CN109940880A - 一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法，将准直扩束镜、调整镜和振镜安装在一条直线上，利用准直扩束镜将激光器输出的小光斑发散扩束后的平行光至调整镜，利用调整镜改变光束传输距离即改变光程，实现聚焦光斑直径和焦距的调节，利用振镜实现光束任意偏转，最后通过场镜将振镜偏转后的光束聚焦，形成小光斑高能量光束在打印平台上移动，利用场镜聚焦后的聚焦光斑对打印平台上的成型材料进行打印成型，本装置利用调整镜调整光束在高度方向的聚焦高度，同时配合振镜调整光束聚焦在平面上的移动从而时间聚焦光斑在三维空间内的成型移动，能够在三维空间内连续成型，提高了打印精度扫描效率和打印精度。

Description

一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法

技术领域

本发明属于增材制造激光成型技术领域，具体涉及一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法。

背景技术

增材制造技术是基于三维CAD模型数据，通过叠层累加材料的方式制造零件。激光增材制造技术由于其成形精度高，可实现任意复杂结构的直接成形，在各领域得到了大量的应用。

目前采用的激光增材技术都是将CAD模型切片为若干个截面，然后在每个截面上扫描成形，最终逐层叠加为一个实体零件，这种方式本质上是一种二维平面成形方式，扫描效率低下，严重制约了该技术的推广与应用。因此急需寻找新的扫描方法提高激光增材制造技术的扫描效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法，以克服现有技术的不足

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，包括准直扩束镜、调整镜、振镜和场镜；准直扩束镜、调整镜、振镜在一条直线上，入射激光经准直扩束镜扩束后形成平行光束进入调整镜，调整镜与振镜之间的距离可调用于实现平行光束聚焦光斑直径和焦距的调节，场镜设置于振镜偏转光出口路径上，振镜用于改变将经过调整镜后的光束在XY平面内偏转角度，场镜的光线出口设有垂直于场镜的光线出口的打印平台，打印平台与场镜之间的距离保持不变，打印平台上用于放置成型材料；场镜将振镜偏转后的光束聚焦在打印平台上的粉末层内，打印平台的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深度。

增材制造，调整镜具体采用动态聚焦镜。

增材制造，准直扩束镜扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸。

增材制造，场镜底面到打印平台之间的距离为场镜的焦长。

增材制造，准直扩束镜、调整镜、振镜和场镜采用安装支架安装，安装支架包括安装架底座以及固定于安装架底座上的扩束镜固定架和振镜固定架，场镜固定于振镜下端，调整镜通过调整镜移动支架安装在安装架底座上。

增材制造，还包括用于移动支架传动的丝杆，丝杆通过丝杆固定座固定在安装架底座上，丝杆通过电机驱动。

增材制造，打印平台放置于安装架底座上。

一种基于激光成型的三维立体扫描成形方法，包括以下步骤：

1)、将打印平台安装至场镜的焦长范围内，在打印平台放置成型材料层；

2)、将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜；

3)、根据待打印零件三维数据，调节调整镜距离和振镜偏角，使场镜对光束的聚焦光斑在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动，从而完成打印零件的三维立体扫描成形。

进一步的，打印平台上的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深度。

进一步的，具体的，改变调整镜相对振镜的距离对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜，增大调整镜相对振镜距离，调整镜对平行光束进行扩发，通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向降低，减小调整镜相对振镜距离，调整镜对平行光束进行会聚，通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向升高；

改变振镜偏转角将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦，聚焦光斑在打印平台上实现XY平面上的二维扫描过程；

同时调整镜相对振镜的距离和偏转振镜偏转角即可实现聚焦光斑在三维空间内扫面，对打印平台上的成型材料熔融从而实现零件在三维立体上的扫描成形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，包括准直扩束镜、调整镜、振镜和场镜；将准直扩束镜、调整镜和振镜安装在一条直线上，利用将激光器输出的小光斑发散光束，且扩束后的光束为平行光，扩束后的平行光至调整镜，利用调整镜改变光束传输距离即改变光程，实现聚焦光斑直径和焦距的调节，利用振镜实现光束任意偏转，实现光束在二维平面上方向改变，最后通过场镜将振镜偏转后的光束聚焦形成小光斑高能量的聚焦光斑在打印平台上的成型材料内移动，利用场镜聚焦后的聚焦光斑对打印平台上的成型材料进行熔融从而实现打印成型，本装置利用调整镜调整光束在高度方向的聚焦高度，能够达到光束在高度方向上的大范围调整，同时配合振镜调整光束聚焦在平面上的移动从而实现聚焦光斑在三维空间内大范围移动，利用聚焦光斑的小光斑高能量对移动范围内的成型材料进行熔融成型，本装置结构简单，能够在三维空间内连续成型，不需要对零件进行切片成型即避免了在累加方向上出现分层厚度的现象，利用本装置能够在三维结构上连续成型，提高制件精度和降低表面粗糙度，提高了打印精度扫描效率。

进一步的，准直扩束镜扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸，避免振镜无法接收完整光束。

一种基于激光成型三维立体扫描成形方法，将打印平台安装至场镜的焦长范围内，在打印平台放置成型材料，不需要逐层铺粉，提高打印效率，将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜，调整镜对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜，振镜将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦，根据待打印零件三维数据，调节调整镜距离和振镜偏角，使场镜对光束的聚焦点在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动，能够达到连续打印的效果，提高打印精度，避免了逐层打印层间误差，提高了打印效率。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2是本发明XZ截面聚焦扫描示意图；

图3是本发明XZ截面零件上表面聚焦扫描示意图；

图4是本发明XZ截面零件下表面聚焦扫描示意图。

图5是本发明实施例结构安装示意图。

图中，1、入射激光，2、准直扩束镜，3、调整镜，4、振镜，5、X向偏转反射镜，6、Y向偏转反射镜，7、场镜，8、打印零件，9、打印平台，10、上表面，11、下表面；12、安装架底座；13、扩束镜固定架；14、；15、移动支架；16、丝杆；17、丝杆固定座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，包括准直扩束镜2、调整镜3、振镜4和场镜7；准直扩束镜2、调整镜3、振镜4在一条直线上，准直扩束镜2和振镜4位置固定不变，调整镜3能够在准直扩束镜2与振镜4之间直线上移动，场镜7设置于振镜4偏转光出口路径上，场镜7的光线出口设有打印平台9,打印平台9与场镜7之间的距离保持不变；打印平台9上用于放置成型材料；打印平台9的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜7后最大摄入深度，即激光光束经过场镜7后聚焦光斑进入成型材料内能够熔融成型材料的最大深度；本装置利用调整镜3实现光束的发散和会聚，再利用振镜4对光线偏转后利用场镜7进行聚焦，调整镜3与场镜7的配合实现了光束聚焦点能够在大范围内调节；

准直扩束镜2用于将激光器输出的入射激光扩束为平行光束，扩束后的平行光束经过调整镜3，扩束后的平行光束直径不大于振镜通光孔尺寸；

调整镜3通过改变平行光束传输距离即改变光程，实现平行光束的聚焦光斑直径和焦距的调节，调整镜3具体采用动态聚焦镜；

振镜4用于实现光束XY平面内任意偏转，从而扫描任意轨迹模型；振镜4包括X向偏转反射镜5和Y向偏转反射镜6；X向偏转反射镜5的反射角范围在Y向偏转反射镜6平面内，即经过调整镜3后的光束首先到达X向偏转反射镜5镜面，光线经X向偏转反射镜5镜面反射后进入Y向偏转反射镜6平面内，光束再经过Y向偏转反射镜6到达场镜7内；

场镜7用于将振镜偏转后的光束聚焦，形成小光斑高能量光束；场镜7底面到打印平台9之间的距离即为场镜7的焦长。

准直扩束镜2、调整镜3、振镜4和场镜7采用安装支架安装，具体如图5所示，安装支架包括安装架底座12以及固定于安装架底座12上的扩束镜固定架13和振镜固定架14，场镜7固定于振镜4下端，准直扩束镜2、调整镜3和振镜4的光束传输在一条直线上，准直扩束镜2和振镜4安装位置不动，调整镜3通过调整镜移动支架15安装在安装架底座12上，还包括用于移动支架15传动的丝杆16，丝杆16通过丝杆固定座17固定在安装架底座12上，丝杆16通过电机驱动；打印平台放置于安装架底座12上；

入射激光1经过准直扩束镜2后的光为平行光，平行光进入调整镜3，在调整镜3左右移动时出射光为发散光束或者会聚光束，即调整镜3的作用是把扩束后的平行光改变为发散光束或会聚光束，调整镜3向左移动时出射光为会聚光束；向右移动时出射光为发散光束；调整镜3移动的位置不同，其发散角/会聚角也不同，调整镜3左右移动距离范围在0-100mm之间；从调整镜3射出的光束可以是平行光/发散光束/会聚光束等形式，然后进入振镜4，在经过X向偏转反射镜5与Y向偏转反射镜6之后，光束进入场镜7聚焦，场镜7底面到打印平台9之间的距离即为场镜7的焦长；

一种基于激光成型三维立体扫描成形方法，包括以下步骤：

1)、将打印平台安装至场镜的焦长范围内，在打印平台放置成型材料；

2)、将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜，调整镜对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜，振镜将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦；

3)、根据待打印零件三维数据，调节调整镜距离和振镜偏角，使场镜对光束的聚焦点在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动，从而完成打印零件的三维立体扫描成形。

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

入射激光1依次经过准直扩束镜2、调整镜3、振镜4、场镜7；所述振镜4内置X向偏转反射镜5和Y向偏转反射镜6；激光束通过场镜7后在打印平台9上的成型材料层内聚焦并形成聚焦光斑，形成聚焦光斑处的成型材料熔融成型，然后在X向偏转反射镜5和Y向偏转反射镜6的偏转作用下，聚焦光斑在打印平台9上实现XY平面上的二维扫描过程，对于实体三维零件，调整镜3可以根据成形高度左右平移以实时调整激光束的发散角，进而改变激光聚焦平面的高度，激光聚焦在不同高度对成型材料进行激光熔融，从而实现打印零件8的三维立体扫描成形，X向偏转反射镜5与Y向偏转反射镜6分别控制打印平台9上X、Y方向的扫描成形。

为便于理解，取XZ截面进一步说明具体实施方式：图2是本发明XZ截面聚焦扫描示意图，此时从调整镜3射出的激光束为平行光，经X向偏转反射镜5及场镜7后在打印平台9上聚焦，然后当调整镜3向左移动一定距离后，射出激光变为会聚光束，经反射后在零件上表面10上形成聚焦光斑，如图3所示；当调整镜3向右移动一定距离后，射出激光变为发散光束，经反射后在零件下表面11上形成聚焦光斑，如图4所示。因此，通过实时控制调整镜3的位置即可获得零件上表面10与下表面11之间任意高度的聚焦平面，而形成聚焦光斑点地方填充成型材料，聚焦光斑对成型材料进行激光熔融，从而实现Z向不同高度的扫描成形，最终达到三维立体扫描效果；在YZ截面扫描成形与XZ截面原理相同。

Claims (10)

1.一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，包括准直扩束镜(2)、调整镜(3)、振镜(4)和场镜(7)；准直扩束镜(2)、调整镜(3)、振镜(4)在一条直线上，入射激光经准直扩束镜(2)扩束后形成平行光束进入调整镜(3)，调整镜(3)与振镜(4)之间的距离可调用于实现平行光束聚焦光斑直径和焦距的调节，场镜(7)设置于振镜(4)偏转光出口路径上，振镜(4)用于改变将经过调整镜(3)后的光束在XY平面内偏转角度，场镜(7)的光线出口设有垂直于场镜(7)的光线出口的打印平台(9)，打印平台(9)与场镜(7)之间的距离保持不变，打印平台(9)上用于放置成型材料；场镜(7)将振镜(4)偏转后的光束聚焦在打印平台(9)上的粉末层内，打印平台(9)的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜(7)后最大摄入深度。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，调整镜(3)具体采用动态聚焦镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，准直扩束镜(2)扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，场镜(7)底面到打印平台(9)之间的距离为场镜(7)的焦长。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，准直扩束镜(2)、调整镜(3)、振镜(4)和场镜(7)采用安装支架安装，安装支架包括安装架底座(12)以及固定于安装架底座(12)上的扩束镜固定架(13)和振镜固定架(14)，场镜(7)固定于振镜(4)下端，调整镜(3)通过调整镜移动支架(15)安装在安装架底座(12)上。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，还包括用于移动支架(15)传动的丝杆(16)，丝杆(16)通过丝杆固定座(17)固定在安装架底座(12)上，丝杆(16)通过电机驱动。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置，其特征在于，打印平台(9)放置于安装架底座(12)上。

8.一种基于根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置的三维立体扫描成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将打印平台安装至场镜的焦长范围内，在打印平台放置成型材料层；

2)、将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜；

3)、根据待打印零件三维数据，调节调整镜距离和振镜偏角，使场镜对光束的聚焦光斑在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动，从而完成打印零件的三维立体扫描成形。

9.根据权利要求8所述的一种基于激光成型三维立体扫描成形方法，其特征在于，打印平台上的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深度。

10.根据权利要求8所述的一种基于激光成型三维立体扫描成形方法，其特征在于，具体的，改变调整镜相对振镜的距离对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜，增大调整镜相对振镜距离，调整镜对平行光束进行扩发，通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向降低，减小调整镜相对振镜距离，调整镜对平行光束进行会聚，通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向升高；

改变振镜偏转角将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦，聚焦光斑在打印平台上实现XY平面上的二维扫描过程；

同时调整镜相对振镜的距离和偏转振镜偏转角即可实现聚焦光斑在三维空间内扫面，对打印平台上的成型材料熔融从而实现零件在三维立体上的扫描成形。