CN104029394B - 一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法，具体涉及一种基于多光束激光扫描技术，使液态光敏固化树脂高效快速固化成型的成像系统。具体实施方式为激光光源3发射出的光源经过准直镜4，准直的激光光束进入光纤分束器5，将一束激光分成1×N的光束矩阵，激光束经过扫描振镜7、8的反射，由场镜9将激光束聚焦在光固化树脂表面10，高效的完成工件图层的扫描，最终可同时完成N个工件的快速成型，因此，相对应的扫描效率提高N倍。

Description

一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法，具体涉及一种基于多光束激光扫描技术，使液态光敏固化树脂高效快速固化成型的成像系统。

背景技术

3D打印是一种新型快速成型制造技术，它通过多层叠加生长原理制造产品。它能克服传统机械加工无法实现的特殊结构障碍，可以实现任意复杂结构部件的简单化生产。现有的3D打印技术分为，热熔塑胶基础技术FDM、激光烧结成型技术、光固化液态树脂选择区域固化成型技术。

现有的光固化技术分类为：激光绘图成像紫外频谱光固化技术，投影仪图像化照射成型技术，激光扫描成像光固化技术。光固化快速成形技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ＝405nm)的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。它的核心技术是计算机技术和材料技术。激光成型技术根据CAD图生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，激光束经过偏转镜在液态表面上扫描，扫描的轨迹均由计算机控制，激光光束扫描到的地方，液体就固化成固体。成型初始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行下二层的扫描，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。最后升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行清洗、去除支撑、二次固化以及表面光洁处理等，直至得到三维实体模型。光固化快速成形技术，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性，且打印出的实体模型表面质量较好、成型精度和系统分辨率较高。

3D打印机主要包括高质量激光器、振镜扫描系统、高精度控制系统三个部分。当计算机输入一个位置信号，摆动电机带动光学振镜按一定电压与角度的转换比例摆动一定角度。整个过程采用闭环反馈控制，由位置传感器、误差放大器、功率放大器、位置区分器、电流积分器等五大控制电路共同作用。光学振镜是3D打印机的核心部件，决定了3D打印机的性能。一般的机械式扫描系统采用的是机械装置带动扫描头在平面上来回运动完成扫描，所以扫描系统的精度低、惯性大、响应速度慢，而振镜是通过线圈通以一定的电流而使转子发生偏转，所以精度高、惯性小、响应速度快，光束照射在振镜上，通过振镜的偏转带动光束的偏转，从而能够在扫描视场上扫描出激光轨迹。光学振镜要完成光束的静态聚焦、满足光斑的质量要求、平场二维精确扫描以及焦程误差的动态补偿，配合激光器完成对光敏树脂面的扫描，其设计与制造的质量直接影响到激光扫描的精度。然而国内的3D打印机工业推广进程发展较慢，原因在于核心部件工业基础弱，高质量激光器、振镜扫描系统、高精度控制系统依赖进口，而这三个核心部件占成本比例超40％，使得仪器的成本较高。且一般光固化快速成形技术成型速率为3～5cm/小时，打印效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，解决激光扫描光固化技术中成本高、效率低的问题，旨在提供一种经济、灵活、高效率的激光扫描方法。多光束扫描是将单束激光分成多束子光束，进而将其导入扫描振镜，在加工平面上显现多个轮廓清晰的光斑图案，这些光束排成阵列(1×N)或矩阵(M×N)，且每束光的特性都是一样的。通过扫描振镜的摆动，每个光斑在工作平面可生成完全相同的任意形状的光斑图案，使切割或去除的速度翻倍，但不损失扫描器的几何自由度，在提升生产速率的同时实现复杂图案的加工，极大的提高仪器的工作效率。

本发明的技术解决方案为：激光光源发射出的光源经过扩束准直镜，准直的激光光束进入光纤分束器，将一束激光分成1×N的光束矩阵，激光束经过通过数控装置控制的扫描振镜，按设计的扫描路径，由场镜将激光束聚焦在光固化树脂表面，高效的完成工件图层的扫描，与单束激光相比，光纤分束器将激光分成N束，扫描区域被分割成N块，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍。

具体而言，所使用的方法为：采用光纤分束器，将一束经过准直扩束后的激光分成1×N的光束矩阵，扫描区域被分割成N块，由计算机程序提供图像切片信号及扫描轨迹，控制扫描振镜的扫描轨迹，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍；

优选的，还包括一个激光输入端和N个激光输出端；激光优选波长为405nm；

其中，X轴扫描振镜的宽度和长度分别为：

L_x＝D

其中W为振镜的宽，L为振镜的长，D为入射激光光斑的直径，a为振镜X的初始位置时激光入射的角度，N为光纤分束器将一束光分成的份数，q为X、Y反射镜可偏转的最大角度；

Y轴扫描振镜的宽度和长度分别为：

L_y＝D+2M·tanx

其中D为入射激光光斑的直径，N为光纤分束器将一束光分成的份数，M为振镜X、Y反射镜之间的距离，b为振镜Y处初始位置时激光入射的角度，q为X、Y反射镜可偏转的最大角度；x为入射激光在振镜X上时的最大入射角度。

优选的，其中N个激光输出端所输出的N束激光束的性质完全相同；其中光纤分束器的输入和输出端口为SMA接口。

本发明同时提供一种利用上述方法的激光扫描成像光固化快速成型设备，主要包括激光器、激光准直扩束镜、光纤分束器、扫描振镜、f-θ场镜

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在计算机及电机驱动电路的驱动下，由计算机程序提供图像切片信号及扫描轨迹，控制扫描振镜的扫描轨迹，完成每个图层的扫描；

(2)分光器件采用光纤分束器，相比于其它的分光器件，光纤分束器价格低廉，分光效率高；

(3)扫描光束通过光纤分束器分成1×N的光束矩阵，相对应的扫描速度提高N倍，效率提高N倍。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是激光光固化成型系统的组成示意图，图中1表示计算机，图中2表示电源，图中3表示激光器，图中4表示激光准直扩束镜，图中5光纤分束器，图中6表示控制器，图中7表示Y轴振镜，图中8表示X轴振镜，图中9表示场镜，图中10表示激光扫描平面，图中11表示激光光束周期性扫描运动方式。

图2是激光准直扩束系统示意图，图中12为激光发出的光束的发散角。

图3是光纤分束器的组成结构示意图，图中13为输入光束，图中14为输出光束，图中15为光纤共用端，图中16图中为输入光纤和输出光纤的连接点，17为光纤分支端，图中18为SMA接头。

图4是f-θ场镜的结构示意图，图中19为光阑，图中20为透镜组，图中21为光固化树脂平面。

具体实施方式

一种高效率激光扫描成像光固化快速成型设备主要包括计算机、电源、波长为405nm的激光器(3)、激光准直扩束镜(4)、光纤分束器(5)、扫描振镜(7)(8)、f-θ场镜(9)，结构组成如图1所示。其中光纤分束器(5)可将激光器发出的激光分成N束，N数值由光纤分束器分出的光束数决定，因此可同时扫描光固化树脂平面上的N块区域，因此光固化的速率可提高N倍。

实施例1：准直激光光源

激光光源：激光对光敏树脂进行扫描时，光敏树脂中的光敏剂吸收一定波长的光能，分解成自由基或者与其它分子相互作用而生成自由基，然后引发链增长反应，树脂由液态变为固态。因此，选择光源主要取决于光敏剂对不同频率光子的吸收。多数光敏剂在紫外区的光吸收系数较大，因此光敏树脂在紫外光区易固化，故本发明优先采用波长为405nm的激光光源。激光作为激光加工中的工作介质，激光器光束质量的好坏和稳定性的高低将直接影响扫描系统运行的效果，因而要求激光器能正常稳定运行并产生符合加工要求的激光，设计时需极力减少其工作电流，以使其在较低温度环境中工作。紫外激光器要稳定输出激光，温度控制精度要达到0.1℃。因此，紫外激光器制冷效果的好坏对激光的稳定输出有非常大的影响，因为温度变化(升高)会使其发出激光波长发生漂移，本发明中紫外激光器优先采用TEC制冷技术，通过金属的热传导，传导到水冷板上散热，同时水冷板表面处理采用阳极处理，水腐蚀的问题得到根本解决。采用这种制冷技术，故障率低，温控精度高，可以达到0.1℃及以上。

当激光从激光器发出，由于激光束的固有发散角的存在，再经过较长距离的传输之后，容易造成光束束腰的偏移和光束口径的变大，发散角的存在直接影响聚焦效果。没有进行扩束准直的激光光束，在到达工件表面时，聚焦光斑的直径明显变大了很多，会影响扫描精度及均匀性。所以，在激光束到达聚焦和扫描部分之前，应先经过扩束准直系统来改善光束，进一步压缩发散角和扩大光斑尺寸；同时，光斑尺寸变大可以使激光束的能量分布更加均匀，有利于保护后面的光学元件不至于因为激光能量太高而遭到损坏，激光准直扩束系统示意图如2所示，采用两片镜片，一片负透镜和一片正透镜，对激光束进行准直扩束。负透镜将一个虚焦点光束传送给正透镜，两个透镜是虚共焦结构。短焦距的负透镜和焦距较长的正透镜构成的倒置望远镜，可以达到准直和扩束的目的，有利于缩短光路。

实施例2：光纤分光器

光纤分光器可以将一路光信号分为多路输出，光纤分束器优选405nm超高透过率紫外传能光纤，每米的传输效率能达到99％，光纤分光器的结构组成如图3所示。

光纤分束器包括一根输入光纤和N条输出光纤，其中，所述输出光纤束包括排布在中心的一根中心输出光纤和排布在外围的多根外围输出光纤。每条光纤束的一支在通过连接点前都包含N根光纤，在连接点处分成N支，每支含有单根光纤。

每输出光纤都附带N个保护盖以防尘和其它污质，防护盖的材质为橡胶或者金属防尘螺纹帽。

激光准直扩束镜安装在镜筒中，镜筒材质优选铝合金并进行黑化处理，其中光纤分光器与准直扩束镜通过光纤转接件连接，光纤分束器的输入和输出端口均是标准的SMA905接口。

实施例3：扫描振镜：镀高反射膜。

振镜电机带动振镜实现工件的扫描，要求电机具有较大的负载惯量，以保证能够负载振镜，电机与驱动板一起接收电脑的控制信号，驱动振镜转动，完成激光束的偏转。扫描电机底座用于固定扫描振镜电机，防止运行中的震动对加工的影响，同时底座应具有较好的散热作用。

振镜式扫描系统由X、Y两轴扫描振镜、聚焦透镜以及计算机控制系统组成。扫描振镜采用的是高速往复伺服电机带动的X、Y两个振镜扫描头，通过向X、Y两轴的伺服，系统发出指令信号，X、Y两轴的伺服电机就能带动X、Y两轴扫描振镜分别沿X轴和Y轴做出偏转，从而，可以根据所需图形的要求，通过计算机控制系统，向X、Y两轴的伺服系统发出偏转信号，通过X、Y轴振镜镜片的配合运动，使具有一定功率密度的激光聚焦点在工件平面上按所需的要求快速运动，形成扫描轨迹。

振镜电机和驱动器电子器件会发热，产生热漂移，导致上述定位偏差的发生。热增益漂移特征数值＜30rad/K，增益漂移特征数值＜50ppm/K(每轴)。因此，如果要求高精度和长期稳定性，一种解决方案是选配带水冷功能的扫描振镜。

振镜的尺寸计算

振镜X的宽度是由光束的直径所决定的。光束在X反射镜上的形状是一个椭圆，且随着X振镜的转动，椭圆会被拉长或者缩短，当激光光斑以45°入射时，此时应该保证X反射镜仍能承载整个光斑。因而X反射镜的长度略大于光束直径，而它的宽度要远大于光束直径。Y反射镜必须能容纳由X反射镜反射出的光斑，

Y反射镜通常比X反射镜大，因此Y反射镜限制了总体的扫描速度。激光光斑照射至Y反射镜镜面时形成的拉长。考虑到镜片的误差，振镜的宽度W_x要略微大于所选择的D(D为激光光斑的直径)。计算过程中，取振镜X的长度L_x等于光斑直径，但是实际加工过程中考虑到镜片的误差，振镜X的长度L_x要略微大于所选择的D(D为激光光斑的直径)。

根据几何光学原理，振镜X、Y的最小长度和宽度的计算公式为：

对振镜X：

L_x＝D (2)

对振镜Y：

L_y＝D+2M·tan x (4)

式中，W为振镜的宽，L为振镜的长；D为入射激光光斑的直径；a为振镜X的初始位置时激光入射的角度；b为振镜Y处初始位置时激光入射的角度；M为振镜X、Y反射镜之间的距离；q为X、Y反射镜可偏转的最大角度，N为光纤分束器将一束光分成的份数，x为入射激光在振镜X上时的最大入射角度。

实施例4：场镜

f-θ扫描振镜反射镜所反射的激光聚焦至工件上，形成足够小的激光光斑用于激光加工。但是由于光束在扫描中有较大的离焦误差，通常采用的是f-θ场镜聚焦系统进行离焦误差的补偿。激光光束经过X、Y扫描振镜，通过计算机控制系统控制，使激光的聚焦点均匀地在工件表而上进行聚焦和扫描，只要通过控制两个扫描振镜的协调偏转，就可以在平面上进行任意图形的扫描。

由于f-θ场镜是利用的y′＝f·θ的关系来工作的，而实际上y′＝f·tanθ。而且随着焦距f的加大，失真程度将越来越大。实际像高与理想像高间的差值称之为畸变，两者所产生的畸变量为：

Δy′＝f·θ-f·tanθ＝f·(θ-tanθ) (5)

由于f-θ场镜所成的像要比理想像高小，故要使f-θ场镜设计的过程中引入一个负畸变来实现线性关系。

因此，在振镜扫描系统中f-θ平场聚焦镜的设计要求是：

(1)场镜整面聚焦越均匀，质量越好。

(2)激光透过率，即功率损耗，激光透过率越强，功耗越低，表示质量越佳。

f-θ透镜组需要在高功率激光环境下使用，透镜组在使用过程中，由于镜片材料的热吸收，导致镜片曲率发生微小形变，因而引起聚焦点位置发生位移的现象，因而要求镜片材料有极好的热稳定性。熔石英材料，具有热稳定性能良好、热膨胀系数极低等优点，同样也存在着折射率低、价格较贵等缺点，热膨胀系数5.5×10^-7cm/℃，波段覆盖范围是220～2500nm。本发明中f-θ场镜使用三片镜片，结构示意图如图4所示，在保证扫描精度的情况下，f-θ场镜的材质优选石英玻璃。

实施例5：光固化树脂

在激光快速成型系统中，光固化树脂选用的要求包括以下几个方面：

(1)固化前性质稳定，在可见光照射下不发生化学反应；

(2)液体树脂流动性好，易于迅速铺展在固化后的树脂表面上；

(3)光敏性好，固化速度快，对405nm的紫外光吸收和响应速度快；

(4)固化过程中不收缩、不膨胀、产生气泡和层间分离，翘曲变形小；

(5)固化产物强度高，热稳定性好，耐浸蚀、易于清洗和干燥处理；

(6)树脂毒性小，绿色环保。

实施例6：光路的安装和调整

激光扫描成像光固化快速成型设备主要包括激光器、激光准直扩束镜、光纤分束器、扫描振镜、f-θ场镜。其中光路的安装和调整按照以下方式进行：

(1)固定激光器。首先激光器与仪器底板平行固定，固定好光纤激光器的发射器，然后调整激光发射器，保证激光打入振镜的中心，如果不是，请继续调整激光器的发射头，直到光点进入振镜的中心，此时，固定好激光器发射器。

(2)安装准直扩束镜。准直扩束镜安装于镜筒中，且激光器与准直扩束镜同轴，保证激光入射到扩束镜的中心轴线位置。

(3)安装光纤分束器，光纤分束器与准直扩束镜通过光纤转接件连接，保证光纤分束器与准直扩束器在同一轴线上。

(4)调试好振镜X的高度，目标是：使得X振镜片中心与光纤分光器发出的激光光斑重合，然后固定X振镜，此时反光面X镜片与光路入射成45°。

(5)调试好Y振镜的升动度，使得振镜Y镜片中心与场镜中心重合，然后固定振镜Y，此时反光面Y镜片与水平面成45°，从而保证X轴振镜和Y轴振镜相互垂直。

(6)安装好场镜，此时，整个光路系统安装完成。

本发明公开了一种基于多光束激光扫描技术，使液态光敏固化树脂高效快速固化成型的成像系统。经过准直的激光光束进入光纤分束器，将一束激光分成1×N的光束矩阵，激光束经过扫描振镜的反射，由场镜将激光束聚焦在光固化树脂表面，高效的完成工件图层的扫描。与单束激光相比，光纤分束器将激光分成N束，扫描区域被分割成N块，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍。凡是利用本发明专利中利用光纤分光器分光以提高扫描效率的设计精神所做出的形状、构造以及特征上的等效变化或修饰，均认为落入本发明专利的保护范围内。

Claims (1)

1.一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法，所述的提高光固化成型效率的方法为：采用光纤分束器，将一束经过准直扩束后的激光分成1×N的光束矩阵，扫描区域被分割成N块，由计算机程序提供图像切片信号及扫描轨迹，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的扫描轨迹，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍；还包括一个激光输入端和N个激光输出端；所述激光波长为405nm；X轴扫描振镜的宽度和长度分别为：

L_x＝D

其中W_x为X轴扫描振镜的宽度，Lx为X轴扫描振镜的长度，D为入射激光光斑的直径，a为振镜X的初始位置时激光入射的角度，N为光纤分束器将一束光分成的份数，q为X、Y反射镜可偏转的最大角度；

L_y＝D+2M·tan x

其中W_y为Y轴扫描振镜的宽度，L_y为Y轴扫描振镜的长度D为入射激光光斑的直径，N为光纤分束器将一束光分成的份数，M为振镜X、Y反射镜之间的距离，b为振镜Y处初始位置时激光入射的角度，q为X、Y反射镜可偏转的最大角度，x为入射激光在振镜X上时的最大入射角度；其中N个激光输出端所输出的N束激光束的性质完全相同；其中光纤分束器的输入和输出端口为SMA接口。