CN107764524B - 一种基于激光检测的3d打印精度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，包括成型室和激光干涉监测装置，所述成型室底部两端分别固定安装有成型缸和粉料缸，所述激光干涉监测装置设在成型缸正上方，且所述激光干涉监测装置固定安装在成型室顶部，通过设置激光干涉监测装置以及在试件固定基座外侧加设的干涉纹，而且干涉纹严格按照激光干涉规律分布，通过产生的激光束经过处理后形成相干的光源照射到试件上，在打印的过程中，工件始终处于干涉激光的照射下，任何偏离误差都会经过干涉现象放大体现在干涉纹上，通过干涉条纹的变化能够将极小的变化放大，可以达到纳米级的监测，大大提高了3D打印过程中的激光监测精度。

Description

一种基于激光检测的3D打印精度监测装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种基于激光检测的3D打印精度监测装置。

背景技术

3D打印又称为三维打印，它的学名是增材制造，是指将材料一次性熔聚成型的快速制造技术，它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，通过逐层打印并叠加不同形状的连续层方式来构造三维的任何物体，3D打印实质上就是快速成型技术之一。

3D打印技术最突出的优点是无需模具，也不需要机械加工，可直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，是多维加工的，或者采用模具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。其次，工艺周期短、精度高，实现了首件的近净成形，同时解决了传统制造业开模耗费时间长的问题。后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，同时也避免了后续加工过程的误差累积，精度更高。

现有技术手段中，如申请号为201610870254.8公布的一种喷射头能振动的三D打印装置，通过在喷射头内部安装有超声波振动装置，具有较为简单的结构，成型制品具有密度大、拉伸和冲击强度都得到了较大的提高，产品质量好，间接的来控制打印的精度；又如申请号为201610149166.9公布的一种3D打印装置，通过所述水箱、循环水泵和冷排首尾相连形成温控循环系统，所述冷排设置于工作台的打印区域，所述温差半导体与所述水箱相连以控制其内部流体的温度，采用恒温系统，模型的整体打印效果更加平滑，提高了打印精度。

在现有的3D打印中，如何控制打印的精度一直是目前最为核心的技术手段。3D打印的精度影响有很多，如上述的喷射头和温度的影响，而进一步综合上述技术方案和现实存在的问题，以及结合目前被广泛应用的技术方案，还存在的主要缺陷主要体现为模型的建立与实际打印的区别，而在这个过程中检测装置就显得很重要，而又由于在打印的过程中，一般分层的厚度都是微米级，而这种数量级的精度检测是十分困难的，由于精度的检测比较困难，因此进一步要求精度达到现有的打印精度需求则是更加困难，至少在目前常规的检测方法是不能实现高精度的检测。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，通过激光干涉监测，能够将监测精度提高到纳米级，能够提高实际打印和成型的精度，可以有效解决背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于激光检测的D打印精度监测装置，包括成型室，所述成型室底部两端分别固定安装有成型缸和粉料缸，其特征在于：

还包括激光干涉监测装置，所述激光干涉监测装置设在成型缸正上方，且所述激光干涉监测装置固定安装在成型室顶部；

所述激光干涉监测装置包括导管腔，所述导管腔呈L型，在导管腔两端分别固定安装有光束隔离器和聚焦透镜，且在导管腔转折处内侧还固定安装有振镜，所述聚焦透镜穿过内腔，且固定安装在内腔壁上，所述光束隔离器和振镜之间还固定安装有扩束镜，在光束隔离器外侧通过悬架固定安装有光纤激光器；

所述振镜内侧通过三角支撑架固定安装在导管腔内壁，且在振镜和三角支撑架之间还安装有减震防偏卡环；

在三角支撑架和减震防偏卡环之间还安装有转动球，在减震防偏卡环上安装有限位环，所述转动球设在限位环内，所述减震防偏卡环内部还固定安装有减震硅胶棉。

作为本发明一种优选的技术方案，所述内腔底部均固定安装有喷射头安装基座，在成型缸和粉料缸之间还固定安装有滑动导轨，所述成型缸和粉料缸均由支撑板和气缸臂组成，所述支撑板固定安装在气缸臂顶部，在两个支撑板顶部分别固定安装有试件固定基座和粉料斗，所述试件固定基座和粉料斗均通过气缸臂上下滑动；

作为本发明一种优选的技术方案，所述喷射头安装基座的数量为三个，三个喷射头安装基座以成型缸中心为对称中心均匀分布，在每个喷射头安装基座上均安装有数控连接端口。

作为本发明一种优选的技术方案，所述滑动导轨上设有铺粉辊，所述铺粉辊包括底盘和辊筒，所述辊筒嵌入滑动导轨内部，所述底盘通过转动轴安装在辊筒上。

作为本发明一种优选的技术方案，所述底盘底部还固定安装有周期变频电机，且在底盘顶部还固定安装有铺粉板，所述铺粉板通过辊筒沿着滑动导轨在成型缸和粉料缸之间来回滑动。

作为本发明一种优选的技术方案，所述聚焦透镜和成型缸中心在同一条直线上，所述光束隔离器、扩束镜和振镜的中心均在同一条直线上。

作为本发明一种优选的技术方案，所述光纤激光器产生的激光光束均以两条直线为对称轴对称分布进行传播，且激光光束在振镜上的反射角相等，两条激光光束的反射点以振镜中心为对称中心对称分布。

作为本发明一种优选的技术方案，所述试件固定基座顶部还固定安装有试件环，所述试件环与聚焦透镜中心在同一条直线上，且试件环、聚焦透镜和成型缸三者的中心位于同一条直线上。

作为本发明一种优选的技术方案，所述试件环外侧均刻有若干组干涉纹，所述干涉纹均呈圆环状，且干涉纹均呈不等间距排列，所述干涉纹排列均满足光纤激光的干涉条纹分布规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置激光干涉监测装置以及在试件固定基座外侧加设的干涉纹，而且干涉纹严格按照激光干涉规律分布，通过产生的激光束经过处理后形成相干的光源照射到试件上，在打印的过程中，工件始终处于干涉激光的照射下，任何偏离误差都会经过干涉现象放大体现在干涉纹上，通过干涉条纹的变化能够将极小的变化放大，在宏观上大大提高监测的精度，能够直接跳过传统的微米级监测，在根据需求的情况下调整光源可以达到纳米级的监测，大大提高了3D打印过程中的激光监测精度，能够给微米级的逐层打印提供很好的质量检测。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明铺粉辊结构示意图；

图3为本发明成型缸结构示意图；

图4为本发明三角支撑架结构示意图；

图中：1-成型室；2-激光干涉监测装置；

101-成型缸；102-粉料缸；103-内腔；104-喷射头安装基座；105-滑动导轨；106-支撑板；107-气缸臂；108-试件固定基座；109-粉料斗；111-数控连接端口；112-铺粉辊；113-底盘；114-辊筒；115-转动轴；116-周期变频电机；117-铺粉板；118-试件环；119-干涉纹；

201-导管腔；202-光束隔离器；203-聚焦透镜；204-振镜；205-扩束镜；206-悬架；207-光纤激光器；208-三角支撑架；209-减震防偏卡环；210-转动球；211-限位环；212-减震硅胶棉；

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、完整地描述，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做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。

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「中」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向和位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

实施例：

如图1至图4所示，本发明提供了一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，包括成型室1和激光干涉监测装置，所述成型室1底部两端分别固定安装有成型缸101和粉料缸102，所述激光干涉监测装置2设在成型缸101正上方，且所述激光干涉监测装置2固定安装在成型室1顶部。

所述成型室1包括内腔103，所述内腔103底部均固定安装有喷射头安装基座104，用于安装打印喷射头，所述喷射头安装基座104的数量为三个，三个喷射头安装基座104以成型缸101中心为对称中心均匀分布，在每个喷射头安装基座104上均安装有数控连接端口111，通过在周边形成等间距均匀的分布，能够实现均匀的打印方位特征，具体表现为在一个三维空间内，通过三个方向均匀的安装打印喷射头，能够避免只能从一个方向打印，从三个方向上同时进行打印，能够降低打印时间的同时，还能提高各层次之间的冷却间隔时间，提高实际的打印锲合程度，而位于喷射安装基座104上的数控连接端口111，是直接从内部形成连接控制的端口，能够避免连接的数控线从外侧缠绕，影响打印的实际操作或者线缆对于监测和打印产品的磨蹭，在成型缸101和粉料缸102之间还固定安装有滑动导轨105，所述成型缸101和粉料缸102均由支撑板106和气缸臂107组成，所述支撑板106固定安装在气缸臂107顶部，在两个支撑板106顶部分别固定安装有试件固定基座108和粉料斗109，所述试件固定基座108和粉料斗109均通过气缸臂107上下滑动，分别用来承载打印工件和粉墨，前者是为了适应3D打印的纵向高度变化，能够使得打印喷射头始终处于同一个平面上即可完成完整的打印，能够更加符合打印过程中的分层特征，而且更是便于激光监测整个过程都处于同一平面上，只需在监测过程中观察同一平面的变化特征即可，而不必考虑层面变化对监测效果带来的影响。

所述滑动导轨105上设有铺粉辊112，所述铺粉辊112包括底盘113和辊筒114，所述辊筒114嵌入滑动导轨105内部，所述底盘113通过转动轴115安装在辊筒114上，所述底盘113底部还固定安装有周期变频电机116，且在底盘113顶部还固定安装有铺粉板117，所述铺粉板117通过辊筒114沿着滑动导轨105在成型缸101和粉料缸102之间来回滑动。

在这里需要特别对铺粉辊112做进一步的解释，在本发明中的铺粉辊112其实只能针对打印耗材为粉墨时才可以应用得到上，而在其他耗材中是无需使用的，之所以将其安装在成型室1内，也是为了提高整个监测装置的适用性。所谓的铺粉辊112其实就是通过周期变频电机116驱动辊筒114在滑动导轨105内部进行滑动，从而带动顶部的底盘113以及铺粉板117进行周期的运动，在这个过程中，带动实际的粉墨喷洒在3D打印的粘结层上，实现3D打印的逐层增加。而之所以通过铺粉辊112来进行铺粉，也是为了减少打印工件上方的装置数量和种类，减少对激光监测的影响，而在打印耗材为非粉墨时，铺粉辊112是不具备任何作用的。

所述激光干涉监测装置2包括导管腔201，所述导管腔201呈L型，在导管腔201两端分别固定安装有光束隔离器202和聚焦透镜203，且在导管腔201转折处内侧还固定安装有振镜204，所述聚焦透镜203穿过内腔103，且固定安装在内腔103壁上，所述光束隔离器202和振镜204之间还固定安装有扩束镜205，在光束隔离器202外侧通过悬架206固定安装有光纤激光器207。

所述光线激光器207产生所需要的单光源激光，而且能够根据需求产生不同波长的单光源激光，实现不同精度的检测，而在激光产生以后首先通过光束隔离器进行杂质光的过滤，提高光源的纯粹性，防止杂志光的干扰，经过过滤之后的激光通过扩束镜205，并且通过扩束镜205的作用将单束激光分解成两束激光，为后续的激光干涉提供基本的光源条件，再形成两束相干激光之后通过振镜204改变光源的传播方向而不改变其他任何的性质，在这个过程中，可以根据所需光源的传输方向需要进行调整，而这个调整的过程和具体结构特征将在下文进一步做详细的阐述，再具有相干的干涉光源之后通过聚焦透镜的聚焦作用，将两束相干的光源进行干涉照射到打印工件上，形成干涉条纹能够实时显示打印工件的误差，并且能够极大的放大监测精度。而激光的具体干涉原理是基本物理常识在这里不再进行赘述。

所述振镜204内侧通过三角支撑架208固定安装在导管腔201内壁，通过三角支撑架208进行稳定的支撑，具有稳定的支撑结构基础，且在振镜204和三角支撑架208之间还安装有减震防偏卡环209，提供振镜204的安装附着位，在三角支撑架208和减震防偏卡环209之间还安装有转动球210，能够通过转动球210的调整作用实现360°的无死角调节，而在实际操作中，只能实现平面上的360°调整，以及平面上的180°调节，也就是在振镜204发射面上的任意调节，在减震防偏卡环209上安装有限位环211，在完成调整作用后进行固定限位，防止发生松动，所述转动球210设在限位环211内，所述减震防偏卡环209内部还固定安装有减震硅胶棉212，提高振镜204的抗干扰能力。

所述聚焦透镜203和成型缸101中心在同一条直线上，所述光束隔离器202、扩束镜205和振镜204的中心均在同一条直线上，所述光纤激光器207产生的激光光束均以两条直线为对称轴对称分布进行传播，且激光光束在振镜204上的反射角相等，两条激光光束的反射点以振镜204中心为对称中心对称分布，具有对称分布的相干光源。

所述试件固定基座108顶部还固定安装有试件环118，所述试件环118与聚焦透镜203中心在同一条直线上，且试件环118、聚焦透镜203和成型缸101三者的中心位于同一条直线上，所述试件环118外侧均刻有若干组干涉纹119，所述干涉纹119均呈圆环状，且干涉纹119均呈不等间距排列，所述干涉纹119排列均满足光纤激光的干涉条纹分布规律，将设定的干涉纹119作为实际干涉过程中形成的干涉条纹进行对比，作为对比的基准，有利于实际判断实际打印过程中发生误差的程度，更细致的能够区分实际发生误差的数量级。

综上所述，本发明的主要特点在于：本发明通过设置激光干涉监测装置以及在试件固定基座外侧加设的干涉纹，而且干涉纹严格按照激光干涉规律分布，通过产生的激光束经过处理后形成相干的光源照射到试件上，在打印的过程中，工件始终处于干涉激光的照射下，任何偏离误差都会经过干涉现象放大体现在干涉纹上，通过干涉条纹的变化能够将极小的变化放大，在宏观上大大提高监测的精度，能够直接跳过传统的微米级监测，在根据需求的情况下调整光源可以达到纳米级的监测，大大提高了3D打印过程中的激光监测精度，能够给微米级的逐层打印提供很好的质量检测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，包括成型室（1），所述成型室（1）底部两端分别固定安装有成型缸（101）和粉料缸（102），其特征在于：

还包括激光干涉监测装置（2），所述激光干涉监测装置（2）设在成型缸（101）正上方，且所述激光干涉监测装置（2）固定安装在成型室（1）顶部；

所述激光干涉监测装置（2）包括导管腔（201），所述导管腔（201）呈L型，在导管腔（201）两端分别固定安装有光束隔离器（202）和聚焦透镜（203），且在导管腔（201）转折处内侧还固定安装有振镜（204），所述聚焦透镜（203）穿过内腔（103），且固定安装在内腔（103）壁上，所述光束隔离器（202）和振镜（204）之间还固定安装有扩束镜（205），在光束隔离器（202）外侧通过悬架（206）固定安装有光纤激光器（207）；

所述振镜（204）内侧通过三角支撑架（208）固定安装在导管腔（201）内壁，且在振镜（204）和三角支撑架（208）之间还安装有减震防偏卡环（209）；

在三角支撑架（208）和减震防偏卡环（209）之间还安装有转动球（210），在减震防偏卡环（209）上安装有限位环（211），所述转动球（210）设在限位环（211）内，所述减震防偏卡环（209）内部还固定安装有减震硅胶棉（212）；

所述内腔（103）底部均固定安装有喷射头安装基座（104），在成型缸（101）和粉料缸（102）之间还固定安装有滑动导轨（105），所述成型缸（101）和粉料缸（102）均由支撑板（106）和气缸臂（107）组成，所述支撑板（106）固定安装在气缸臂（107）顶部，在两个支撑板（106）顶部分别固定安装有试件固定基座（108）和粉料斗（109），所述试件固定基座（108）和粉料斗（109）均通过气缸臂（107）上下滑动；

所述试件固定基座（108）顶部还固定安装有试件环（118），所述试件环（118）与聚焦透镜（203）中心在同一条直线上，且试件环（118）、聚焦透镜（203）和成型缸（101）三者的中心位于同一条直线上；

所述试件环（118）外侧均刻有若干组干涉纹（119），所述干涉纹（119）均呈圆环状，且干涉纹（119）均呈不等间距排列，所述干涉纹（119）排列均满足光纤激光的干涉条纹分布规律。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，其特征在于：所述喷射头安装基座（104）的数量为三个，三个喷射头安装基座（104）以成型缸（101）中心为对称中心均匀分布，在每个喷射头安装基座（104）上均安装有数控连接端口（111）。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，其特征在于：所述滑动导轨（105）上设有铺粉辊（112），所述铺粉辊（112）包括底盘（113）和辊筒（114），所述辊筒（114）嵌入滑动导轨（105）内部，所述底盘（113）通过转动轴（115）安装在辊筒（114）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，其特征在于：所述底盘（113）底部还固定安装有周期变频电机（116），且在底盘（113）顶部还固定安装有铺粉板（117），所述铺粉板（117）通过辊筒（114）沿着滑动导轨（105）在成型缸（101）和粉料缸（102）之间来回滑动。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，其特征在于：所述聚焦透镜（203）和成型缸（101）中心在同一条直线上，所述光束隔离器（202）、扩束镜（205）和振镜（204）的中心均在同一条直线上。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光检测的3D打印精度监测装置，其特征在于：所述光纤激光器（207）产生的激光光束均以两条直线为对称轴对称分布进行传播，且激光光束在振镜（204）上的反射角相等，两条激光光束的反射点以振镜（204）中心为对称中心对称分布。