CN104907562B - 用于制造三维物体的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于制造三维物体的设备，包括：分光单元、图像监测设备、动态聚焦模块、振镜系统以及窗口镜，激光器发出的激光全部通过所述分光单元后，经过所述动态聚焦模块的动态聚焦后到达所述振镜系统，经过所述振镜系统、所述窗口镜聚焦至三维物体制造设备的工作平面，所述工作平面的自发辐射光依次通过所述窗口镜、所述振镜系统、所述动态聚焦模块后到达所述分光单元，经所述分光单元反射后到达所述图像监测设备，所述图像监测设备通过接收的自发辐射光监测熔池温度大小及其温度大小的变化。本发明实施例的方案不仅实现了对三维物体制造设备的在线实时的监测，且可以用于对快速成型制造过程的参数的修改，可以提高快速成型制造的性能。

Description

用于制造三维物体的设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种用于制造三维物体的设备。

背景技术

快速成型技术(又称快速原型制造技术，Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，又称3D打印，其通过激光作用将粉末材料逐层的、选择性的固结叠加并形成三维物体。这种方法通常的步骤为：通过一个粉末输送系统和一个铺粉系统将粉末铺送到一个用于承载三维物体的缸体(成形缸)平面，激光根据三维物体的在各截面相应的位置信息进行相应的固结，一层截面固结完成后，缸体下降一定高度，进行新一轮的固结，如此往复经若干层固结后最终得到三维物体。

由于具有大幅降低生产成本、提高原材料和能量的利用率、可根据需求进行定制、大大节省产品制作时间等优点，3D打印技术近年来逐渐进入公众视野并得到快速发展。

为了能够及时了解快速成型过程，通常需要对快速成型过程进行监测，通常是对三维物体制造设备的制造过程进行监测。在目前采用的三维物体制造设备的监测方案中，以选择性激光烧结、选择性激光熔融这两种快速成型技术中的设备为例，主要是在设备工作腔内安装摄像机，通过摄像机直接对设备的工作平面进行图像采集。在这种监测方式中，只是简单的采集工作平面的图像，这种图像仅仅只是简单的RGB(三原色光模式)数据，无法获知熔池的温度变化等情况，因而无法应用到烧结或者熔融性能的改进，没有较好的监控性能。

发明内容

基于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于制造三维物体的设备，其不仅可以用以制造三维物体，还可以在线实时地对三维物体制造设备进行监测，且可以用于对快速成型制造过程的参数修改。

为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种用于制造三维物体的设备，包括：分光单元、图像监测设备、动态聚焦模块、振镜系统以及窗口镜，激光器发出的激光全部通过所述分光单元后，经过所述动态聚焦模块的动态聚焦后到达所述振镜系统，经过所述振镜系统、所述窗口镜聚焦至三维物体制造设备的工作平面，所述工作平面的自发辐射光依次通过所述窗口镜、所述振镜系统、所述动态聚焦模块后到达所述分光单元，经所述分光单元反射后到达所述图像监测设备，所述图像监测设备通过接收的自发辐射光监测熔池几何形状及其温度变化。

根据如上所述的本发明实施例的方案，其设备逻辑简单，基于光路可逆原理，通过在光路系统中插入分光单元和图像监测设备，三维物体制造设备的工作平面的自发辐射光可以经逆向光路返回并反射至图像监测设备，从而图像监测设备采集的是工作平面的自发辐射光，基于采集这种自发辐射光得到的图像数据，可以反映出熔池温度大小及其温度大小的变化，基于这些信息不仅实现了对三维物体制造设备的在线实时的监测，且可以用于对快速成型制造过程的参数的修改，可以提高快速成型制造的性能。

附图说明

图1是一个实施例中的用于制造三维物体的设备的结构示意图；

图2是另一实施例中的用于制造三维物体的设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1中示出了本发明一个实施例中的用于制造三维物体的设备的结构示意图。如图1所示，本实施例中的设备包括有：分光单元11、图像监测设备12、动态聚焦模块13、振镜系统14以及窗口镜15，其中，分光单元11、图像监测设备12、动态聚焦模块13、振镜系统14以及窗口镜15之间通过图1所示的光路走向来建立相互之间的作用关系。

结合图1所示的光路走向所示，具体工作时，激光器16发出的激光全部通过分光单元11后，经过动态聚焦模块13的动态聚焦后到达振镜系统14，经过振镜系统14、窗口镜15聚焦至三维物体制造设备的工作平面10，同时，工作平面10的自发辐射光依次通过窗口镜15、振镜系统14、动态聚焦模块13后到达分光单元11，经分光单元11反射后到达图像监测设备12，图像监测设备12通过接收的自发辐射光监测熔池几何形状及其温度变化。

在一个具体示例中，如图1所示，本实施例中的设备还可以包括上述激光器16。在另一个具体示例中，如图2所示，通过分光单元11的激光可以是经由光纤传输过来的激光，此时，本实施例中的设备可以包括光纤准直头17，上述激光器可以为光纤激光器19，光纤准直头17通过光纤18与光纤激光器19连接。

其中，上述分光单元11的两侧均镀膜，即其两侧均分别设置有镀膜层，这两侧的镀膜层均可以使激光器发出的激光全部通过，且通过了动态聚焦模块13的自发辐射光通过靠近图像监测设备12一侧的镀膜层反射至图像监测设备12。在其中一个具体示例中，该分光单元11可以为分光镜。该分光单元11与通过了动态聚焦模块13自发辐射光的光传输的夹角可以为45度，当然，基于实际需要，该夹角也可以设定为其他值。

分光单元11的两侧的镀膜层的材料及镀膜层的厚度，可以结合激光器发出的激光的波长、工作平面可能出现的自发辐射光的种类及其波长来确定，本领域技术人员知晓，基于待通过的激光的波长、待反射的光的种类及其波长来确定镀膜材料及其厚度，可以采用目前已有的各种可能的方式实现，因而在此不再展开叙述。

在图像监测设备12采集了分光单元11反射的自发辐射光得到图像数据后，还可以将采集得到的图像数据发送给计算机终端设备，以便于计算机终端设备可以对这些图像数据进行分析，以确定工作平面的温度大小及其温度大小的变化、光斑及光斑大小的变化，且可以基于这些信息对快速成型制造过程的参数进行修改，以提高快速成型制造的性能。在其中一个具体示例中，该图像监测设备12可以为长焦红外摄像机。

本发明可适用于不同类型的三维物体制造设备，以下结合其中两种不同类型的三维物体制造设备就本发明的处理过程进行举例说明。

以三维物体制造设备为选择性激光熔融设备为例，其熔池温度一般不低于880℃(摄氏度)，根据维恩公式，880℃以上温度对应的中心波长为小于2500nm(纳米)，因此，其对应的激光的波长可以选用1060-1080nm。在该示例中，设定分光单元11为分光镜，投射向分光镜的激光可以是由图2所示的光纤激光器19发出。

可对分光镜两面进行分别镀膜，使从光纤激光器19中发出的波长为1060-1080nm的激光束经光纤准直头17射向分光镜11后，能够全部通过分光镜11，同时也使得熔融表面的自发辐射光(包括波长为400-980nm的可见光、部分近红外光、以及波长为1100-2500nm的近红外光)通过窗口镜15、振镜系统14、动态聚焦模块13到达分光镜11后，能够反射至长焦红外摄像机12。

随后，在具体工作时，具体的工作过程可以是如下所述：

光纤激光器19开启，发出激光束；

光纤激光器19发出的激光束通过光纤18到达光纤准直头17，经过光纤准直头17到达分光镜11后，经动态聚焦模块13后至振镜系统14，经振镜系统14、窗口镜15聚焦至工作平面10，在此工作平面10上进行工件熔融；

熔融表面的自发辐射光(包括波长为400-980nm的可见光、部分近红外光、以及波长为1100-2500nm的近红外光)，通过窗口镜14、振镜系统13、动态聚焦模块13后到达分光镜11，由分光镜11反射至长焦红外摄像机12；

长焦红外摄像机12对分光镜11返回的自发辐射光进行熔池图像的采集，得到图像数据，并将该图像数据发送至计算机终端设备，这里的计算机终端设备可以是包括个人计算机、笔记本电脑、移动终端等任何可能的终端设备；

计算机终端设备对长焦红外摄像机12发回的图像数据进行显示，该图像数据可以反映出熔池温度、熔池温度变化、熔池大小变化、熔池深度变化以及光斑大小变化，且可以根据该图像数据对熔融参数进行实时修改，基于图像数据对熔融参数进行修改的方式可以采用任何可能的方式进行。

以三维物体制造设备为选择性激光烧结设备为例，其烧结时的光斑温度一般不低于180℃(摄氏度)，根据维恩公式，为了适用检测的温度范围以及光学透光材料，可选择8到14微米的透光材料以及对应的选择性镀膜，其对应的激光的波长可以选用10.3-10.8微米。在该示例中，设定分光单元11为分光镜，投射向分光镜的激光可以是由图1所示的激光器16直接发出。

可对分光镜两面进行分别镀膜，使从激光器16中发出的波长为10.3-10.8微米的激光束到达分光镜11后，能够全部通过分光镜11，同时也使得烧结工作平面的自发辐射光(包括波长为8-10微米和11-14微米的远红外光)通过窗口镜15、振镜系统14、动态聚焦模块13到达分光镜11后，能够反射至长焦红外摄像机12。

随后，在具体工作时，具体的工作过程可以是如下所述：

激光器16开启，发出激光束；

激光器16发出的激光束到达分光镜11后，经动态聚焦模块13后至振镜系统14，经振镜系统14、窗口镜15聚焦至工作平面10，在此工作平面10上进行工件烧结；

烧结表面的自发辐射光(包括波长为8-10微米和11-14微米的远红外光)，通过窗口镜15、振镜系统14、动态聚焦模块13后到达分光镜11，由分光镜11反射至长焦红外摄像机12；

长焦红外摄像机12对分光镜11返回的自发辐射光进行熔池图像的采集，得到图像数据，并将该图像数据发送至计算机终端设备，这里的计算机终端设备可以是包括个人计算机、笔记本电脑、移动终端等任何可能的终端设备；

计算机终端设备对长焦红外摄像机12发回的图像数据进行显示，该图像数据可以反映出熔池温度、熔池温度变化、熔池大小变化、熔池深度变化以及光斑大小变化，且可以根据该图像数据对烧结参数进行实时修改，基于图像数据对烧结参数进行修改的方式可以采用任何可能的方式进行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于制造三维物体的设备，其特征在于，包括：分光单元、图像监测设备、动态聚焦模块、振镜系统以及窗口镜，激光器发出的激光全部通过所述分光单元后，经过所述动态聚焦模块的动态聚焦后到达所述振镜系统，经过所述振镜系统、所述窗口镜聚焦至三维物体制造设备的工作平面，所述工作平面的自发辐射光依次通过所述窗口镜、所述振镜系统、所述动态聚焦模块后到达所述分光单元，经所述分光单元反射后到达所述图像监测设备，所述图像监测设备通过接收的自发辐射光监测熔池几何形状及其温度变化，所述分光单元的两侧分别设置有镀膜层，所述激光器发出的激光全部通过所述分光单元两侧的各所述镀膜层，通过了所述动态聚焦模块的自发辐射光通过靠近所述图像监测设备一侧的镀膜层反射至所述图像监测设备。

2.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述分光单元与通过了所述动态聚焦模块的自发辐射光的光传输的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述分光单元为分光镜。

4.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，还包括光纤准直头，所述激光器为光纤激光器，所述光纤准直头通过光纤与所述光纤激光器连接。

5.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述三维物体制造设备为选择性激光熔融设备，所述激光的波长为1060-1080纳米，所述自发辐射光包括波长为400-980纳米的可见光、波长为1100-2500纳米的近红外光。

6.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述三维物体制造设备为选择性激光烧结设备，所述激光的波长为10.3-10.8微米，所述自发辐射光包括波长为8-10微米的远红外光、波长为11-14微米的远红外光。

7.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述图像监测设备为长焦红外摄像机。

8.根据权利要求1至7任一项所述的用于制造三维物体的设备，其特征在于，所述图像监测设备还通过接收的自发辐射光监测光斑及光斑大小的变化，并将所述图像监测设备监测的所有数据发送给计算机终端设备。