一种具有矫形功能的激光3D打印方法及其系统与流程

本发明涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种具有矫形功能的激光3d打印方法及其系统。

背景技术：

3d打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

激光烧结技术利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，最终成品的强度远远优于其他3d打印技术。然而，在激光3d打印中，当激光光束以扫描方式做大幅面的3d打印时，聚焦光斑的大小在扫描幅面内通常不是固定不变的，而这种光斑大小的不一致性会影响3d打印的质量，因此确保聚焦光斑的大小在扫描幅面内具有一致性对3d打印尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有矫形功能的激光3d打印方法及其系统，其解决了现有3d打印过程中光斑一致性的技术问题。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：

本发明的一种具有矫形功能的激光3d打印方法，其包括以下步骤：

第一步、测量扫描幅面内各点的投影特性，获得矫形前幅面内各点处的聚焦光斑变形量；

第二步、根据第一步的测量结果设置光斑矫形装置针对幅面内各点的补偿量，使得幅面内各点处的聚焦光斑大小具有一致性；

第三步、开启激光器，动态配合矫形装置与扫描装置进行激光3d打印。

进一步的，所述第三步之后还包括：

第四步、采用连续激光或脉冲激光对粉末进行3d烧结；

第五步、利用短脉宽激光对3d烧结的部件进行激光诱导的激波冲击；

第六步、采用连续激光或脉冲激光对3d烧结的部件进行抛光处理。

实现如上述具有矫形功能的激光3d打印方法的系统，其包括：工控机；连接并由所述工控机控制的脉宽可调的激光器、扩束装置、光斑矫形装置及激光扫描装置；以及连接并由所述工控机控制的、接受所述激光扫描装置的扫描以进行工件3d打印的粉末盒。

其中，所述的光斑矫形装置包括：一对可做相对旋转和平移的柱透镜。

其中，所述的光斑矫形装置包括：一柱透镜，以及位于所述柱透镜后方的成像系统，所述柱透镜可相对所述成像系统做相对旋转和平移。

其中，所述的成像系统包括：一对透镜。

其中，所述的粉末盒上还设有一粉末供给装置。

其中，所述的粉末盒还设有粉末清理装置和粉末收集装置。

与现有技术相比，本发明通过精确控制光斑矫形装置的补偿量可以确保聚焦光斑的大小在扫描幅面内具有一致性，从而确保3d打印的质量。同时，在3d打印的过程中通过改变激光脉冲宽度来控制激光烧结的程度，改善在打印过程中出现孔隙、过烧及球化现象的情况，提高致密度。

附图说明

图1为本发明的具有矫形功能的激光3d打印系统的第一实施例的功能模块框图。

图2为本发明的具有矫形功能的激光3d打印系统的第二实施例的功能模块框图。

图3为本发明的采用具有矫形功能的激光3d打印系统的3d打印方法流程图。

具体实施方式

以下参考附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

请参阅附图1，在本实施例中，请参照图1和附图2，本实施例的具有矫形功能的激光3d打印系统主要包括工控机，激光器，激光扫描装置及粉末盒。工控机控制激光扫描装置激光器对放置于粉末盒内的粉末进行3d打印，其中，所述激光扫描装置包括用于对激光光束进行矫形的光斑矫形装置。

其中，工控机与激光扫描装置及粉末盒连接，并控制激光扫描装置及粉末盒，对粉末盒内的材料进行3d打印。

请再次参阅附图1，在第一实施例中：

激光扫描装置包括：连接于工控机1并根据工控机1的控制调节脉宽的激光器2、连接于激光器2的扩束装置3，连接于扩束装置3后方的光斑矫形装置4，以及对粉末盒7进行激光扫描的振镜透镜组件，所述振镜组件包括振镜5，以及设于所述振镜5后方的透镜6，经所述透镜6后的激光光束作用于粉末盒7。

在本实施例中，光斑矫形装置4包括一对可做相对旋转和平移的柱透镜41和42。

其中，粉末盒7上还设有粉末供给装置71。

其中，上述粉末盒7还包括：连接于粉末盒7的粉末清理装置72和粉末收集装置73，用于对3d打印后的粉末进行收集和清理。

其中，光斑矫形装置的工作原理如下：通常激光光束通过激光扫描装置后在聚焦平面(扫描幅面)内的光斑大小是不一致的，例如会在某个方向上拉伸而形成椭圆光斑。矫形装置可以针对聚焦平面内的各点，做出反向的补偿从而使得聚焦平面内的光斑大小具有一致性。例如，当聚焦光斑在大幅面内某一点会因x方向拉伸而形成椭圆光斑时(事实上，扫描幅面内各点的投影特性都是预先可知的)，通过控制矫形装置(相对旋转和/或平移)使得入射扫描装置的激光光束呈y方向拉伸的椭圆，即反向补偿，从而确保大幅面内的聚焦光斑始终呈圆形。通过精确的控制矫形装置的补偿量可以确保聚焦光斑的大小具有一致性。

请再次参阅附图2，在第二实施例中：

激光扫描装置包括：连接于工控机11并根据工控机11的控制调节脉宽的激光器12、连接于激光器12的扩束装置13，连接于扩束装置13后方的光斑矫形装置14，以及对粉末盒17装置进行激光扫描的振镜透镜组件，所述振镜组件包括振镜15，以及设于所述振镜15后方的透镜16，经所述透镜16后的激光光束作用于粉末盒17。

在本实施例中，光斑矫形装置14包括一柱透镜141，以及位于所述柱透镜141后方的成像系统，所述柱透镜141可相对所述成像系统做相对旋转和平移。所述成像系统包括一对可做相对平移的透镜142和143。

其中，粉末盒17上还设有粉末供给装置171。

其中，上述粉末盒17还包括：连接于粉末盒17的粉末清理装置172和粉末收集装置173，用于对3d打印后的粉末进行收集和清理。

该光斑矫形装置14的工作原理同上，在此不予以赘述。

请参阅附图3，本实施例还公开了一种采用上述具有矫形功能的激光3d打印系统的3d打印方法，该方法包括以下步骤：

第一步s1、测量扫描幅面内各点的投影特性，获得矫形前幅面内各点处的聚焦光斑变形量；

第二步s2、根据第一步的测量结果设置光斑矫形装置针对幅面内各点的补偿量，使幅面内各点处的聚焦光斑大小具有一致性；

第三步s3、开启激光器，动态配合矫形装置与扫描装置进行激光3d打印。

进一步的，所述第三步s3之后还包括：

第四步s4、采用连续激光或脉冲激光对粉末进行3d烧结；

第五步s5、利用短脉宽激光对3d烧结的部件进行激光诱导的激波冲击；第六步s6、采用连续激光或脉冲激光对3d烧结的部件进行抛光处理。

此外，当3d打印涉及多种材料的粉末，如相邻层采用不同的材料(粉末)，或同一层不同位置采用不同的材料(粉末)，根据各材料(粉末)的光学特性选择合适的激光波长、脉冲能量和脉宽，应用上述工艺，实现功能梯度材料的打印、冲击和抛光。

本实施例的工件的3d打印系统通过对激光束的脉冲宽度进行调节来改变粉末吸收的能量，进而改变粉末的颗粒的熔化量，从而降低熔体粘度和表面张力，增加熔池深度和宽度，使得颗粒间的粘结力增加，进而增加工件的致密度，并且增加了矫形装置，确保聚焦光斑的大小在扫描幅面内具有一致性，从而确保3d打印的质量。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。