CN107379526A - 一种基于面光源的选区激光烧结方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于面光源的选区激光烧结方法及装置，方法是先在计算机中绘制三维实体模型，对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息；再通过光源装置与光路系统将计算机中截面层的信息转化为对应图像的平行面光束，照射到加工层粉末上；等一个加工平面烧结成型后，通过滚筒或刮板在加工平面上铺平一层粉末，烧结新的加工层；如此反复直至整个零件烧结完成；装置包括和计算机连接的铺粉系统、温控系统、光源装置及光路系统，本发明提高了选区激光烧结工件的效率、成型质量均匀、设备结构简单、寿命长、操作方便。

Description

一种基于面光源的选区激光烧结方法及装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于面光源的选区激光烧结方法及装置。

背景技术

选区激光烧结技术(SLS)是一种重要的增材制造方法，可用于金属、陶瓷、高分子聚合物等多种粉末材料的自由成形，能实现传统机加工艺难以完成的复杂三维零件的快速制造，因此在机械、航空航天、生物工程等领域有着广泛的应用前景。

现有选区激光烧结技术使用能量较高的红外激光束按设计实体的切片路径在预热过的粉层上扫描，被扫描到的粉末会因激光产生的高温而烧结，从而形成具有一定形状和厚度的实体薄片，同时每层被熔化的粉末也将融合到它的下一层；一层烧结完成后，工作台下降一定高度，铺粉装置重新铺粉，激光器根据下一层切片路径进行扫描，如此反复，直至烧结完所有层面。这种通过软件控制光斑按照三维零件模型的截面形状进行由点到线、由线到面、由面到体的扫描方式效率低下，且由于扫描间距及误差的影响，同一截面不同扫描区域的粉末烧结次数不同且不易控制，烧结质量不均匀，精度差，而且由于部分材料不吸收红外光，使其加工范围受限。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于面光源的选区激光烧结方法及装置，不再对材料有所限制，单个加工平面一次烧结完成，加工效率更高；同一截面被烧结区域的粉末烧结质量也更加均匀。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于面光源的选区激光烧结方法，首先在计算机中绘制三维实体模型，由软件对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息；再通过光源装置与光路系统将计算机中截面层的信息转化为对应图像的平行面光束，照射到加工层粉末上；等一个加工平面烧结成型后，通过滚筒或刮板在加工平面上铺平一层粉末，烧结新的加工层；如此反复直至整个零件烧结完成。

所述的平行面光束有三种产生方式：

1)由LED光源组发射的平行光线经过可选择性透光的TFT液晶屏而产生的与截面形状相同的面光束；

2)由激光器发射的小直径的点状光源先经由扩束镜放大成一个大直径且平行的面光源，再经过TFT液晶屏形成与截面形状相同的面光束；

3)由光源控制系统把与零件截面形状相对应的LED光源组内的发光体点亮，LED光源发射的光通过传导光纤束、聚焦纤维透镜组和成像透镜后而形成面光束。

一种基于面光源的选区激光烧结装置，包括和计算机连接的铺粉系统、温控系统、光源装置及光路系统，

所述的铺粉系统包括升降台、供粉缸、成型缸、滚筒或刮板，成型缸中激光烧结加工完成后，升降台控制供粉缸上升一个大于等于层厚的高度，成型缸下降一个层厚，滚筒或刮板由供粉缸向成型缸运动带动供粉缸中的粉末向成型缸沉积，滚筒或刮板到达极限位置后返回初始位置，再次压平成型缸中的粉末；

所述的温控系统包括加热器和温度传感器，烧结粉末前由温控装置设定预热温度，通过加热器将粉末加热至预热温度，加热以及加工过程中都由温度传感器实时监测粉末的温度；

所述的光源装置及光路系统有三种结构：

第一种光源为紫外LED灯组，LED灯组包括多个阵列排布的发光单元，控制LED灯组点亮和熄灭的电源控制单元，多个发光单元中每个单元均包括至少一个准直器，用以将发光体的发散光转变为基本上相互平行的光；准直器为反射镜或透镜、凹面镜、球面反射镜、凸透镜或菲涅尔透镜；第一种光路系统包括TFT液晶显示屏，TFT液晶显示屏上显示的二维图像信息与计算机中的切片截面形状一致，面光源穿过TFT液晶显示屏上二维图像中的透明区域从而烧结铺粉层，穿不过的不透明区域则不进行烧结；

第二种光源采用紫外激光器、CO₂激光器、光纤激光器作为光源，激光器与第二种光路系统之间设有一个扩束镜，用以将激光器发射出的小直径的点状光源放大成一个大直径且平行的面光源，平行光线垂直于第二种光路系统；第二种光路系统和第一种光路系统结构相同；

第三种光源包括光源控制系统和紫外LED灯组，紫外LED灯组由基板和多个并行的LED发光体组成，工作时光源控制系统通过电信号控制对应的紫外LED灯的亮灭，用以反映计算机中实体的切片截面信息；第三种光路系统包括光线束、聚焦纤维透镜组和成像透镜，光纤束由多根传导光纤组成，其中的每根光纤的一端与紫外LED光源组中对应的发光体封装联接，用于传递紫外光信号；聚焦纤维透镜组由多个聚焦纤维透镜组成，其中的每个聚焦纤维透镜各与对应的传导光纤的另一端耦合联接，传导光纤中的光线经过聚焦纤维透镜后变成近似平行光输出；成像透镜用于将聚焦纤维透镜组发出的近似平行光图像信号调整后照射到铺好的粉末颗粒加工层表面。

与现有的选区激光烧结技术相比，本发明以整体面烧结的方式烧结加工层，一个加工平面一次烧结完成，且同一截面所有被烧结区域的粉末烧结时间和次数均相同，烧结均匀，显著地提高了选区激光烧结工件的效率、成型质量均匀、装置结构简单、寿命长、操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为图1的光源系统示意图。

图5为图2的光源系统示意图。

图6为图3的LED紫外光源组示意图。

图7为图3的LED紫外光源组与传导光纤的耦合示意图。

图8为图3的传导光纤与聚焦纤维透镜耦合示意图。

图9为本发明铺粉系统示意图。

图10为本发明温控系统示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明进一步说明。

实施例1：

参见图1、图4、图9和图10，一种基于面光源的选区激光烧结装置，包括和计算机1连接的铺粉系统、温控系统、光源及光路系统，其中光源为LED光源组8，光路系统由TFT液晶显示屏7组成，铺粉系统包括滚筒4、供粉缸5、成型缸6和升降台11，温控系统包括加热器2和温度传感器3，所述LED光源组8包括多个发光单元81，多个发光单元81阵列排布，多个发光单元81与光源控制单元82电性连接，控制多个发光单元81的点亮和熄灭，多个发光单元81的每一发光单元均包括至少一个发光体83及准直器84，准直器84用于将至少一个发光体83发出的发散光转变成基本上相互平行的光。

本实施例的工作过程为:在计算机1中绘制三维实体模型，由软件对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息并在TFT液晶屏7上显示出相应的二维图像；由LED光源组8发出的平行面光束穿过TFT显示屏7二维图像的透明区域照射到成型缸6的加工层上，用于烧结粉末；一个加工平面烧结成型后，控制升降台11使供粉缸5上升大于等于一个层厚，成型缸6下降一个层厚，滚筒4由供粉缸5向成型缸6滚动带动供粉缸5中的粉末向成型缸6沉积，旋转的滚筒4到达极限位置后返回初始位置，再次压平成型缸6中的粉末，计算机1提供下一个截面的信息，重新烧结新的铺粉层，如此反复直至整个零件烧结完成。

实施例2：

参见图2、图5、图9和图10，一种基于面光源的选区激光烧结装置，包括和计算机1连接的铺粉系统、温控系统、光源及光路系统，其中光源由扩束镜9和激光器10组成。光路系统由TFT液晶显示屏7组成，铺粉系统包括滚筒4、供粉缸5、成型缸6和升降台11，温控系统包括加热器2和温度传感器3。

本实施例的工作过程为:在计算机1中绘制三维实体模型，由软件对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息并在TFT液晶屏7上显示出相应的二维图像；二维图像对应的实体截面区域为透光区域，紫外激光器10发射的激光经由扩束镜9形成平行排列且覆盖面积较大的光束穿过TFT液晶显示屏7的透明区域照射到成型缸6的铺粉层上，用于烧结粉末；一个加工平面烧结成型后，控制升降台11使供粉缸5上升大于等于一个层厚，成型缸6下降一个层厚，滚筒4由供粉缸5向成型缸6滚动带动供粉缸5中的粉末向成型缸6沉积，旋转的滚筒4到达极限位置后返回初始位置，再次压平成型缸6中的粉末，计算机提供下一个截面的信息，重新烧结新的铺粉层，如此反复直至整个零件烧结完成。

实施例3：

参见图3、图6、图7、图8、图9和图10，一种基于面光源的选区激光烧结装置，包括和计算机1连接的铺粉系统、温控系统、光源及光路系统，其中光源由紫外LED光源组8和光源控制系统15组成，光路系统由光纤束12、聚焦纤维透镜组13和成像透镜14组成，铺粉系统包括滚筒4、供粉缸5、成型缸6和升降台11，温控系统包括加热器2和温度传感器3，所述LED光源组8包括多个发光单元81，多个发光单元81阵列排布，发光单元81安装在紫外光源组基板86上。

本实施例的工作过程为:在计算机1中绘制三维实体模型，由软件对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息，通过控制电路将各截面的信息转化为对应的电信号，控制紫外LED灯组8内对应的发光体的亮灭，紫外LED光源组8发射的光线通过传导光纤12、聚焦纤维透镜组13和成像透镜14的调整后，以与截面形状相一致的平行面光束形式照射到成型缸6的加工层上，用于烧结粉末；一个加工平面烧结成型后，控制升降台11使供粉缸5上升大于等于一个层厚，成型缸6下降一个层厚，滚筒4由供粉缸5向成型缸6滚动带动供粉缸5中的粉末向成型缸6沉积，旋转的滚筒4到达极限位置后返回初始位置，再次压平成型缸6中的粉末，计算机1提供下一个截面的信息，用上述方式重新烧结新的铺粉层，如此反复直至整个零件烧结完成。

Claims (3)

1.一种基于面光源的选区激光烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：首先在计算机中绘制三维实体模型，由软件对三维实体进行切片处理，得到各个截面层的信息；再通过光源装置与光路系统将计算机中截面层的信息转化为对应图像的平行面光束，照射到加工层粉末上；等一个加工平面烧结成型后，通过滚筒或刮板在加工平面上铺平一层粉末，烧结新的加工层；如此反复直至整个零件烧结完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于面光源的选区激光烧结方法，其特征在于，所述的平行面光束有三种产生方式：

1)由LED光源组发射的平行光线经过可选择性透光的TFT液晶屏而产生的与截面形状相同的面光束；

2)由激光器发射的小直径的点状光源先经由扩束镜放大成一个大直径且平行的面光源，再经过TFT液晶屏形成与截面形状相同的面光束；

3)由光源控制系统把与零件截面形状相对应的LED光源组内的发光体点亮，LED光源发射的光通过传导光纤束、聚焦纤维透镜组和成像透镜后而形成面光束。

3.一种基于面光源的选区激光烧结装置，包括和计算机连接的铺粉系统、温控系统、光源装置及光路系统，其特征在于：

所述的铺粉系统包括升降台、供粉缸、成型缸、滚筒或刮板，成型缸中激光烧结加工完成后，升降台控制供粉缸上升一个大于等于层厚的高度，成型缸下降一个层厚，滚筒或刮板由供粉缸向成型缸运动带动供粉缸中的粉末向成型缸沉积，滚筒或刮板到达极限位置后返回初始位置，再次压平成型缸中的粉末；

所述的温控系统包括加热器和温度传感器，烧结粉末前由温控装置设定预热温度，通过加热器将粉末加热至预热温度，加热以及加工过程中都由温度传感器实时监测粉末的温度；

所述的光源装置及光路系统有三种结构：

第一种光源为紫外LED灯组，LED灯组包括多个阵列排布的发光单元，控制LED灯组点亮和熄灭的电源控制单元，多个发光单元中每个单元均包括至少一个准直器，用以将发光体的发散光转变为基本上相互平行的光；准直器为反射镜或透镜、凹面镜、球面反射镜、凸透镜或菲涅尔透镜；第一种光路系统包括TFT液晶显示屏，TFT液晶显示屏上显示的二维图像信息与计算机中的切片截面形状一致，面光源穿过TFT液晶显示屏上二维图像中的透明区域从而烧结铺粉层，穿不过的不透明区域则不进行烧结；

第二种光源采用紫外激光器、CO₂激光器、光纤激光器作为光源，激光器与第二种光路系统之间设有一个扩束镜，用以将激光器发射出的小直径的点状光源放大成一个大直径且平行的面光源，平行光线垂直于第二种光路系统；第二种光路系统和第一种光路系统结构相同；

第三种光源包括光源控制系统和紫外LED灯组，紫外LED灯组由基板和多个并行的LED发光体组成，工作时光源控制系统通过电信号控制对应的紫外LED灯的亮灭，用以反映计算机中实体的切片截面信息；第三种光路系统包括光线束、聚焦纤维透镜组和成像透镜，光纤束由多根传导光纤组成，其中的每根光纤的一端与紫外LED光源组中对应的发光体封装联接，用于传递紫外光信号；聚焦纤维透镜组由多个聚焦纤维透镜组成，其中的每个聚焦纤维透镜各与对应的传导光纤的另一端耦合联接，传导光纤中的光线经过聚焦纤维透镜后变成近似平行光输出；成像透镜用于将聚焦纤维透镜组发出的近似平行光图像信号调整后照射到铺好的粉末颗粒加工层表面。