CN104785779B - 一种激光扫描头、三维打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种激光扫描头、三维打印装置及打印方法。所述激光扫描头包括激光源和分光装置。激光源发出的激光束包括两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分光装置设置于所述激光束的出射方向，用于将所述激光束分解为出射方向相互垂直的两束线偏振光。本发明中使用激光扫描头生成的两束激光实现面单元的加工，与现有选择性激光烧结装置中利用单光束的线性加工方式相比，能够大幅提升激光的烧结速度。
Description
技术领域
本发明涉及属于三维实物成型技术领域，具体涉及一种激光扫描头、三维打印装置及打印方法。
背景技术
三维打印(3D printing)技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属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。三维打印技术无需机械加工或模具，通过计算机图形数据中直接生成任何形状的物体，从而能够极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。
选区性激光烧结(Selected Laser Sintering，简称SLS)技术是三维打印的一种重要方法，以激光器为能量源，通过激光束的能量，使照射部位的塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末融化并均匀地烧结在加工平面上。图1示出了目前激光烧结式三维打印装置的结构示意图。如图1所示，三维打印装置包括工作架01、送粉缸02、铺粉辊筒03、工作缸04和激光扫描头05，送粉缸02和工作缸04分别设置供粉活塞06和成型活塞07。三维打印装置的加工过程为：供粉活塞向上均匀移动设定高度，送粉缸内的粉末材料09向上移动并在铺粉辊筒的转动下平铺于工作缸底部或已成型零件08的上表面L。待平铺的粉末被加热到恰好低于该粉末烧结点的温度时，激光扫描头发出的激光束按照该层的图形驻点扫描，使粉末的温度升至熔化点，烧结并与下面已经成型的部分实现黏连。当某一截面烧结完成后，工作缸内的成型活塞下降一个层的厚度，铺粉辊筒在上面铺一层粉末，进行新一层的截面烧结，直到完成整个产品加工。
目前激光烧结式三维打印装置的激光扫描头发出的激光束均为单光束，利用单光束对每层截面的所有图形驻点逐一加工，大大制约了三维打 印装置的打印效率。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种能够发射多光束的激光扫描头及使用该激光扫描头的三维打印装置，使用该激光扫描头的三维打印装置能够大幅提高打印效率。
根据本发明的实施例，提供了一种激光扫描头，包括
一种激光扫描头，其特征在于，包括：
激光源，其发出的激光束包括两束偏振方向相互垂直的线偏振光；
分光装置，设置于所述激光束的出射方向，用于将所述激光束分解为出射方向相互垂直的两束线偏振光；
其中，所述分光装置包括偏转方向相互垂直的第一偏转透镜和第二偏转透镜；
所述激光束依次通过第一偏转透镜和第二偏转透镜，第一偏转透镜对所述激光束中的一束线偏振光进行偏转，第二偏转透镜对所述激光束中的另一束线偏振光进行偏转。
优选地，第一偏转透镜包括上、下玻璃基板，上、下玻璃基板相对的表面上分别贴附有上导电膜和下导电膜；上导电膜和下导电膜之间形成的方形区域内一部分填充液晶，另一部分填充聚合物，所述上导电膜和所述下导电膜均与电源连接；
第二偏转透镜与第一偏转透镜的结构相同；第二偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面与第一偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面垂直；
所述激光束中的一束线偏振光的偏振方向与第一偏转透镜中液晶分子长轴处于同一平面内；另一束线偏振光的偏振方向与第二偏转透镜中液晶分子长轴处于另一平面内。
其中，所述上导电膜和下导电膜之间形成的方形区域内，所述液晶和 所述聚合物均为三角形结构。
作为另一优选方案，所述上导电膜和下导电膜之间形成的方形区域内，所述液晶为三角形结构，所述聚合物为梯形结构；或者，
所述液晶为为梯形结构，所述聚合物为三角形结构。
进一步地，所述激光扫描头还包括：
场镜，设置于所述分光装置的出射侧，用于对两束线偏振光分别聚焦。
优选地，所述激光源包括出射光为线偏振光的第一激光器、出射光为线偏振光的第二激光器和耦合器；
所述耦合器将第一激光器和第二激光器发射的线偏振光耦合形成所述激光束。
优选地，第一激光源和第二激光器均为Nd:YAG激光器。
作为另一优选方案，所述激光源包括出射光为线偏振光的第三激光器和四分之一波片；
所述四分之一波片设置于第三激光器的出射方向，以将第三激光器发射的线偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光。
优选地，第三激光器为Nd:YAG激光器。
根据本发明的另一方面，还提供了一种三维打印设备，包括工作缸和上述各技术方案中的激光扫描头，所述激光扫描头发出的两束线偏振光同时照射在所述工作缸底面或已成型零件上表面的粉料上。
进一步地，所述三维打印设备还包括第一移动装置和/或第二移动装置；第一移动装置设置于激光扫描头上，用于使所述激光扫描头相对于所述工作缸底面或已成型零件上表面在水平面内移动，第二移动装置设置于工作缸所在的工作架上，第二移动装置可使所述工作架相对于所述激光扫描头在水平面内移动。
根据本发明的再一方面，还提供了一种利用上述三维打印设备进行打印的打印方法，包括：
将粉末材料平铺于工作缸底部或已成型零件的上表面；
将平铺好的粉末加热到恰好低于该粉末烧结点的温度；
利用激光扫描头发出的两束激光束同时对该层的图形分区扫描、烧结；
当该层截面烧结完成后，工作缸下降一个层的厚度或激光扫描头上升一个层的厚度，再次平铺一层粉末材料，进行新一层的截面烧结，直至完成整个产品加工。
由以上技术方案可知，本发明中的三维打印装置利用两束激光实现面单元的加工，与现有选择性激光烧结装置中利用单光束的线性加工方式相比，能够大幅提升激光的烧结速度，从而大大提高打印效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了目前激光烧结式三维打印装置的结构示意图；
图2为根据一优选实施例示出的激光扫描头的结构示意图；
图3为根据一优选实施例示出的激光源的结构组成图；
图4为根据一优选实施例示出的第一偏转透镜的结构示意图；
图5示出了液晶分子处于第一状态时线偏振光线的光路变化图；
图6示出了液晶分子处于第二状态时线偏振光线的光路变化图；
图7a和7b分别示出了在相互垂直的两个方向观察垂直设置的第一偏转透镜和第二偏转透镜的状态图；
图8a-8c示出了不同时间段激光扫描头中两束激光的加工区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2为根据一优选实施例示出的激光扫描头的结构示意图。如图2所示，激光扫描头包括激光源1、分光装置2和场镜3。其中，激光源1发出的激光束包括两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分光装置2设置于激光束的出射方向，用于将激光束分解为出射方向互相垂直的两束线偏振光。
本实施例中的分光装置2包括偏转方向相互垂直的第一偏转透镜20和第二偏转透镜21。激光束依次通过第一偏转透镜20和和第二偏转透镜21，第一偏转透镜20对激光束中的一束线偏振光进行偏转，第二偏转透镜21对激光束中的另一束线偏振光进行偏转。
场镜3设置于分光装置2的出射侧，用于对两束线偏振光10,11分别聚焦。
图3为根据一优选实施例示出的激光源的结构组成图。本实施例中所述的激光源1包括第一激光器12、第二激光器13和耦合器14。第一激光器12出射光为线偏振光，其偏振方向平行于纸面方向；第二激光器13出射光为线偏振光，其偏振方向垂直于纸面方向。第一激光器12发射的线偏振光和第二激光器13发射的线偏振光经耦合器14耦合形成激光束。
作为另一优选方案，本实施例中的激光源还可包括出射光为线偏振光的第三激光器和四分之一波片。四分之一波片设置于第三激光器的出射方向，第三激光器发射的线偏振光经四分之一波片转变为圆偏振光或椭圆偏振光。圆偏振光或椭圆偏振光可被分解为两个偏振方向垂直的线偏振光。
本实施例中，第一偏转透镜20与第二偏转透镜21的结构相同。图4为根据一优选实施例示出的第一偏转透镜的结构示意图。如图4所示，第一偏转透镜20包括上、下玻璃基板201，202，上、下玻璃基板相对的表面上分别贴附有上导电膜203和下导电膜204。上导电膜203和下导电膜204之间形成的方形区域内一部分填充液晶205，另一部分填充聚合物206。优选地，液晶和聚合物均为三角形结构。上导电膜和下导电膜均与电源连接。
下面对于第一偏转透镜的工作原理进行详细阐述。
假设第一偏转透镜中液晶中的液晶分子对于非寻常光的折射率ne＝1.642，对于寻常光的折射率no＝1.488。为便于计算，假设聚合物的折射率n与液晶分子对于寻常光的折射率no相同，即n＝no＝1.488，且聚合物为各向同性物质。假设图4中θ的角度为θ＝60°，玻璃基板的折射率n’＝1.45。
假设采用正性液晶，当施加电压时，液晶分子长轴平行于电场方向。
电源提供电压V1使液晶分子处于第一状态。图5示出了液晶分子处于第一状态时线偏振光线的光路变化图。如图5所示，液晶分子的长轴平行于纸面方向。激光光源的出射光线为线偏振光线，且假设线偏振光的偏振方向与纸面方向垂直。此时由于n＝no＝1.488，所以可以计算得到 θ1＝θ＝60°，θ1’＝90°。由此可知，当线偏振光的偏振方向与液晶分子长轴未处于同一平面，而是与液晶分子长轴垂直时，线偏振光不会被第一偏转透镜偏转，而是由第一偏转透镜直接射出，即出射光线1。
电源提供电压V2使液晶分子处于第二状态。图6示出了液晶分子处于第二状态时线偏振光线的光路变化图，如图6所示，液晶分子的长轴垂直于纸面方向，并与线偏振光的偏振方向处于同一平面时，可以计算得到θ2＝72.9°，θ2’＝109.4°。即图5中出射光线1的出射方向与图6中出射光线2的出射方向的变化角度为19.4°。当然，为了增加θ2’的出射角度，可以通过以下方法实现：1)增大θ角度；2)选择折射率小的填充物。
在本实施例中，第二偏转透镜的结构与工作原理与第一偏转透镜相同。若使分光装置2中出射的两束线偏振光的出射方向垂直，只需将图2中的第一偏转透镜20和第二偏转透镜21垂直放置。
图7a和7b分别示出了在相互垂直的两个方向观察垂直设置的第一偏转透镜和第二偏转透镜的状态图。图7a为在某一个方向观察第一偏转透镜和第二偏转透镜的状态图，图7b为与之垂直的方向观察第一偏转透镜和第二偏转透镜的状态图。处于工作状态时，第二偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面与第一偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面垂直。。激光束中的一束线偏振光的偏振方向与第一偏转透镜中液晶分子长轴处于同一平面；另一束线偏振光的偏振方向与第二偏转透镜中液晶分子长轴处于另一平面。
当激光束的其中一束线偏振光的偏振方向与第一偏转透镜中长轴的延伸方向处于同一平面时，第一偏转透镜对该束线偏振光进行偏转，对于与该束线偏振光偏振方向不在同一平面的另一束线偏振光不起作用。而第二偏转透镜中长轴的延伸方向与另一束线偏振光的偏振方向处于同一平面内，所以第二偏转透镜对另一束线偏振光进行偏转，对第一偏转透镜偏转的那束线偏振光不起作用。即如图2所示，第一偏转透镜对线偏振光10进行偏转，使其在X轴方向移动，而第二偏转透镜对线偏振光11进行偏 转使其在Y轴方向移动。
优选地，本实施例中第一偏转透镜与第二偏转透镜中的上导电膜和下导电膜优选但不限于ITO(Indium-Tin Oxide，氧化铟锡)导电膜。
目前选择性激光烧结中常用波长为10.6um的CO2激光器，由于在10.6um处液晶分子的吸收较强，不仅会使激光束的能量降低，还会使得液晶偏转透镜遭到破坏，而液晶分子在1.064um处的吸收较弱，不会使激光束的能量降低，也不会使得液晶透镜遭到破坏。因此，本实施例中的第一激光器、第二激光器和第三激光器优选采用1.064um的Nd:YAG激光器，进一步地优选地，Nd:YAG激光器的输出功率为4000W，运行速度为2-15mm/s，单道宽度为2-6mm。
需要说明的是，第一偏转透镜与第二偏转透镜中，上导电膜和下导电膜之间形成的方形区域内，液晶与聚合物为三角形结构只是示例性的，液晶与聚合物还可采用诸如液晶为梯形结构、聚合物为三角形结构的方案；或者液晶为三角形结构、聚合物为梯形结构的方案；以及能够满足将入射光线按照设定折射率进行折射的其他方案。
根据本发明的另一方面，还提供了一种三维打印设备。三维打印装置包括工作架、送粉缸、铺粉辊筒、工作缸和上述结构的激光扫描头，送粉缸和工作缸分别设置供粉活塞和成型活塞。激光扫描头发出的两束线偏振光同时照射在工作缸底面或已成型零件上表面的粉料上并同时进行烧结。
进一步地，本实施例中的三维打印装置还包括第一移动装置和/或第二移动装置(图中未示出)。第一移动装置设置于激光扫描头上，用于使激光扫描头相对于工作缸底面或已成型零件上表面在水平面内移动。第二移动装置设置于工作缸所在的工作架上，第二移动装置可使工作架相对于激光扫描头在水平面内移动。
根据本发明的再一方面，还提供了一种利用上述三维打印设备进行打印的打印方法，具体地，包括如下步骤：
将粉末材料平铺于工作缸底部或已成型零件的上表面；
将平铺好的粉末加热到恰好低于该粉末烧结点的温度；
利用激光扫描头发出的两束激光束同时对该层的图形分区扫描、烧结；
当该层截面烧结完成后，工作缸下降一个层的厚度或激光扫描头上升一个层的厚度，再次平铺一层粉末材料，进行新一层的截面烧结，直至完成整个产品加工。
为了进一步说明两束激光的加工方式，以一个加工层为例进行说明。
假设烧结一块正方形的图面，在时间段1(图8a)，X轴加工方向的线偏振光在加工平面上的加工区域为区域A，而Y轴加工方向的线偏振光在加工平面上的加工区域为区域B，区域A和区域B的重叠部分为重叠区C。重叠区C的烧结可以只加工一次，例如只由X轴加工方向的激光加工，而Y轴加工方向的激光不加工，也可以由X和Y轴加工方向的激光加工两次，只要不影响其成型质量。
在时间段2(图8b)，加工平台移动，或者激光扫描头移动，X轴加工方向的激光对区域D进行加工，而Y轴加工方向的激光对区域E进行加工，对重叠区F和G的处理方法如前述。依次逐步加工，直至如图8c所示，加工平面的3/4区域完成，而1/4区域未完成，这时再移动加工平台或者激光加工头，对未加工完成的区域按上述方式依次进行加工，直至整个加工平面加工完毕。
由以上技术方案可知，本发明中的三维打印装置利用两束激光实现面单元的加工，与现有选择性激光烧结装置中利用单光束的线性加工方式相比，能够大幅提升激光的烧结速度，从而大大提高打印效率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指 出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种激光扫描头，其特征在于，包括：
激光源，其发出的激光束包括两束偏振方向相互垂直的线偏振光；所述激光源包括出射光为线偏振光的第一激光器、出射光为线偏振光的第二激光器和耦合器；所述耦合器将第一激光器和第二激光器发射的线偏振光耦合形成所述激光束;
分光装置，设置于所述激光束的出射方向，用于将所述激光束分解为出射方向相互垂直的两束线偏振光; 所述分光装置包括偏转方向相互垂直的第一偏转透镜和第二偏转透镜；第一偏转透镜包括上、下玻璃基板，上、下玻璃基板相对的表面上分别贴附有上导电膜和下导电膜；上导电膜和下导电膜之间形成的方形区域内一部分填充三角形结构的液晶，另一部分填充三角形结构的聚合物；或者一部分填充三角形结构的液晶，另一部分填充梯形结构的聚合物；或者一部分填充梯形结构的液晶，另一部分填充三角形结构的聚合物，所述上导电膜和所述下导电膜均与电源连接；
场镜，设置于所述分光装置的出射侧，用于对两束线偏振光分别聚焦。
2.根据权利要求1所述的激光扫描头，其特征在于，
所述激光束依次通过第一偏转透镜和第二偏转透镜，第一偏转透镜对所述激光束中的一束线偏振光进行偏转，第二偏转透镜对所述激光束中的另一束线偏振光进行偏转。
3.根据权利要求2所述的激光扫描头，其特征在于，
第二偏转透镜与第一偏转透镜的结构相同；第二偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面与第一偏转透镜中液晶分子长轴旋转所形成的平面垂直；
所述激光束中的一束线偏振光的偏振方向与第一偏转透镜中液晶分子长轴处于同一平面内；另一束线偏振光的偏振方向与第二偏转透镜中液晶分子长轴处于另一平面内。
4.根据权利要求3所述的激光扫描头，其特征在于，第一激光源和第二激光器均为Nd:YAG激光器。
5.根据权利要求4所述的激光扫描头，其特征在于，所述激光源包括出射光为线偏振光的第三激光器和四分之一波片；
所述四分之一波片设置于第三激光器的出射方向，以将第三激光器发射的线偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光。
6.根据权利要求5所述的激光扫描头，其特征在于，第三激光器为Nd:YAG激光器。
7.一种三维打印设备，包括工作缸和激光扫描头，其特征在于，所述激光扫描头为权利要求1～6中任一项所述的激光扫描头，所述激光扫描头发出的两束线偏振光同时照射在所述工作缸底面或已成型零件上表面的粉料上。
8.根据权利要求7所述的三维打印设备，其特征在于，还包括第一移动装置和/或第二移动装置；第一移动装置设置于激光扫描头上，用于使所述激光扫描头相对于所述工作缸底面或已成型零件上表面在水平面内移动，第二移动装置设置于工作缸所在的工作架上，第二移动装置可使所述工作架相对于所述激光扫描头在水平面内移动。
9.一种利用权利要求7或8所述的三维打印设备的打印方法，其特征在于，包括：
将一层粉末材料平铺于工作缸底部或已成型零件的上表面；
将平铺好的该层粉末材料加热到恰好低于该层粉末烧结点的温度；
利用激光扫描头发出的两束激光束同时对该层粉末材料的图形分区扫描、烧结；
当该层粉末材料的截面烧结完成后，工作缸下降一个层的厚度或激光扫描头上升一个层的厚度，再次平铺一层粉末材料，进行新一层的截面烧结，直至完成整个产品加工。
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