激光烧结或固化3D成型机的群扫描标定及辅加热方法与流程

本发明属于机电领域，确切的讲是通过群扫描方式实现逐层对粉末材料的选择性烧结(SLS)或固化(SLA)方法及用该方法所制造的3D成型机。

[技术背景]

快速成型工艺发展至今已近三十年，以立体光固化(SLA)(Stereo lithography Apparatus)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积(FDM)、分层实体制造(LOM)和3D打印(3D-P)为代表的成型方法发展日趋成熟，多种方法的工业应用范围在不断地扩展，为越来越多的企业所接受和认可。近些年来，快速成型的研究热点主要为成型材料和工业应用。

目前国际上从事SLS研究的机构主要有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司和华中科技大学。本技术涉及SLS选择性激光烧结技术，是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件.其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等.

整个工艺装置由供料粉末缸和成型粉末缸组成,首先，将零件的三维模型转化为STL格式文件，然后用分层软件对其进行分层处理，即“离散化”过程。在开始加工之前，先对成型室进行预热。工作时供料粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型粉末缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面.粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层.如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型.最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合.最后，经打磨、烘干等后处理后，即可制作完成满足需求的原型或零件。若成型材料为金属粉末，还需要控制成型室气氛，通人氮气、氢气、氩气等保护气体，以避免金属粉末在高温下氧化。

从理论上讲，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛.从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料.目前,从材料属性上分类，可大致分为金属粉末、塑料粉末和陶瓷粉末。具体可选用的材料包括聚苯乙烯粉、尼龙粉、聚碳酸酯粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉、覆裹尼龙的玻璃粉、覆脂砂、覆蜡陶瓷粉、覆蜡金属粉等。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用越来越广泛.

SLA工艺与SLS类似；其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。

但是大多数成型设备的激光组件的成本较高，因复杂的高频振镜系统很是昂贵，动态光束的会聚成本颇高，所以采用昂贵而短寿的单一大功率激光器作为能量来源严重阻碍了快速成型技术的推广。

[技术方案]

本发明的目的就在于克服目前的技术不足之处，基于选择性激光烧结的铺粉烧结原理，本文提出了一种能保证成型精度及速度的前提下，采用廉价而长寿命的半导体激光器件，从而极大的降低成型设备的制造费用及使用成本，且还改善了成型速度。

激光群扫描法是本发明方法的核心:

用多个独立的小功率激光器组成阵列，其聚焦的光点将构成激光光点阵列(20)，形成众多微扫描区域(22)；扫描线(21)将同步生成。当激光光点的移动范围(振幅)，分别等于行及列方向的光点间距时，且当行的扫描频率远大于列的扫描频率情况下，此乃逐行扫描状态(等效于CRT电视的行场扫描：行的扫描频率较高，桢的扫描频率较低)，光电会覆盖所有区域。

由于群扫描方式；如果激光阵列为：MxN，将会使得2个方向的扫描频率减少M及N倍，振幅也减小M及N倍，驱动的机械难度大大的降低了，振镜系统变得容易一些了，甚至可以直接使用机械位移驱动来回避复杂的振镜系统及聚焦汇聚系统，系统稳定简单，而且由于激光器的数量为MXN个，因而单个激光器的功率被允许下降MN倍；可以选取半导体激光器件，成本及寿命又进一步降低，但要注意选取半导体激光器件的一致性的品质，还有一个优点是:激光器件的更换也变得容易了；M,N的数值可以为2-200个或是更多；半导体器件成本低、寿命长性能稳定体积小,驱动便捷；因而低成本小型化的桌面级别的机器就成为现实。

扫描的机械实现可以通过，转轴往复转动方式(转动驱动式)、直线往复振动方式(直线驱动式)、振镜反射方式(振镜反射式)。无论是那种方式，由于振幅都很小，不会出现激光束聚焦平面过大的偏离液面或粉槽的粉平面情况。

群扫描法有2种：即多区域动平衡群扫描法和单区域群扫描法：

多区域动平衡群扫描法是将扫描区域分成多块独立区域，每一块都在频率较高的那一方向上独立运动，且运动的相位反向，可以抵消振动与惯量，将会获得良好的动平衡。

单区域群扫描法：是一个统一区域的整体扫描方式，动平衡可以由外部器件抵消，以减少振动。

其3D成型整机的其他主要工作过程为：首先，将零件的三维模型转化为STL格式文件，然后用分层软件对其进行分层处理，即“离散化”过程。在开始加工之前，先对成型室进行预热。计算机即驱动电路根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面.粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层.如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型.最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合.最后，经打磨、烘干等后处理后，即可制作完成满足需求的原型或零件。

若成型材料为金属粉末，还需要控制成型室气氛，通人氮气、氢气、氩气等保护气体，以避免金属粉末在高温下氧化。

激光固化与烧结方式及其相近,只不过是将粉末料槽更换成液体料槽,浸在料槽里的升降台逐层下降,留出一定厚度的液态薄层,由激光扫描来固化成型.

概括来讲；群扫描激光选择性烧结或固化方法:其基本构成为激光器阵列,机械扫描驱动装置,物料槽,物料槽内的升降装置,电子处理部分组成；分为激光烧结方式或光固化方式；其激光烧结方式的工作原理为:先将零件的三维模型转化为STL格式文件，然后用分层软件对其进行分层处理，即“离散化”过程。在开始加工之前，先对成型室进行预热。计算机即驱动电路根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面.粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层.如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型.最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合.最后，经打磨、烘干等后处理后，即可制作完成满足需求的原型或零件；而激光固化与激光烧结方式及其相近,只不过是将粉末料槽更换成液体料槽,浸在料槽里的升降台逐层下降,留出一定厚度的液态薄层,由激光扫描来固化成型；无论是激光烧结方式或光固化方式,在扫描方式上都遵循群扫描法,该法的核心内容详述为:激光群扫描方法是使用多个独立激光器的光点构成激光光点阵列(20)，形成众多微扫描区域(22)；扫描线(21)将同步生成。当激光光点的移动范围(振幅)，分别等于行及列方向的光点间距时，且当行的扫描频率远大于列的扫描频率情况下，此乃逐行扫描状态(等效于CRT电视的行场扫描：行的扫描频率较高，桢的扫描频率较低)，光电会覆盖所有区域；由于群扫描方式；如果激光阵列为：MxN，将会使得2个方向的扫描频率减少M及N倍，振幅也减小M及N倍，驱动的机械难度大大的降低了，振镜系统变得容易一些了，甚至可以直接使用机械位移驱动来回避复杂的振镜系统及聚焦汇聚系统，系统稳定简单，而且由于激光器的数量为MN个，M,N的数值可以为2-200个或是更多；因而单个激光器的功率被允许下降MN倍；可以选取半导体激光器件，成本及寿命又进一步降低，但要注意选取半导体激光器件的一致性的品质，还有一个优点是:激光器件的更换也变得容易了；而群扫描法有分为：多区域动平衡群扫描法和单区域群扫描法；多区域动平衡群扫描法是将扫描区域分成多块独立区域，每一块都在频率较高的那一方向上独立运动，且运动的相位反向，可以抵消振动与惯量，将会获得良好的动平衡；单区域群扫描法：是一个统一区域的整体扫描方式，动平衡可以由外部器件抵消，以减少振动；；其根本技术特征：使用多个并行工作的MxN个激光器件进行机械扫描来完成烧结或固化工作，其扫描振幅等于或略大于激光器件排列方阵的点阵间距；其扫描区域分为多区域动平衡群扫描和单区域群扫描；机械扫描的驱动可以是振镜反射式、直线驱动式、转动驱动式。

激光聚焦点阵列的位置偏移决定于几个要素：镜头的加工及安装误差、激光阵列组件的加工及安装误差、激光器件本身的加工及安装误差等的累积结果，即使在最为精细的加工条件及工装条件下，也不易使得激光焦点阵列的坐标偏移离散度数值限制在30微米内，必须对激光阵列进行校准标定，才能满足只有2丝(20微米)精度偏差的机械系统，使得激光聚焦点位于准确的方形点阵阵列中,X、Y方向上的相临点之间的间距一致，误差需要控制在在1-2丝之内。

具体方法分为：绝对标定(校正)法或相对标定法:

所谓绝对标定法是指:

依托机械系统的相对位置调整校正及锁定如：各镜头的平移锁紧、激光器件的平移锁紧、相关光学支架的加工及安装误差等；上述3种调整量不用同时实施,只实施1个单项或同时实施2个项目既可以.绝对调整的难度在于机械加工的精度掌握及组件之间的精细配合,调整位移量的可控制性及调整后的锁定等等.

所谓相对标定法是指:

对组件的机械加工精度有所放宽；但装配的稳定性被有所强化；激光组件装配完毕后,不用去调整任何激光组件的安装位置,只需要测量激光聚焦点的实际位置,并将所有激光聚焦点的实际坐标值输入电子运算及驱动的模块部分中；在激光群扫描完成切片烧结过程时,电子模块运算每一个激光聚焦点的坐标偏差数值,安排合理的时序控制决定每一个激光器的开关,为了容纳激光聚焦点的扫描面积的冗余问题,需要将群扫描的方形面积超过并覆盖邻近的4个理想激光聚焦点连线所围的4边形的面积,即相邻的激光聚焦点的扫描区域都互有重合；每一个激光聚焦点根据切片部位的绝对坐标情况；独立完成烧结过程,符合实际切片的几何形状及位置.

标定诸激光聚焦点的坐标值有2中方式:光触摸屏直接标定式及坐标纸烧点再读取式:以下进行分别解释:

光触摸屏直接标定式是指:在传统的光学触摸系统是在显示器的两个相邻斜面边缘放置光敏元件，用于分析系统、确定触摸动作。外来光点照射在该传感时，就会在相应光传感元件处引起光测量值。光传感的输出测量值可以用于确定出照射光点的坐标。通常控制器是扫描光传感阵列，因此这项技术有时被称为"扫描IR"。要避免强光直射下的干扰这个问题，提高光敏的阈值及遮蔽干扰光线也是必要的。

坐标纸烧点再读取式是指:在精细坐标纸上进行灼烧出微小的黑点,然后再根据坐标纸的坐标线,标定读取每一个微小的黑点的坐标值；需要将坐标纸放入粉槽中,在烧点过程中精细坐标纸绝对避免被移动；纸张的是否放正并无太大的影响；原因在于只需要标定诸之间的相对位置坐标关系,铺粉槽的运动方向与激光群扫描的扫描方向的垂直度的偏离将影响成型精度；由于群扫描的扫描位移量比振镜扫描方式的扫描长度小得多,因而垂直度的偏离的影响将远远小于振镜扫描方式的情况.

由于本激光束是采用聚焦方式来短程获得微小光斑的,稳定性及一致性远超过振镜扫描方式,改变光斑的直径十分方便,只需要改变激光器与铺粉烧结面的距离既可以.根据几何光学的光路特点可知:聚焦光束在焦点处光斑直径最小,偏离焦点的距离越大,光斑的直径越大.

为了满足不同分辨率的打印需求,因而可以通过群扫描激光组件的垂直方向(也就是Z轴方向)距离,或是单一改变铺粉槽的垂直方向(也就是Z轴方向)距离,也能获得同样的效果.改变烧结光斑大小后,需要再次进行对激光阵列进行校准标定,如果Z轴方向上的改变不大时,可以不用再次进行对激光阵列进行校准标定.在机械系统的实现上是通过位移群扫描激光阵列组件或铺粉系统来完成.

由于激光群扫描阵列是聚焦型光束,在面向粉末铺粉槽的方向上,随着距离的增加,光束群的有效面积越小,给加热器件的安装提供了空间位置,用于直接加热铺粉槽的粉层表面；因而可以非光束的通道中加入加热源如:带孔的面源加热源,孔是用于穿过激光束的；也可以安装线状的线状热源构件,激光束群穿过其线状的空隙部位；或者是使用点光源阵列,安装于相邻的4个激光阵列的中心区域；

为了使铺粉槽的粉层表面被加热均匀,可以将上述加热面阵的光源诸点的以环状分群进行独立控制,环状分群的特点是:中心处为1个独立的区域,由该区域向外拓展,再分成1—1000个的独立控制区域.每一个加热区域的热度控制为使得的温度均匀一致,误差仅仅在1度或10度之内,这是一个试验参数,与粉缸的周围供热条件有关,不管的如何；在上述固定在激光群扫描阵列前面加热源全部关闭时,4壁或5壁供热的粉缸的表面温度场分布一定是接近于中心对成状的；额外对低温区域的环状部位使用较高的加热功率,而较冷的环状部位使用较低的加热功率,能使得温度场控制在合理的均匀度.加热源安装于激光阵列组件接近粉缸或液缸的一面,穿插于激光群的空隙地带,不遮挡激光束；并进行环状分群,每一个环状区域的加热能量独立控制.

[附图说明]

(1)激光器单元

(2)激光光束

(3)激光器支架

(4)回摆轴线

(5)往复平移方向

(6)直线电机位移柱

(7)直线电机

(8)直线电机

(9)直线电机固定支架

(10)扭力电机转动轴

(11)扭力电机

(12)扭力电机固定支架

(13)粉末缸壳体

(14)成型粉末缸

(15)供料粉末缸

(16)铺粉辊

(20)扫描移动中的激光点

(21)扫描线

(22)微扫描区域

(23)激光点

(24)横往复位移值A

(25)纵往复位移值B

(29)振幅宽度

(30)光点区域单元

(31)光点区域单元

(32)光点区域单元

(33)位移方向

(34)位移方向

(35)位移方向

(36)正向等位移错动值

(37)反向等位移错动值

(40)LED透镜

(41)激光芯片

(42)聚焦激光束

(43)激光芯片电极引线

(44)辐射加热源支架

(45)辐射加热源

(46)辐射加热源阵列移出图

(47)激光及热源结构体

(48)激光束焦点

[实施案例]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1 激光群扫描方法示意图。

图2 群扫描激光选择性逐层烧结3D成型机主体构造示意图。

图3 多区域动平衡群扫描法示意图。

图4 在群扫描组件局部及所安装的辐射加热源示意图

如图1所示：

激光群扫描位移方法：使用多个独立激光器所投射的激光点(23)排成阵列(图中是8x10的阵列)，阵列的横向间距为A，阵列的纵向间距为B；扫描时横向振幅约等于横往复位移值A(24)，纵向振幅约等于纵往复位移值B(25)；实际振幅应该是间距减去光点直径；构成扫描移动中的激光点(20)，形成众多(80个)微扫描区域(22)；各扫描区的扫描线(21)将同步生成。

当激光光点的移动范围(振幅)，分别等于行及列方向的光点间距时，且当行的扫描频率远大于列的扫描频率情况下，此乃逐行扫描状态，光电会覆盖所有区域。

如图2所示：

群扫描激光选择性逐层烧结3D成型机主体构造的核心工艺装置由供料粉末缸(15)和成型粉末缸(14)组成,工作时供料粉末缸(15)底部的(送粉活塞)上升,再由铺粉辊(16)将粉末在成型粉末缸(14)表面上均匀铺上一层(在上一次完成烧结后，成型粉末缸活塞(工作活塞)会预先下降1层的高度，为接下来的铺粉留出空间)。

激光束的群扫描是：由固定在直线电机固定支架(9)上的直线电机(7)及(8)通过伸缩直线电机位移柱(6)来使得激光器支架(3)沿着水平(X)方向往复位移；所以与激光器支架(3)固定在一起的激光器单元(1)阵列也将随之沿着水平(X)方向往复位移；另外扭力电机固定支架(12)刚性固定在一起的扭力电机(11)的扭力电机转动轴(10)是与直线电机固定支架(9)刚性连接的，随着扭力电机转动轴(10)的转动与激光器支架(3)固定在一起的激光器单元(1)阵列也将随之绕Y轴：回摆轴线(4)转动；所以激光器单元(1)阵列将同时参与2种复合运动，每一个激光光束(2)的聚焦点将完成群扫描动作。(5)为直线电机固定支架(9)的往复平移方向，(13)是2个粉末缸壳体。

其整机的其他主要工作过程为：首先，将零件的三维模型转化为STL格式文件，然后用分层软件对其进行分层处理，即“离散化”过程。在开始加工之前，先对成型室进行预热。计算机即驱动电路根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面.粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层.如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型.最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合.最后，经打磨、烘干等后处理后，即可制作完成满足需求的原型或零件。

若成型材料为金属粉末，还需要控制成型室气氛，通人氮气、氢气、氩气等保护气体，以避免金属粉末在高温下氧化。

如图3所示：

将扫描阵列分成3个区域，分别是：光点区域单元(30)、光点区域单元(31)、不光点区域单元(32)；安排组件质量，使得光点区域单元(31)的质量近似等于光点区域单元(30)与光点区域单元(32)之和。

当使得光点区域单元(31)的正向等位移错动值(36)近似等于光点区域单元(30)与光点区域单元(32)的反向等位移错动值(37)时，且位相(运动方向)相反时，平动惯量相互抵消，动平衡最好。(29)为振幅宽度。

如图3所示：

LED透镜(40)可以将激光芯片(41)的激光汇聚成聚焦激光束(42)；(43)是激光芯片电极引线,(48)是激光束焦点；辐射加热源(45)固定在辐射加热源支架(44)上,形成激光及热源结构体(47),(46)是部分辐射加热源阵列移出图；与激光源一样的阵列,排列在激光源点阵的空余地带。