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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(lián)盟導(dǎo)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(jī)床制造商要求在許多材料激光加工應(yīng)用中降低成本 ， 如增材制造、薄膜燒蝕、表面構(gòu)造、清潔和箔切割 。 所有市場(chǎng)都以同樣的方式領(lǐng)先激光和光電元件供應(yīng)商 ， 以提高可用激光功率的產(chǎn)量和產(chǎn)量 。 降低成本的一個(gè)可行方法是使用現(xiàn)有的機(jī)器組件 ， 升級(jí)激光功率 ， 并部署先進(jìn)的掃描技術(shù) ， 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(shí)成本 。
上述已建立的工業(yè)應(yīng)用主要使用激光和galvo掃描儀在顯微鏡范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程處理 。 這將光束偏轉(zhuǎn)限制在10 ms–1的掃描速度 。 在工藝質(zhì)量要求范圍內(nèi) ， 平均功率僅為100W 。 一些制造商使用具有多條光路和多個(gè)galvo掃描儀的分束器 。 這樣的設(shè)置很復(fù)雜 ， 需要精確校準(zhǔn) 。
在過(guò)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(jié)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(yīng)用科學(xué)大學(xué)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(zhuǎn)達(dá)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(shè)置（a） 。 多邊形掃描儀安裝在加工裝置內(nèi) ， 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(xué)設(shè)計(jì)（圖1a） ， 以最小化多邊形驅(qū)動(dòng)的二維掃描系統(tǒng)的其他可見(jiàn)失真 。 對(duì)于第二個(gè)掃描軸 ， 使用常規(guī)振鏡軸（掃描系統(tǒng)的慢軸） 。 盡管反射面數(shù)量較多 ， 但特殊多邊形反射鏡的有效面數(shù)為8 。 多邊形輪將入射光束的偏轉(zhuǎn)降低至直徑31 mm（自由孔徑） 。 因此 ， 商用f-theta光學(xué)元件可以連接到掃描系統(tǒng)上 。 由此產(chǎn)生的掃描速度（偏轉(zhuǎn)激光束到樣品表面的相對(duì)速度）取決于應(yīng)用的f-θ光學(xué)元件和選擇的多邊形反射鏡旋轉(zhuǎn)速度 。 最大轉(zhuǎn)速超過(guò)10000轉(zhuǎn)/分 。 通過(guò)選擇420 mm焦距 ， 在1.3 kHz的線頻率下 ， 可實(shí)現(xiàn)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(yīng)的光束直徑 ， 可以實(shí)現(xiàn)微加工的小光斑尺寸 。
除了光學(xué)裝置外 ， 還大力開(kāi)發(fā)了超快轉(zhuǎn)向電子設(shè)備 ， 因?yàn)榭焖俟馐D(zhuǎn)需要高速電子設(shè)備來(lái)瞬時(shí)計(jì)算掃描位置并進(jìn)行額外校正 。 因此 ， 掃描器中使用了一個(gè)循環(huán)時(shí)間為5ns的主要并行工作FPGA邏輯 。 兩個(gè)600 MHz處理器用于通信 。 對(duì)于所需的高速微處理 ， 在多邊形的每個(gè)掃描線（多邊形線=快軸）期間必須處理大量數(shù)據(jù) 。 在最高速度下 ， 每秒必須處理超過(guò)80MB的數(shù)據(jù) 。 由于在特定掃描位置（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）需要額外的即時(shí)數(shù)據(jù)輸出 ， 因此不可能進(jìn)行動(dòng)態(tài)傳輸 。 因此 ， 多邊形掃描儀本身包含1 GB的DDR Ram ， 最大數(shù)據(jù)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(dá)32位的灰色編碼位圖表示必須應(yīng)用于每個(gè)掃描位置的激光功率 。 在深度貼圖模式下 ， 內(nèi)部存儲(chǔ)的位圖包含每個(gè)掃描位置的深度信息 。 通過(guò)對(duì)整個(gè)掃描場(chǎng)進(jìn)行多次循環(huán)輻照 ， 可以進(jìn)行2.5D雕刻 。 在矢量模式下 ， 將STL文件（表面細(xì)分語(yǔ)言）加載到內(nèi)存中 ， 多邊形掃描儀根據(jù)選擇性激光燒結(jié)的需要對(duì)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)切片 。 對(duì)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(yīng)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(dá)3kW的連續(xù)激光源、峰值功率高達(dá)10kW的納秒脈沖系統(tǒng)和超短脈沖系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試 。 進(jìn)一步的步驟將是應(yīng)用10kW的單模連續(xù)光纖激光器系統(tǒng) 。

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