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掃描儀|使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度

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掃描儀|使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度

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【掃描儀|使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度】掃描儀|使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度

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江蘇激光聯盟導讀：
本文探討了使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度的方法 。
機床制造商要求在許多材料激光加工應用中降低成本 ， 如增材制造、薄膜燒蝕、表面構造、清潔和箔切割 。 所有市場都以同樣的方式領先激光和光電元件供應商 ， 以提高可用激光功率的產量和產量 。 降低成本的一個可行方法是使用現有的機器組件 ， 升級激光功率 ， 并部署先進的掃描技術 ， 以獲得五到十倍的吞吐量 。 因此 ， 他們大幅提高了每部分成本或每小時成本 。
上述已建立的工業應用主要使用激光和galvo掃描儀在顯微鏡范圍內進行遠程處理 。 這將光束偏轉限制在10 ms–1的掃描速度 。 在工藝質量要求范圍內 ， 平均功率僅為100W 。 一些制造商使用具有多條光路和多個galvo掃描儀的分束器 。 這樣的設置很復雜 ， 需要精確校準 。
在過去的十年中 ， IPG激光將高亮度的cw激光光源的平均功率從1 kW提高到10kw (YLR和YLS單模系列) 。 這里顯示的所有結果都是由典型的M2為1.1到1.5的高亮度光纖激光器完成的 。 此外 ， MITT-WEDA應用科學大學激光研究所提供的超高速多邊形掃描儀(圖1)使光束的偏轉達到1000米S-1 ， 解決了處理速度的瓶頸 。

圖1高速二維多邊形掃描儀：掃描儀的原理設置（a） 。 多邊形掃描儀安裝在加工裝置內 ， 并連接到3kWIPG光纖激光器（b） 。
透視超快多邊形掃描儀
多邊形掃描儀使用特殊的光學設計（圖1a） ， 以最小化多邊形驅動的二維掃描系統的其他可見失真 。 對于第二個掃描軸 ， 使用常規振鏡軸（掃描系統的慢軸） 。 盡管反射面數量較多 ， 但特殊多邊形反射鏡的有效面數為8 。 多邊形輪將入射光束的偏轉降低至直徑31 mm（自由孔徑） 。 因此 ， 商用f-theta光學元件可以連接到掃描系統上 。 由此產生的掃描速度（偏轉激光束到樣品表面的相對速度）取決于應用的f-θ光學元件和選擇的多邊形反射鏡旋轉速度 。 最大轉速超過10000轉/分 。 通過選擇420 mm焦距 ， 在1.3 kHz的線頻率下 ， 可實現的最大掃描速度為1000 m s–1 。 焦距越短 ， 最大掃描速度越小 ， 焦距越大 ， 最大掃描速度越大 。 由于大的自由孔徑和相應的光束直徑 ， 可以實現微加工的小光斑尺寸 。
除了光學裝置外 ， 還大力開發了超快轉向電子設備 ， 因為快速光束偏轉需要高速電子設備來瞬時計算掃描位置并進行額外校正 。 因此 ， 掃描器中使用了一個循環時間為5ns的主要并行工作FPGA邏輯 。 兩個600 MHz處理器用于通信 。 對于所需的高速微處理 ， 在多邊形的每個掃描線（多邊形線=快軸）期間必須處理大量數據 。 在最高速度下 ， 每秒必須處理超過80MB的數據 。 由于在特定掃描位置（實時系統）需要額外的即時數據輸出 ， 因此不可能進行動態傳輸 。 因此 ， 多邊形掃描儀本身包含1 GB的DDR Ram ， 最大數據速率為每秒800 MB 。
掃描儀可以在三種不同的操作模式下工作：在位圖模式下 ， 高達32位的灰色編碼位圖表示必須應用于每個掃描位置的激光功率 。 在深度貼圖模式下 ， 內部存儲的位圖包含每個掃描位置的深度信息 。 通過對整個掃描場進行多次循環輻照 ， 可以進行2.5D雕刻 。 在矢量模式下 ， 將STL文件（表面細分語言）加載到內存中 ， 多邊形掃描儀根據選擇性激光燒結的需要對3D數據進行實時切片 。 對于三種操作模式以及快速掃描速度下所需的微處理 ， 必須應用高功率激光器的快速切換 。 到目前為止 ， 該掃描儀已使用高達3kW的連續激光源、峰值功率高達10kW的納秒脈沖系統和超短脈沖系統進行了測試 。 進一步的步驟將是應用10kW的單模連續光纖激光器系統 。

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