CN109664035A - 一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法，包括箱体、Z轴移轨、场镜、X轴振镜、Y轴振镜、激光器和激光扩束镜；所述箱体内底部设有Z轴移轨；所述Z轴移轨正上方悬空固定着场镜；所述场镜正上方设有X轴振镜和Y轴振镜；所述X轴振镜与Y轴振镜镜面相对；所述激光器设于箱体内顶部，在激光器发射端前设有激光扩束镜。本发明利用材料对高强度激光的非线性“异常吸收”现象，通过激光聚焦产生的高温，在透明材料内部形成损伤，照射完成后，损伤部位连接成为若干个切割平面或切割曲面，轻敲击材料，使材料沿着切割面分离，从而获得打印物，设计科学、工艺简单，能够生产形状复杂或者内部中空的三维物体。

Description

一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及三维打印领域，具体为一种通过激光聚焦产生高温破坏材料内部结构进行切割的三维成型设备及其使用方法。

背景技术

日常生活中经常会使用到普通打印机，可以用来打印电脑设计的平面物品。而所谓的3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，只是打印的材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。打印机与电脑连接后，通过电脑控制，可以把“打印材料”一层层地叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实3D物体的一种设备。它可以用来打印机器人、玩具车以及各种模型，甚至还可以是食物。之所以通俗地称其为“打印机”是因为它参照了普通打印机的技术原理，而分层加工的过程与喷墨打印也十分相似。

传统的3D打印机都是根据三维文件，利用立体光固化成型法、熔融层积成型技术或者选择性激光烧结等方法，直接将物品打印成型。立体光固化成型法利用光敏树脂的光固化特性，在打印时控制光束的照射范围，使之完成一个层上的打印工作，一层完成之后再进行下一层，循环往复，直至最终完成作品；熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面，一层完成后再成型下一层，直至形成整个实体造型；选择性激光烧结则是将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平，同时激光束在计算机控制下，根据截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到完成作品。这些传统的方法材料固化、选择少、使用范围窄、实用性低，且分层加工工艺流程多，在打印过程中容易出现瑕疵，影响成品质量。同时，传统方法难以精细地打印高硬度、高熔点的透明材质，面对结构复杂或者内部中空的产品也常常束手无策。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种工艺独特，适用于打印各种高硬度、高熔点、高透明度材质产品的三维成型设备和其对应的使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法，包括箱体、Z轴移轨、场镜、X轴振镜、Y轴振镜、激光器和激光扩束镜；在箱体内底部设有Z轴移轨；在Z轴移轨正上方悬空固定着场镜；这个场镜是一个组合的双面凸透镜；而在场镜正上方设有X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜设于Y轴振镜上方；同时，激光器设于箱体内顶部，在激光器发射端前设有激光扩束镜。

进一步地，X轴振镜由X轴反射镜和X轴调节电机构成，X轴反射镜与X轴调节电机在竖直方向轴连联动。

进一步地，Y轴振镜由Y轴反射镜和Y轴调节电机构成，Y轴反射镜与Y轴调节电机在水平方向轴连联动。

进一步地，X轴反射镜与Y轴反射镜的镜面相对。

进一步地，激光器的发射端对着X轴反射镜。

所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备的使用方法，包括以下步骤：

1)在计算机程序中导入三维文件，将其置入模拟的透明固体材料块中；

2)计算机程序对该模拟材料块进行模拟分割，将三维文件所有的表面解析为分割面，并按需要解析出方便材料分离的辅助分割面；

3)在三维成型设备中按程序所生成的分割面，精准控制激光焦点，在实际透明固体材料内部制造破坏点，形成切割面；

4)取出透明固体材料，轻敲，材料分离，碎块脱落，剩下所需要的三维物体。

进一步地，分割面和辅助分割面是平面。

进一步地，分割面和辅助分割面是曲面。

本发明的有益效果是：(1)打印材料可以是亚克力、PC等普通的透明材料，也可以是水晶、玻璃等高硬度、高熔点、高透明度的难以加工的材料，使用范围广；(2)利用材料对高强度激光的非线性“异常吸收”现象，使透明材料通过“异常吸收”造成多光子电离损伤并产生等离子体，从而使材料内部形成损伤，照射完成后敲击打印物，损伤部位掉落，获得打印物，工艺简单、操作方便、成型快；(3)激光在穿过透明材料时维持光能形式，不会产生多余热量，只有在焦点处产生高温破坏材料，所以射入的激光不会提前破坏激光经过的直线上的材料，定点定位，精确切割，能够生产形状复杂或者内部中空的三维物体；(4)切割过程中，不需要额外的支撑就能成型，不需要传统透明材料制品生产过程中的模具，简化生产工艺、降低生产投入；(5)生产物品仅需要简单的打磨即可得到光洁的表面，极大地降低了工作强度和污染；(6)分割产生的碎块可以回收、熔融之后再利用，材料利用率高、浪费少。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的制作方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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。

实验证明，材料对于对高强度激光存在非线性“异常吸收”现象。当入射激光强度大于透明材料性质决定的“忍耐度”时，由于极强的非线性效应，透明材料因为“异常吸收”在内部形成高温损伤。也就是说，在处理透明材料时，使激光聚焦点的激光能量密度大于透明材料的临界值，即损伤阈值，就可以实现激光切割。

如图1所示，本发明基于上述情况设计了一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法，包括箱体、Z轴移轨1、场镜2、X轴振镜、Y轴振镜、激光器7和激光扩束镜8。其中，X轴振镜由X轴反射镜3和X轴调节电机4构成，Y轴振镜由Y轴反射镜5和Y轴调节电6机构成。

在箱体内，箱体底部设有Z轴移轨1。Z轴移轨1用以供等待切割的透明材料在箱体内前后方向上进行移动，方便后续操作。在Z轴移轨1正上方悬空固定着场镜2。这个场镜2由两个凸透镜“背对背”组合而成，形成一个双面凸透镜，能够自动调节激光束的焦点，使反射而来的激光束始终聚焦在切割需要的点上，并使激光束的能量密度在到达加工区之前低于透明材料的损伤阈值，而在加工区域则超过这一临界值，得以破坏透明材料该区域的内部结构。

而在场镜2正上方设有X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜设于Y轴振镜上方。X轴振镜的X轴反射镜3与X轴调节电机4在竖直方向轴连联动，X轴调节电机4能够通过计算机程序控制调节X轴反射镜3的镜面倾斜度，使激光束在水平方向移动。而Y轴振镜的Y轴反射镜5和Y轴调节电机6在水平方向轴连联动，Y轴调节电机6能够通过计算机程序控制调节Y轴反射镜5的镜面倾斜度，使激光束在竖直方向移动。X轴反射镜3与Y轴反射镜5的镜面相对，也就是说，激光束通过X轴反射镜3的反射，打在Y轴反射镜5上。同时，提供激光束的激光器7就设于箱体内顶部，在激光器7发射端前设有激光扩束镜8，能够放大激光束。

为了满足激光束的入射角，激光器7的发射端对着X轴反射镜3。激光器7发射激光束后，经过激光扩束镜8的放大，首先打在X轴反射镜3上，同时X轴调节电机4接收到计算机程序的调节指令，控制X轴反射镜3改变其镜面倾斜度，将激光束反射在Y轴反射镜5上的某一点上。与此同时，Y轴调节电机6接收到计算机程序的调节指令，控制Y轴反射镜5的镜面倾斜度，使激光束打在场镜2上，再通过场镜2的聚焦，使激光束焦点找到置于Z轴移轨1上等待切割的透明材料内需要破坏的点。XYZ三个方向的运动，使得激光束聚焦在透明材料内部，逐渐形成三维轨迹，并留下永久的破坏点。这些破坏点相互连接形成三维的分割面。照射完成后，敲击透明材料，材料沿分割面分离脱落，即可完成打印。

本发明能够利用材料对高强度激光的非线性“异常吸收”现象，可以加工亚克力、PC等普通透明材料，也可以打印水晶、玻璃等高硬度、高熔点、高透明度的难以加工的材料，技术先进、工艺简单、操作方便。

如图2所示，本发明提供了一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备及其使用方法的使用方法，包括以下步骤：

步骤S01：在计算机程序中导入三维文件，将其置入模拟的透明固体材料块中；

步骤S02：通过计算机程序对该透明固体材料块进行模拟分割，将三维文件所有的表面解析为分割面，并按需要解析出方便材料分离的辅助分割面，这些分割面可以是平面，也可以是曲面；

步骤S03：连接三维成型设备，置入所需打印的透明固体材料，按照程序所生成的分割面，精准地控制激光焦点位置，在材料内部制造出大量微小的破坏点，最后，这些破坏点连接形成切割面，这些切割面在材料中分隔出所需的三维物体以及周围的若干碎块；

步骤S04：取出透明固体材料，轻敲，材料分离，碎块脱落，剩下所需要的三维物体。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：包括箱体、Z轴移轨、场镜、X轴振镜、Y轴振镜、激光器和激光扩束镜；所述箱体内底部设有Z轴移轨；所述Z轴移轨正上方悬空固定着场镜；所述场镜正上方设有X轴振镜和Y轴振镜；所述X轴振镜设于Y轴振镜上方；所述激光器设于箱体内顶部；所述激光器发射端前设有激光扩束镜。

2.根据权利要求1所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：所述场镜为双面凸透镜。

3.根据权利要求1所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：所述X轴振镜由X轴反射镜和X轴调节电机构成；所述X轴反射镜与X轴调节电机在竖直方向轴连联动。

4.根据权利要求1所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：所述Y轴振镜包括Y轴反射镜和Y轴调节电机；所述Y轴反射镜与Y轴调节电机在水平方向轴连联动。

5.根据权利要求3或4所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：所述X轴反射镜与Y轴反射镜镜面相对。

6.根据权利要求1或3所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备，其特征在于：所述激光器的发射端对着X轴反射镜。

7.根据权利要求1所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备的使用方法，包括以下步骤：

1)在计算机程序中导入三维文件，将其置入模拟的透明固体材料块中；

2)计算机程序对该模拟材料块进行模拟分割，将三维文件所有的表面解析为分割面，并按需要解析出方便材料分离的辅助分割面；

3)在三维成型设备中按程序所生成的分割面，精准控制激光焦点，在实际透明固体材料内部制造破坏点，形成切割面；

4)取出透明固体材料，轻敲，材料分离，碎块脱落，剩下所需要的三维物体。

8.根据权利要求7所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述分割面和辅助分割面是平面。

9.根据权利要求7所述的一种激光破坏结构进行切割的三维成型设备的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述分割面和辅助分割面是曲面。