CN102116933A - 一种用于选择性激光烧结的激光扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于选择性激光烧结的激光扫描方法，是在选择性激光烧结过程中，利用激光束对制件的截面进行填充扫描，其特征在于：所述激光束的填充扫描路径为曲线或间断曲线或间断直线。该方法工艺控制简便、实用性强，对减小制件的翘曲变形、提高制件精度具有重要作用。

Description

一种用于选择性激光烧结的激光扫描方法

技术领域

本发明属于激光扫描方法，具体涉及一种用于选择性激光烧结技术的激光扫描方法。

背景技术

快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，自二十世纪八十年代末发展至今，己成为现代先进制造技术中的一项支柱技术。选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）是近年来发展最为迅速的快速成型技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体制件的截面进行逐层扫描完成原原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。SLS工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，加热装置将粉末加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，振镜控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，粉末熔化烧结并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。

在SLS技术中，激光能量、光斑尺寸、扫描间距、扫描速度、扫描路径等各项激光扫描参数都是影响SLS烧结质量的关键因素。在激光烧结成形中，被烧结的粉末要经历烧结、熔化、再凝固、粘结等热学变化过程，经受了突然的加热和冷却过程，当激光束照射到粉末表面时，粉末由初始温度突然升高到熔点温度，这时被照射的粉末和其周围未被照射的粉末之间形成了一个较大的温度梯度，会产生热应力，激光束扫描过后，被熔化的粉末立即冷却凝固，引起收缩，也会导致较大的残余应力，这两种应力的作用会使烧结体翘曲变形，烧结体翘曲变形的程度与温差成正比，扫描方式直接影响加工层面上的温度场分布，决定着由此引起的烧结体翘曲变形量，从而影响着制件的精度。而不同的扫描路径能量密度也不同，导致了成形件的强度不同。

在SLS制造过程中，通常使用轮廓扫描与填充扫描相结合的方式对实体制件的截面进行扫描。填充扫描主要为激光束沿x/y轴的变向直线扫描，相邻次扫描线的收缩应力方向相反，能减小整体应力对制件的影响；也有采取由内至外的轮廓环形扫描方式进行截面填充扫描，但该方式扫描速度较慢；有研究进一步采用轮廓环形扫描与分区变向扫描相结合的复合扫描方式来保证制件精度，但工艺控制较为复杂。为了进一步提高扫描速度，可以采取变光斑扫描的方式，即采用小光斑进行截面的轮廓扫描，充分保证制件精度，通过动态聚集的移动使光斑变大，对截面进行填充扫描，加大扫描间距，提高扫描速度，但这种方法要通过复杂的硬件系统调节得到实现，加大了系统难度，提高了设备与工艺成本。在收缩变形的问题上，现有技术仍未提出较好的解决办法。SLS技术的快速发展与应用范围的不断扩大，对制件的精度等提出了更高的要求，进一步开发合适的激光扫描方法，对提高制件质量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于选择性激光烧结的激光扫描方法，该激光扫描方法工艺控制简便、扫描效率高，利用该扫描方法对实体截面进行填充扫描，可以降低单位长度材料的收缩率，减小制件的翘曲变形，提高制件精度，改善SLS制件质量。

本发明提供的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，是在选择性激光烧结过程中，利用激光束对制件的截面进行填充扫描，所述激光束的填充扫描路径为曲线或间断曲线或间断直线。

所述曲线或直线为规则性线条。

所述曲线为波纹形曲线或螺旋形曲线。

所述波纹形曲线的波长为1 mm~5mm，所述螺旋形曲线的螺距为1 mm~5mm。

所述激光束的填充扫描路径中相邻波纹形曲线之间为平行排列。

所述激光束的填充扫描路径中相邻螺旋形曲线的螺圈部分呈交错排列。

所述间断曲线或间断直线的激光束的填充扫描路径是指在沿x/y轴进行激光扫描时，连续扫描一定线段长度后，隔一定间隔再完成相同线段长度的连续扫描，单次扫描包括若干次连续扫描线段及间隔。

所述线段的长度为1 mm~5 mm。

所述间隔的距离为1 mm~2 mm。

所述间断曲线或间断直线的激光束的填充扫描路径中相邻间断曲线或相邻间断直线的间隔呈交错排列。

在传统的直线形激光扫描方法中，单次扫描线只沿x/y轴一个方向连续变化，粉末材料直接在x/y向上发生收缩变形。采用本发明提供的曲线形激光扫描方法对截面进行填充扫描时，扫描的方向发生着周期性变化，一个周期曲线内扫描方向时刻在发生变化，粉末截面每一点所受的应力方向都不相同，由应力引起的材料收缩沿着曲线方向发生，各向应力的影响相互抵消、缓冲，曲线形扫描线具备了一定的弹性，在相同的材料收缩比条件下，单位长度材料的收缩量较直线形扫描减小了，从制件整体效果上看，降低了制件的翘曲变形，提高了制件精度。另一方面，曲线扫描模拟了大光斑扫描，在不需要改变激光光斑的情况下，增加了单次扫描的填充宽度，在扫描过程中可以增加扫描线间距，从而减少了完成同一截面需要的填充扫描次数，提高了SLS扫描效率。扫描路径的曲线形状可以为但不仅限于波纹形、螺旋形，在实际应用中可根据制件的形状、大小、精度等各方面要求进行曲线的规划设计与选择。采用螺旋形路径进行填充扫描时，相邻螺旋线的螺圈部分呈交错分布排列，这样一种排列方式可以保证激光扫描能量密度的均匀性。

采用本发明提供的间断式激光扫描路径对制件的截面进行填充扫描时，包含若干段连续扫描及若干段未被烧结的间隔，只有各段连续扫描线受应力影响发生收缩，间隔部分的未烧结粉末基本不发生理化性质改变，相同长度的材料中实际被烧结的材料长度减小了，在相同的粉末材料收缩比条件下，材料的收缩量大大减小；各段连续扫描线被未烧结粉末间隔开来，这些间隔使得单次扫描线的收缩不是连续发生的，缓冲了材料的整体收缩变形，对整个制件起到了一定的支撑固定作用，改善了制件的翘曲变形。间断式直线激光扫描走的是直线型路径，单次扫描线仍然沿x/y轴的一个方向变化，激光扫描路程短，扫描速度较快；间断式曲线激光扫描结合了间断式直线与曲线形激光扫描的特点，同时通过各向应力缓冲与间隔缓冲支撑的作用来降低材料的收缩、改善制件的翘曲变形。在间断式激光扫描路径中，相邻次扫描线的间隔呈交错分布排列，可以保证激光扫描能量密度的均匀。

本发明提供的SLS激光扫描方法不需要系统硬件的复杂变动，主要通过对软件算法等进行改进，由激光振镜系统控制实现，该扫描方式可以快速适用于各种SLS成型设备，工艺控制简便，技术实用性强。

不同的扫描方法对材料收缩率、扫描速度、工艺控制等各方面有不一样的影响。曲线形扫描路径可以通过x-y轴振镜系统控制，也可以通过一个附加振镜控制。单次波纹形激光扫描在x/y轴的其中一个轴向上是沿同一个方向运动的，在另一个轴向的运动同时存在+/-方向。在振镜控制过程中，如果采取x-y轴振镜系统，则x、y轴振镜中一个轴的振镜摆方向不变，另一个轴振镜进行+/-方向的交替摆动来控制激光束在该轴的方向与位置；如采用附加振镜控制，则x、y轴振镜按传统型控制方式不变，而附加振镜进行周期性振动控制波形变化。波纹形扫描控制方法较易实现，单次扫描速度与直线形扫描相近，是一种控制简单、效率高的扫描方式。螺旋形扫描路径与波纹形扫描路径相比，可以具有更大的扫描宽度，扫描线间距更大，但在扫描过程中，x和y轴的运动方向都有变化，振镜控制过程较波纹形更为复杂，扫描速度较慢。间断式直线激光扫描的振镜控制方式与传统的变向直线扫描基本相同，激光束扫描线间隔部分的空跳可以通过激光器的关闭和开启来控制，也可以通过晶体光学镜头控制，还可以通过激光光路系统（如棱镜）的调节来控制。间断式曲线扫描则是将间断式直线扫描与曲线扫描综合应用的一种扫描方法，一方面通过x-y轴振镜系统或附加振镜控制其曲线路径上的扫描坐标点，一方面采用与间断式直线的空跳控制相同的办法来实现扫描线间隔部分的空跳。上述控制方法都是可以根据现有技术实现的。在具体实施过程中，可根据制件的形状、大小、精度等各方面要求进行SLS激光扫描路径的规划与设计，如在曲线形状上不局限于波纹形与螺旋形，可以根据需要，控制激光束的填充扫描路径为任意形状的曲线，也可以将多种扫描方式进行复合应用。

下面结合附图进一步说明本发明提供的用于选择性激光烧结的激光扫描方法。

附图说明

图1是本发明方法所采用的 SLS设备平面示意图。

图2是SLS设备的激光扫描x-y振镜系统示意图。

图3 是波纹形SLS激光扫描路径示意图。

图4是螺旋形SLS激光扫描路径示意图。

图 5是间断形直线SLS激光扫描路径示意图。

图 6是间断形曲线SLS激光扫描路径示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明方法采用的设备如图1所示，在该SLS设备中，送粉装置9将一定量粉末送至工作台面，粉末预热好之后铺粉辊7将粉末钧匀平铺在工作缸8中已成型制件11的上表面，多余粉末回收至溢粉缸10，加热装置6将铺好的粉末加热至恰好低于该粉末烧结点的温度，从激光器1中发出的激光束5经棱镜2反射至振镜系统3，振镜系统3控制激光束5通过激光窗口4至工作台面对制件11的截面粉末进行填充扫描烧结。SLS设备中的激光振镜系统3如图2所示，包括两个振镜：x轴振镜33和y轴振镜34，通过两个振镜分别定位激光束5的x和y点坐标来共同控制激光束5的位置，两个振镜33和34的摆动由激光扫描处理器31通过电机32、35分别控制；本实施例中，激光束的填充扫描路径s为波纹形规则性曲线，在波纹形填充扫描的单次扫描过程中，x轴振镜只沿一个扫描线+x或-x方向摆动，y轴振镜需要沿+y和-y方向交替摆动。激光束先对截面进行一次轮廓扫描，再对截面进行填充扫描。如图3所示，激光束从起点位置按波纹形扫描路径对截面进行填充扫描，振镜系统控制激光束的位置，扫描线波形呈周期性变化，波长L₁为1 mm~5mm。第一次扫描沿+x方向呈波纹形增长，完成单次扫描后，y轴振镜控制每二次扫描起始点y坐标y₂=y₁+N，采用同样的波形平行于第一次扫描曲线沿-x方向进行，相邻扫描曲线呈等距分布，根据截面情况，进行若干次波纹曲线填充扫描完成该截面的烧结。当该层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，系统按上述过程进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描与叠加，直至完成整个原型制造。

实施例2

本实施例中，激光束的填充扫描路径s为螺旋形规则性曲线，在螺旋形填充扫描的单次扫描过程中，x轴振镜的y轴振镜都需要沿正负方向交替摆动。如图4所示，激光束从起点位置按螺旋形扫描路径对制件的截面进行填充扫描烧结，振镜系统控制激光束的位置，扫描线波形呈周期性变化，螺距L₂为1 mm~5mm。第一次扫描线整体沿+x方向螺旋增长，扫描至螺圈a点时，扫描线增长变向为-x方向，扫描至螺圈b点时，x轴上扫描线增长变向为+x方向，在单次扫描中会发生若干次x轴方向的改变。第二次扫描线整体沿-x方向螺旋增长，相邻螺旋形曲线呈等距分布，螺旋形曲线的螺圈p部分呈交错分布排列。根据截面情况，进行若干次螺旋形曲线填充扫描，最后对截面进行一次轮廓扫描，完成该截面的烧结。当该层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，系统按上述过程进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描与叠加，直至完成整个原型制造。

除实施例1、2外，本发明方法还可以根据需要，控制激光束的填充扫描路径为任意形状的曲线。

实施例3

本实施例中，激光束的填充扫描路径s为间断形直线，在间断形直线填充扫描过程中，x轴振镜与y轴振镜的摆动方向与传统的变向直线扫描基本相同。如图5所示，激光束采用间断形规则性直线扫描路径对制件的截面进行填充扫描烧结，扫描线沿x方向增长，系统根据截面情况、连续扫描线段g的长度及间隔f的距离生成扫描坐标点，扫描线的连续扫描线段g及间隔f与前次扫描线呈交错分布，线段g的长度为1 mm~5 mm，间隔f的距离为1 mm~2 mm。如第一次扫描沿+x方向，以一定的扫描速度与密度扫描至c点时，完成了第一段4mm的线段g连续扫描，此时扫描点沿+x向空跳1.8mm的间隔f，激光束从d点再进行第二段4mm线段g的连续扫描，完成连续扫描后，扫描点沿+x再向空跳1.8mm间隔f进行第三段线段g的连续扫描，根据截面情况按上述过程完成若干次线段g的连续扫描及空跳间隔f过程以完成单次扫描。完成第一次扫描后激光束从e点沿-x方向进行第二次扫描，如此进行反复扫描，在扫描过程中使相邻扫描线呈平行等距分布，完成该截面的烧结。当该层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，系统按上述过程进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描与叠加，直至完成整个原型制造。

实施例4

本实施例中，激光束的填充扫描路径为间断形曲线，如图6所示，激光束的填充扫描路径s为间断波纹形曲线，扫描线沿x方向呈间断波纹形增长，系统根据截面情况、连续扫描曲线段g′的长度及间隔f′的距离生成扫描坐标点，扫描线的连续扫描曲线段g′及间隔f′与前次扫描线呈交错分布，曲线段g′的长度为1 mm~5 mm，间隔f′的距离为1 mm~2 mm。在间断波纹形填充扫描的单次扫描过程中，x轴振镜只沿一个扫描线+x或-x方向摆动，y轴振镜需要沿+y和-y方向交替摆动，同时振镜需要沿曲线方向做空跳运动。激光束从起点位置按间断波纹形扫描路径对截面进行填充扫描，振镜系统控制激光束的位置，扫描线波形呈周期性变化，波长L₁为1 mm~5mm。如第一次扫描沿+x方向，以一定的扫描速度与密度扫描至c′点时，完成了第一段2mm的线段g′连续扫描，此时扫描点沿+x向空跳1.5mm的间隔f′，激光束从d′点再进行第二段2mm线段g′的连续扫描，完成连续扫描后，扫描点沿+x向再空跳1.5mm间隔f′进行第三段线段g′的连续扫描，根据截面情况按上述过程完成若干次线段g′的连续扫描及空跳间隔f′过程以完成单次扫描。完成第一次扫描后激光束从e′点沿-x方向进行第二次扫描，如此进行反复扫描，在扫描过程中使相邻扫描线呈平行等距分布、间隔呈交错分布，完成该截面的烧结。

Claims (10)

1.一种用于选择性激光烧结的激光扫描方法，是在选择性激光烧结过程中，利用激光束对制件的截面进行填充扫描，其特征在于：所述激光束的填充扫描路径为曲线或间断曲线或间断直线。

2.根据权利要求1所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述曲线或直线为规则性线条。

3.根据权利要求1或2所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述曲线为波纹形曲线或螺旋形曲线。

4.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述波纹形曲线的波长为1 mm～5mm，所述螺旋形曲线的螺距为1 mm～5mm。

5.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述激光束的填充扫描路径中相邻波纹形曲线之间为平行排列。

6.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述激光束的填充扫描路径中相邻螺旋形曲线的螺圈部分呈交错排列。

7.根据权利要求1所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述间断曲线或间断直线的激光束的填充扫描路径是指在沿x/y轴进行激光扫描时，连续扫描一定线段长度后，隔一定间隔再完成相同线段长度的连续扫描，单次扫描包括若干次连续扫描线段及间隔。

8.根据权利要求7所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述线段的长度为1 mm～5 mm。

9.根据权利要求7所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述间隔的距离为1 mm～2 mm。

10.根据权利要求7或9所述的用于选择性激光烧结的激光扫描方法，其特征在于所述间断曲线或间断直线的激光束的填充扫描路径中相邻间断曲线或相邻间断直线的间隔呈交错排列。

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