造更轻、更强的零件和系统,与传统方法相比具有一些固有的优势。随着近年来工艺精度的提高,AM已成为许多不同工业领域的宝贵生产方法,包括食品工业、航空航天、汽车、医疗保健等。

AM相关的其他术语包括“3D打印快速原型制作,以及AM的子集,通常在使用类似技术的家庭和产品开发应用程序中提及。

今天有许多不同的技术可用于执行各种增材制造工艺,其中许多是基于激光的,其中激光用作加热源以实现材料的选择性融合,无论是熔化状态还是烧结状态,不同的技术导致不同级别的层内材料密度,也可以适用于不同的材料。


光束扩散器激光束整形光束扩散器是一种光学组件,可将通过它们传播的光束的照明模式改变为所需的光强度分布,通常是均匀和同质的光强度分布,其设计特性由工艺参数决定。

有多种基于不同光学概念的光束扩散器:

衍射扩散器,它改变光的相位以产生所需的辐射。衍射扩散器的特点是高均匀性和锐利的边缘。

宽带扩散器,也称为工程扩散器,是一种折射组件,非常类似于基于几何光学的微透镜阵列,其排列和透镜高度决定了输出形状和质量。其特点是均匀度高、效率高。

宽带混合扩散器在其设计中结合了衍射和折射特性,可产生具有独特边界的高效率、高均匀度的锐利形状。Holo/Or的宽带扩散器就是这样的混合元件。

与标准高斯光束相比,其他用于将光扩散到更均匀的强度分布的方法也是可用的,但上述方法是最常见的方法,可产生最佳输出参数。


使用光束扩散器激光束整形AM工艺优化

通常,通过使用不同的激光束扩散器参数来优化不同的工艺。使用的技术、输入激光束直径、光学设置、粉末材料类型等工艺参数都会对精确的照明模式产生影响,从而为特定应用提供最佳性能。

以激光金属沉积(LMD)为例,比较研究表明,由于其能量均匀,温度梯度小,使用光束扩散器产生的环形光束比使用高斯光束的工艺性能要好。在许多性能指标上发现了优势,包括工件中较小的残余应力,减少热量积累,避免过度烧结和稀释,细化晶粒尺寸和改善涂层的表面质量。这项技术被广泛应用于汽车工业、航空和航天、能源技术、石油化工和医疗技术等行业。在选择性激光熔化(SLM)中,研究表明,与简单的高斯光束相比,具有中心光斑的环形可以改善熔池动力学,从而产生更稳定的熔池。这能够消除内部应力断裂,从而以非常高的构建速率生产完全致密的材料。


光束扩散器的常见问题

什么是光束扩散器?

光束扩散器是一种光束整形器,也叫做衍射扩束器,通常从通过它的输入光束产生均匀、均匀的照明。扩散器还可以将光束整形为几乎任何所需的强度分布。


有哪些类型的光束扩散器?

当今市场上有各种类型的光束扩散器,最常见的是衍射扩散器和宽带扩散器,它们是微透镜阵列的一个子部分。


光束扩散器增材制造中使用什么激光束整形?

不同的工艺从不同的强度分布中获益。例如,在激光金属沉积中,由于其均匀的能量分布和较小的温度梯度,环形光束被证明能产生卓越的工艺效果。在选择性激光熔化中,具有中心光斑功率的环形模式能够在高质量的情况下实现更高的生产量。


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