CN104325641A - 激光束以阿基米德螺线方式扫描的3d打印工艺 - Google Patents

Abstract

激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺，包括：激光器与光路系统，转盘与导轨导架系统，主轴电机与导架平移伺服电机系统，计算机控制系统。激光器装于转盘的激光盘上或装于转盘导架上，或独立于转盘分离安装，激光束经转盘光路系统的固定反射镜与导架上的反射镜和透镜，或导架上的激光器激光束经透镜，聚焦于打印机的工作平面上；在转盘由主轴电机驱动作局部恒角速度或恒角速度转动，导架由伺服电机驱动做等速平移时，完成激光束对SLA、SLS、SLM和LOM打印工作面的无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描，逐层加工，最后得到工件实体。本发明可无畸变、高质量扫描超大幅工作面，加工超大型工件，结构简单，造价低廉，质量优异。尤适用于航天、航空、电力、海洋，建筑等大型复杂工件的打印。

Description

激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺

技术领域：

本发明涉及3D打印技术。 

背景技术：

目前使用激光束打印的几种主流的3D打印工艺，如SLA、SLS、SLM、LOM等，无论是采用物镜前扫描方式还是物镜后扫描方式，在进行小幅工作面的扫描时，都能获得高精度的扫描效果，工作面上的扫描点的光班较小且大小一致，或离焦误差较小处在聚焦深度之内；然而，在进行大幅工作面的扫描时，若采用物镜前扫描方式，则由于具较大工作面积的扁平场镜(F-Theta透镜)制作成本高，且焦距较长，应用困难，焦平面上光班变大，工作面上扫描图形畸变变大，影响扫描效果；若采用物镜后扫描方式，则由于大幅工作面上离焦误差在工作面边缘处太大，光班发生严重畸变；既便采用动态聚焦系统(可移动聚焦镜和静止物镜组成)，增加光路长度，减小偏转角，缩小光班畸变，但这样一来，整个光学系统几何尺寸加大，也给应用造成困难。所以，基于上述原因，在大幅工作面上打印大尺寸工件，目前的几种采用激光束和X轴Y轴振镜偏转扫描的SLA、SLS、SLM和LOM，都受到严重限制。 

为了克服上述在大幅工作面上打印大尺寸工件的几种主流激光打印工艺SLA、SLS、SLM和LOM等存在的严重缺陷，本发明提出“激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺。” 

发明内容：

为了克服目前几种主要的使用激光束扫描的3D打印工艺SLA、SLS、SLM和LOM等在大幅工作面上加工大尺寸工件所遇到的普通难题，本发明提出激光束以 阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺构想。 

本发明的基本工作原理是： 

本发明以转盘上组装的激光器的激光束，或独立于转盘的外设激光器通过转盘光路系统引入转盘的激光束，在转盘转动和导轨导架平移的复合运动下，以阿基米德螺线方式扫描，取代目前SLA、SLS、SLM和LOM等工艺的X-Y振镜扫描方式，来完成SLA、SLS、SLM和LOM等的平面3D打印工作。组装在转盘上的激光器可以是单个也可以是多个，视所要求的打印速度而定。独立于转盘的外设激光器只能设置一个，视所要求的激光器的功率和高速打印速度而定。从康子纯所提“园柱面叠层相加3D打印工艺”(申请号201410310814.5)和“通用3D打印机床加工一体机”(申请号201410359912.8)发明专利文件可知，阿基米德螺线扫描和X-Y轴扫描本质上是一样的，只是所用坐标系和扫描轨迹线不同而已。单个激光器激光束的扫描以局部恒角速度PCAV(即内圈以恒线速度CLV，外转以恒角速度CAV)作阿基米德螺线整线扫描；多个激光器激光束则始终以恒角速度CAV作阿基米德螺线的分段线扫描。两者都追求快速精确扫描；在大幅工作面上做大尺度扫描，光斑不发生任何畸变。整机结构简单，紧凑，省却SLA、SLS、SLM和LOM等工艺的复杂X-Y振镜和昂贵透镜系统，大幅降低成本，缩小整机相对尺寸，保证打印质量。且可造出目前的SLA、SLS、SLM和LOM工艺无法制造的超大尺寸扫描工作面的同类3D打印机，获得超大工件的精细SLA、SLS、SLM和LOM加工，因而具有诸多优越性。 

本发明“激光束以阿基米德螺线方式扫描3D打印工艺”，包括：激光器与光路系统，转盘与激光盘和导轨导架系统，主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，计算机控制系统； 

所述激光器与光路系统，其特征是，若整机采用单个激光器，方案有三， 方案一，激光器以偏心方式安装在转盘的激光盘上，激光器的激光束引入转盘光路系统，经转盘上的固定反射镜反射，进入导轨上可平移的导架上的反射镜，再经反射和透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，主轴电机驱动转盘和激光盘以局部恒角速度PCAV方式转动，(即扫描转盘中心内缘时作恒线速度CLV转动，扫描转盘中心外缘时做恒角速度CAV转动)，同时，在计算机控制下，装于导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和传动齿轮与蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；方案二，激光器和透镜聚焦系统直接装在导轨导架上，在计算机控制下，该激光器和透镜聚焦系统由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；转盘由主轴电机驱动，在计算机控制下，以局部恒角速度PCAV方式转动；方案三，激光器独立于转盘分离设置，固定置于转盘中心(0点)之上，该激光器的激光束沿转盘上的光路系统，经固定反射镜进入导轨导架上的反射镜，再经透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移，同时，主轴电机驱动转盘作局部恒角速度PCAV转动。若整机采用多个激光器，方案有二，方案一，多个激光器连成直线以偏心方式安装在转盘的激光盘上，诸激光器的激光束经转盘上的固定反射镜反射，依序进入等距设置、高度递增的导轨导架上的多个反射镜，再经各反射镜的透镜聚焦于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，装于导轨导架上的诸反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动；方案二，多个激光器及各自聚焦透镜等距安装在转盘导轨导架上，在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架带着其上等距安装的激光器及各自透镜聚焦系统沿转盘中心的(0点)向转 盘外缘做等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动。 

所述转盘与激光盘和导轨导架系统，其特征是，转盘由主轴电机驱动；转盘与激光盘连成一体；转盘上装有固定反射镜，并开有细长激光束扫描窗口，供激光器的激光束在转盘转动、导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘等速平移时作无遗漏无重复阿基米德螺线扫描；转盘细长激光束扫描窗口上方设置导轨导架，导架上装有反射镜与透镜聚焦系统，或装有激光器与透镜聚焦系统；转盘上安装驱动导架平移的伺服电机和齿轮与蜗杆；转盘设计轻巧、坚固、强度大，防止转盘快速转动时对其上导轨导架上的反射镜、激光器及透镜聚焦系统产生过大振动，影响激光束以阿基米德螺线扫描的精确性和稳定性。 

所述主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，其特征是，在计算机控制下，主轴电机驱动转盘在整机采用单个激光器时，做局部恒角速度PCAV转动，在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；与此同时，在计算机控制下，导轨导架平移伺服电机与齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；转盘的转动和导架的等速平移，使激光束得以实现整个工作面的阿基米德螺线无遗漏无重复扫描。 

所述计算机控制系统，其特征是，计算机控制主轴电机，在整机采用单个激光器时，驱动转盘做局部恒角速度PCAV转动；在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；同时控制导轨导架平移伺服电机和齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；同时，计算机控制激光束沿导轨作阿基米德螺线扫描时，依工件数字模型的阿基米德螺线柱面切片数据，指令相关激光器取脉冲、连续、空缺工作模式，在工作平面上作无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描，为此，在整机采用多个激光器时，设置各相应扫描段的起始点、终结点的起始符、终结符，便于计算机对整个阿基米德螺线扫描做严密 监控和校正，达到该切片的完整、无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描；当依据工件数字模型的阿基米德螺线柱面数据一个切片全部扫描完毕，计算机控制导轨导架伺服电机和齿轮蜗杆驱动导架向转盘中心(0点)平移“归零”，为下一个阿基米德螺线柱面切片的扫描作好准备。 

计算机可通过RF射频和芯片控制本发明转盘的激光盘上激光器或转盘导架上的激光器的扫描与导轨导架平移伺服电机的动作。 

如果本发明整机处于真空状况，转盘的高速转动不会影响到3D打印机工作面的打印材质的水平稳定状态，更可实现本发明高速高质量3D打印。 

本发明“激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺”叙述完毕。 

本发明可高质量完成对大幅超大幅工作面的SLA、SLS、SLM和LOM的阿基米德螺线扫描，大幅降低该类打印机成本，减小打印机相对尺寸，提高打印质量，完成目前该类打印机无法胜任的超大幅工作面扫描和超大型复杂工件加工，特别适用于航天、航空、海洋、电力对超大尺寸复杂工件的金属打印，如航天、航空发动机，大型汽轮机转子、定子，水轮机转子，大型船舰的超大型螺旋桨，也适用于超大尺寸建筑模型打印，等等，其意义显而易见。 

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

图1、多个激光器安装于转盘的激光盘上的本发明工作原理示意图； 

图2、采用多个激光器的本发明转盘示意图。 

图3、多个激光器安装于转盘的导轨导架上的本发明工作原理示意图。 

图4、单个激光器独立于转盘分离设置的本发明工作原理示意图； 

具体实施方式：

实施例1：整机采用3个激光器装于转盘的激光盘上的本发明； 

实施例2：整机采用3个激光器装于转盘导轨导架上的本发明； 

实施例3：整机采用单个激光器独立于转盘分离设置的本发明； 

实施例1： 

整机采用3个激光器(1)装于转盘(4)的激光盘(5)上的阿基米德线扫描3D打印工艺(图1)，包括：激光器(1)与光路系统(2、3)，转盘(4)与导轨(11)导架(13)系统，主轴电机(7)与导架平移伺服电机(10、12)系统，计算机(8)控制系统。所述激光器(1)与光路系统(2、3)，其特征是，三个激光器(1)排成直线偏心安装在转盘(4)的激光盘(5)上，其激光束(1)再偏心引入转盘(4)上的光路系统(2、3)，激光束经转盘(4)上的固定反射镜(2)反射，依序进入导轨(1)上可平移的导架(13)上的三个反射镜(3)，再经各反射镜(3)反射和透镜聚焦于3D打印机的工作平面(9)上；以偏心方式组装3个激光器(1)的激光盘(5)，与转盘(4)连成一体，与主轴电机(7)驱动的转盘(4)保持相同角速度的转动；等距装于导轨(11)导架(13)上的3个反射镜(3)和透镜聚焦系统，由伺服电机(10)和传动齿轮蜗杆(12)驱动，沿导轨(11)从转盘(4)中心(0点)向转盘(4)外缘作等速平移；转盘(4)由主轴电机(7)驱动，在计算机(8)控制下，以恒角速度CAV转动；所述转盘(4)与导轨(11)导架(13)系统，其特征是，转盘(4)由主轴电机(7)驱动，转盘(4)上装有固定反射镜(2)并开有细长激光束扫描窗口(6)，供来自激光器(1)的激光束在转盘(4)转动时沿导轨(11)自转盘(4)中心(0点)向转盘(4)外缘等速平移作无遗漏无重复阿基米德螺线扫描；转盘细长激光束扫描窗口(6)上方设置导轨(11)导架(13)，等距设置在导架上的三个激光束反射镜(3)与聚焦透镜系统，其设置高度自转盘(4)中心(0点)向转盘(4)外缘递增；转盘(4)与激光盘(5)连成一体，由主轴电机(7) 驱动，做相同角速度转动；转盘(4)设计成十字园环形状以减轻重量，增大刚度，减少振动。所述计算机(8)控制系统，其特征是，依据欲加工工件数字模型的切片阿基米德螺线数据，计算机控制主轴电机(7)驱动转盘(4)与激光盘(4)、激光盘(5)作相同角速度转动，并在整个切片打印过程中维持恒角速度CAV转动；同时控制伺服电机(10)与齿轮蜗杆(12)驱动导轨(11)导架(13)做自转盘(4)中心(0点)至转盘(4)外缘的等速平移；同时，在转盘(4)激光盘(5)做恒角速度转动，导架做等速平移时，依据欲加工工件数字模型切片的阿基米德螺线数据，计算机(8)控制激光盘(5)的三个激光器(1)做分3段的阿基米德螺线准确、无遗漏、无重复扫描，为此设置阿基米德螺线三个分段各自的起始、终止符，便于监控和校正；激光器扫描取脉冲、连续、空缺方式，依切片阿基米德螺线数据而定。 

整机可取密封真空状态，以保证高速打印质量。 

本发明实施例1，叙述完毕。 

实施例2： 

整机采用3个激光器(1)装于转盘(4)导轨(11)导架(13)上的本发明(图3)，其特征是，3个激光器(1)及各自聚焦透镜等距安装在导轨(11)导架(13)上，在转盘(4)转动，导架(13)平移时，3个激光器(1)的激光束经各自透镜聚焦于3D打印机工作平台(9)上，分3段做阿若米德螺线无遗漏、无重复扫描，完成工件切片打印，余与实施例1相同，不做赘述。 

实施例3： 

整机采用单个激光器(1)独立于转盘(4)分离设置的本发明(图4)，其特征是，单个激光器(1)独立于转盘(4)分离设置，固定于转盘(4)中心线上方，激光器(1)的激光束垂直引入转盘(4)上的光路系统(2、3)，经固定 反射镜(2)反射进入导轨(11)导架(13)上安装的反射镜(3)，再经透镜聚焦于3D打印机工作平面(9)上；在计算机控制下，转盘(4)做局部恒角速度PCAV转动，导架(13)做等速平移，实现切片的阿基米德螺线无遗漏、无重复扫描，完成工件切片打印；激光器(1)的功率大小可任选。余与实施例1的工作原理相同，不做赘述。 

三个实施例叙述完毕。 

Claims (3)

1.激光束以阿基米德螺线方式扫描3D打印工艺，包括：激光器与光路系统，转盘与激光盘和导轨导架系统，主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，计算机控制系统；

所述激光器与光路系统，其特征是，若整机采用单个激光器，方案有三，方案一，激光器以偏心方式安装在转盘的激光盘上，激光器的激光束引入转盘光路系统，经转盘上的固定反射镜反射，进入导轨上可平移的导架上的反射镜，再经反射和透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，主轴电机驱动转盘和激光盘以局部恒角速度PCAV方式转动，(即扫描转盘中心内缘时作恒线速度CLV转动，扫描转盘中心外缘时做恒角速度CAV转动)，同时，在计算机控制下，装于导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和传动齿轮与蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；方案二，激光器和透镜聚焦系统直接装在导轨导架上，在计算机控制下，该激光器和透镜聚焦系统由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；转盘由主轴电机驱动，在计算机控制下，以局部恒角速度PCAV方式转动；方案三，激光器独立于转盘分离设置，固定置于转盘中心(0点)之上，该激光器的激光束沿转盘上的光路系统，经固定反射镜进入导轨导架上的反射镜，再经透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移，同时，主轴电机驱动转盘作局部恒角速度PCAV转动。若整机采用多个激光器，方案有二，方案一，多个激光器连成直线以偏心方式安装在转盘的激光盘上，诸激光器的激光束经转盘上的固定反射镜反射，依序进入等距设置、高度递增的导轨导架上的多个反射镜，再经各反射镜的透镜聚焦于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，装于导轨导架上的诸反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动；方案二，多个激光器及各自聚焦透镜等距安装在转盘导轨导架上，在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架带着其上等距安装的激光器及各自透镜聚焦系统沿转盘中心的(0点)向转盘外缘做等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动；

所述转盘与激光盘和导轨导架系统，其特征是，转盘由主轴电机驱动；转盘与激光盘连成一体；转盘上装有固定反射镜，并开有细长激光束扫描窗口，供激光器的激光束在转盘转动、导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘等速平移时作无遗漏无重复阿基米德螺线扫描；转盘细长激光束扫描窗口上方设置导轨导架，导架上装有反射镜与透镜聚焦系统，或装有激光器与透镜聚焦系统；转盘上安装驱动导架平移的伺服电机和齿轮与蜗杆；转盘设计轻巧、坚固、强度大，防止转盘快速转动时对其上导轨导架上的反射镜、激光器及透镜聚焦系统产生过大振动，影响激光束以阿基米德螺线扫描的精确性和稳定性；

所述主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，其特征是，在计算机控制下，主轴电机驱动转盘在整机采用单个激光器时，做局部恒角速度PCAV转动，在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；与此同时，在计算机控制下，导轨导架平移伺服电机与齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；转盘的转动和导架的等速平移，使激光束得以实现整个工作面的阿基米德螺线无遗漏无重复扫描；

所述计算机控制系统，其特征是，计算机控制主轴电机，在整机采用单个激光器时，驱动转盘做局部恒角速度PCAV转动；在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；同时控制导轨导架平移伺服电机和齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；同时，计算机控制激光束沿导轨作阿基米德螺线扫描时，依工件数字模型的阿基米德螺线柱面切片数据，指令相关激光器取脉冲、连续、空缺工作模式，在工作平面上作无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描，为此，在整机采用多个激光器时，设置各相应扫描段的起始点、终结点的起始符、终结符，便于计算机对整个阿基米德螺线扫描做严密监控和校正，达到该切片的完整、无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描；当依据工件数字模型的阿基米德螺线柱面数据一个切片全部扫描完毕，计算机控制导轨导架伺服电机和齿轮蜗杆驱动导架向转盘中心(0点)平移“归零”，为下一个阿基米德螺线柱面切片的扫描作好准备。

2.根据权利要求1所述激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺，其特征是，可选计算机通过RF射频和芯片控制转盘的激光盘所装激光器和导轨导架所装激光器的扫描，以及控制导轨导架平移伺服电机的动作。

3.根据权利要求1所述激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺，其特征是，可选用整机处密封真空状况进行本发明3D打印。转盘的高速转动不会影响到3D打印机工作面的打印材质的水平稳定状态，更可实现本发明高速高质量3D打印。