CN109353004A - 光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质，应用于基于激光快速成型的3D打印方法中。所述方法包括：激光发射模块发射激光束；光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。上述光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质，通过在光路中加入光斑整形模块，将激光发射模块发射的激光束整形成为能量分布均匀的光斑，使得光斑的固化特性一致，并基于能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描，接收所述能量分布均匀的光斑扫描而固化的树脂的特性也一致，因此不用进行重复扫描，提高了扫描效率。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
基于SLA(Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化)的3D打印方法是利用光敏树脂的固化特性实现的。在进行打印时，在液槽中填充液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。
基于SLS(Selective Laser Sintering，粉末材料选择性激光烧结)的3D打印方法采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。
基于SLM(Selective Laser Melting，选择性激光熔融)的3D打印方法为打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射，金属粉末加热到完全熔化后成型。然后活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已成型的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行激光熔化，与前一层截面粘结，此过程逐层循环直至整个物体成型。
目前用于3D打印的激光束会形成高斯光斑，且具有一定的直径大小。高斯光斑中心处光强最强，向边缘方向光强逐渐减弱，分布遵守高斯函数，因此高斯光斑会形成多层能量分布，且每个层内的能量分布是不均匀的，这样会导致打印物体的固化特性也不一致，为了让打印物体的固化特性一致，扫描路径的规划需要让光斑进行一定程度的重合，降低了扫描效率。
发明内容
基于此，有必要针对为了让打印物体的固化特性尽可能一致，扫描路径的规划需要让光斑进行一定程度的重合，降低了扫描效率的技术问题，提供一种光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种光斑整形方法，应用于基于激光快速成型的3D打印方法中，所述方法包括：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
在其中一个实施例中，所述光斑整形模块包括控制器和光束均匀镜，所述控制器用于调节所述光束均匀镜的角度和位置。
在其中一个实施例中，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑包括：
所述光束均匀镜将激光束整形成为能量分布均匀的光斑并发射。
在其中一个实施例中，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑还包括：
所述控制器控制所述光束均匀镜调节角度以适应各个方向的扫描。
在其中一个实施例中，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑还包括：
所述控制器控制所述光束均匀镜移出光路，使所述激光束直接发射到所述扫描模块。
在其中一个实施例中，所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描包括：
所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到原料表面使原料层层固化。
在其中一个实施例中，所述能量分布均匀的光斑为方形光斑。
一种光斑整形装置，所述装置包括：
激光发射模块，用于发射激光束；
光斑整形模块，用于对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑且适应各个方向的扫描，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块，用于接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
上述光斑整形方法、装置、计算机设备和存储介质，通过在光路中加入光斑整形模块，将激光发射模块发射的激光束整形成为能量分布均匀的光斑，使得光斑的固化特性一致，并基于能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描，接收所述能量分布均匀的光斑扫描而固化的物体的特性也一致，因此不用进行重复扫描，提高了扫描效率。
附图说明
图1为一个实施例中光斑整形方法的流程示意图；
图2为扫描方向变化时，光斑无法填满的示意图；
图3为本发明一实施例中调节光束均匀镜方向使光斑填满的示意图；
图4为一个实施例中光斑整形装置的结构框图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
基于SLA(Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化)的3D打印方法是利用光敏树脂的固化特性实现的。在进行打印时，在液槽中填充液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。
基于SLS(Selective Laser Sintering，粉末材料选择性激光烧结)的3D打印方法采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。
基于SLM(Selective Laser Melting，选择性激光熔融)的3D打印方法为打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射，金属粉末加热到完全熔化后成型。然后活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已成型的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行激光熔化，与前一层截面粘结，此过程逐层循环直至整个物体成型。
目前用于3D打印的激光束会形成高斯光斑，且具有一定的直径大小，高斯光斑中心处光强最强，向边缘方向光强逐渐减弱，分布遵守高斯函数，因此高斯光斑会形成多层能量分布，且每个层内的能量分布是不均匀的，这样会导致打印物体的固化特性也不一致，为了让打印物体的固化特性一致，扫描路径的规划需要让光斑进行一定程度的重合，降低了扫描效率。
请参阅图1，图1为本发明一个实施例的光斑整形方法的示意图。
在本实施例中，所述光斑整形方法应用于基于激光快速成型的3D打印方法中，所述方法包括：
步骤100，激光发射模块发射激光束。
在本实施例中，所述激光发射模块为激光器。在其它实施例中，所述激光发射模块发射激光束，所述激光束会形成能量分布不均匀的高斯光斑。具体地，所述激光束的强度可以依据3D打印的精细要求而定。
步骤110，光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑。
激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因此，在诸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物医学工程以等技术领域，因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用，进而限制了其应用。因此,需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束，以消除能量不均引起的不良效果。目前，已发展了非球面透镜组整形法、衍射光学元件法、长焦深元件法、液晶空间光调制法以及自聚焦透镜法等多种技术。以上光束整形技术对应的器件均可达到将激光束整形成为能量分布均匀的光斑的效果。
在本实施例中，所述光斑整形模块包括控制器和光束均匀镜，所述控制器用于调节所述光束均匀镜的角度和位置。具体地，所述光束均匀镜接收所述激光发射模块发送的激光束，并将其整形成为能量分布均匀的光斑并发射。在本实施例中，所述能量分布均匀的光斑为方形光斑。在其它实施例中，所述能量分布均匀的光斑可以为其它形状的光斑，只需能量分布均匀即可。在其它实施例中，所述光斑整形模块可以为其它光斑整形技术对应的器件，例如非球面透镜组、衍射光学元件等器件，只需达到将激光束整形成为能量分布均匀的光斑的效果即可。
请参阅图2，图2为扫描方向变化时，光斑无法填满的示意图，在进行3D打印时，若扫描方向变化时，容易在对截面进行扫描时出现光斑无法完全将截面填充满的问题。请参阅图3，图3为本发明一实施例中调节光束均匀镜方向使光斑填满的示意图。在本实施例中，所述控制器根据扫描方向的变化控制所述光束均匀镜相应调节角度使光斑将截面填充满，以适应各个方向的扫描。
在本实施例中，所述控制器用于调节所述光束均匀镜的角度和位置。在其它实施例中，所述控制器还可以根据用户需求控制所述光束均匀镜移出光路，使所述激光束直接发射到所述扫描模块形成原始的高斯光斑。
步骤120，扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
在本实施例中，所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到原料表面使原料层层固化。具体地，所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到光敏树脂表面使光敏树脂层层固化，层层叠加构成建构三维实体。在其它实施例中，当所述光斑整形方法应用于基于SLS的3D打印方法、基于SLM的3D打印方法等其它打印方法中时，所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑后基于不同打印方法执行相应扫描操作。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种光斑整形装置，包括：激光发射模块400、光斑整形模块410和扫描模块420，其中：
激光发射模块400，用于发射激光束。
光斑整形模块410，用于对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑且适应各个方向的扫描，并发射所述能量分布均匀的光斑。
扫描模块420，用于接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
关于光斑整形装置的具体限定可以参见上文中对于光斑整形方法的限定，在此不再赘述。上述光斑整形装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种光斑整形方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时驱动相应模块实现以下步骤：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述光束均匀镜将激光束整形成为能量分布均匀的光斑并发射。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述控制器控制所述光束均匀镜调节角度以适应各个方向的扫描。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述控制器控制所述光束均匀镜移出光路，使所述激光束直接发射到所述扫描模块。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到原料表面使原料层层固化。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时驱动相应模块实现以下步骤：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述光束均匀镜将激光束整形成为能量分布均匀的光斑并发射。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述控制器控制所述光束均匀镜调节角度以适应各个方向的扫描。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述控制器控制所述光束均匀镜移出光路，使所述激光束直接发射到所述扫描模块。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还驱动相应模块实现以下步骤：
所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到原料表面使原料层层固化。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光斑整形方法，应用于基于激光快速成型的3D打印方法中，其特征在于，所述方法包括：
激光发射模块发射激光束；
光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光斑整形模块包括控制器和光束均匀镜，所述控制器用于调节所述光束均匀镜的角度和位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑包括：
所述光束均匀镜将激光束整形成为能量分布均匀的光斑并发射。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑还包括：
所述控制器控制所述光束均匀镜调节角度以适应各个方向的扫描。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光斑整形模块对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑，并发射所述能量分布均匀的光斑还包括：
所述控制器控制所述光束均匀镜移出光路，使所述激光束直接发射到所述扫描模块。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描包括：
所述扫描模块接收所述能量分布均匀的光斑并将所述能量分布均匀的光斑逐层聚焦到原料表面使原料层层固化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量分布均匀的光斑为方形光斑。
8.一种光斑整形装置，其特征在于，所述装置包括：
激光发射模块，用于发射激光束；
光斑整形模块，用于对激光束进行处理得到能量分布均匀的光斑且适应各个方向的扫描，并发射所述能量分布均匀的光斑；
扫描模块，用于接收所述能量分布均匀的光斑并基于所述能量分布均匀的光斑进行激光快速成型扫描。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时驱动相应模块实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时驱动相应模块实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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