CN111745963A

CN111745963A - 激光打印的离焦距离调节方法、激光打印方法及系统

Info

Publication number: CN111745963A
Application number: CN201910233498.9A
Authority: CN
Inventors: 肖飞; 范有光
Original assignee: Shanghai Techgiielaser Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Techgiielaser Technology Co ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN111745963B

Abstract

本发明实施例涉及激光打印领域，公开了一种激光打印的离焦距离调节方法、激光打印方法及系统。本发明中，离焦距离调节方法包括如下步骤：计算成型表面在基准位时，成型表面上的第一扫描线的长度；控制成型表面相对于焦平面上升或下降至预设位；计算成型表面处于预设位时成型表面上的第二扫描线的长度；判断第二扫描线的长度是否等于第一扫描线的长度；如判定第二扫描线的长度未等于第一扫描线的长度后，调整聚焦于焦平面上的激光束的照射角；记录第二扫描线的长度等于第一扫描线的长度时激光束聚焦于焦平面的照射角的角度参数。与现有技术现有相比，使得无需具备动态聚焦功能的光学系统即可做到调整离焦距离，降低了系统的硬件成本。

Description

激光打印的离焦距离调节方法、激光打印方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及激光打印领域，特别涉及激光打印的离焦距离调节方法、激光打印方法及系统。

背景技术

3D打印作为一种新兴的制造方式，其原理是通过逐层堆积，近似成形，经过多年的发展成形工艺已经趋于稳定，如何进一步提高打印的质量、光洁度成为行业的关注点。在打印中成形件每层的轮廓和填充线都需要打印，填充线与轮廓的参数直接影响着成形件的质量，而填充线与轮廓线参数包括激光功率、振镜扫描速度以及离焦距离，其中离焦距离尤为关键。在实际打印中为了达到合适的离焦距离，使用动态聚焦的光学系统，让光学系统的聚焦镜头位置发生改变，进而聚焦点的位置发生改变，从而调整离焦距离。因此，目前各厂家为了在打印过程中改变离焦距离通常为设备配备了具备动态聚焦功能的光学系统。但这种动态聚焦功能的光学系统需要复杂的内部硬件结构才能实现聚焦镜头，进而需要升级硬件设备，增加了整个系统的硬件成本。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种激光打印的离焦距离调节方法、激光打印方法及系统，使得无需采用具备动态聚焦功能的光学系统即可做到调整离焦距离，从而降低了整个打印系统的硬件成本。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种激光打印的离焦距离调节方法，包括如下步骤：

计算成型表面在基准位时，聚焦于焦平面的激光束在所述成型表面上的第一扫描线的长度；

控制所述成型表面相对于所述焦平面上升或下降至预设位，使所述成型表面与所述焦平面之间的垂直距离达到预设的离焦距离；

计算所述成型表面处于所述预设位时，聚焦于所述焦平面的激光束在所述成型表面上的第二扫描线的长度；

判断所述第二扫描线的长度是否等于所述第一扫描线的长度；

如判定所述第二扫描线的长度未等于所述第一扫描线的长度后，调整所述激光束聚焦于所述焦平面的照射角，直至所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度；

记录所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度时，所述激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，并将该角度参数作为所述成型表面在所述预设位时的打印参数。

另外，本发明的实施方式还提供了一种激光打印方法，采用上述的离焦距离调节方法进行激光打印。

另外，本发明的实施方式还提供了一种激光打印系统，包括：

成型基板，用于打印料层的逐层铺设；且各所述打印料层背离所述成型基板的一侧，在打印前均用于构成处于基准位的成型表面；

激光扫描装置，用于对各所述打印料层逐层进行激光打印；所述激光扫描装置射出的激光束所聚焦的焦平面，与每层所述打印料层处于所述基准位的所述成型表面的位置相对；所述激光扫描装置射出的激光束，在处于所述基准位的打印料层的成型表面上形成第一扫描线；

升降机构，用于驱动所述成型基板相对于所述焦平面上升或下降，将当前处于所述基准位的所述打印料层的成型表面带至预设位，使该成型表面与所述焦平面之间的垂直距离达到预设的离焦距离；所述激光扫描装置射出的激光束，在处于所述预设位的所述打印料层的成型表面上形成第二扫描线；

主控装置，分别与所述升降机构和所述激光扫描装置通讯连接，用于分别计算所述第一扫描线的长度和所述第二扫描线的长度，并判断所述第二扫描线的长度是否等于所述第一扫描线的长度；所述主控装置还用于在判定所述第二扫描线的长度未等于所述第一扫描线的长度时，调整所述激光扫描装置射出的激光束聚焦于所述焦平面的照射角，使所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度；

所述主控装置还用于记录所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度时，所述激光扫描装置射出的激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，并以该角度参数作为当前处于预设位的所述打印料层的成型表面的打印参数。

本发明实施方式相对于现有技术而言，由于本实施方式的离焦距离的调节方法，是通过控制成型表面的升降来改变成型表面与焦平面之间的离焦距离，并且当成型表面上升或下降至预设位，使其与焦平面之间达到预设的离焦距离时，为了保证成型表面处于预设位和处于基准位时，落在该成型表面上的扫描线长度的一致性，可在成型表面处于预设时，通过改变聚焦于焦平面的激光束的照射角来实现，并对该照烧角的角度参数进行记录，以作为成型表面在处于预设位时的打印参数，从而使得本实施方式的离焦距离的调节方法可避免采用动态聚焦的光学系统，只需基于原有打印设备中用于成型表面升降的升降机构即可实现，在保证零件打印质量的同时，还无需增加任何硬件成本。

另外，在判断所述第二扫描线的长度是否等于所述第一扫描线的长度的步骤之后，还包括如下子步骤；

如判定所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度后，直接以当前所述激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，作为所述成型表面在所述预设位时的打印参数。

另外，所述基准位位于所述焦平面的上方，或者位于所述焦平面的下方。

另外，所述预设位位于所述焦平面的上方，或者位于所述焦平面的下方。

另外，所述激光打印方法还包括：

记录所述成型表面在所述基准位时，所述激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，并将该角度参数作为所述成型表面在所述基准位时的打印参数；

当所述成型表面处于所述基准位时，直接以所述激光束当前聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数对所述成型表面进行打印；

当所述成型表面处于所述预设位时，以所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度时，所述激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数对所述成型表面进行打印。

另外，所述成型表面处于所述基准位时，打印成形件的填充线；所述成型表面处于所述预设位时，打印成形件的轮廓线；

或者，所述成型表面处于所述基准位时，打印成形件的轮廓线；所述成型表面处于所述预设位时，打印成形件的填充线。

另外，所述主控装置还用于在判定所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度时，直接以当前所述激光扫描装置射出的激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，作为所述成型表面在所述预设位时的打印参数。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明第一实施方式中基准位位于焦平面下方的成型表面位于基准位时的结构示意图；

图2是本发明第一实施方式中成型表面从基准位运动到预设位的示意图；

图3是本发明第一实施方式中成型表面运动到预设位后调整当前激光束在焦平面处的照射角的示意图；

图4是本发明第一实施方式中第一扫描镜在X_C当量和第二扫描镜在Y_C当量的位置关系示意图；

图5是本发明第一实施方式中预设位位于焦平面下方和基准位位于焦平面上方的成型表面从基准位运动到预设位的示意图；

图6是本发明第一实施方式中离焦距离调节方法流程图；

图7是本发明第二实施方式中基准位位于焦平面下方的成型表面位于基准位时的结构示意图；

图8是本发明第二实施方式中成型表面从基准位运动到预设位的示意图；

图9是本发明第二实施方式中第一扫描镜在X_C当量和第二扫描镜在Y_C当量的位置关系示意图；

图10是本发明第二实施方式中激光打印方流程图；

图11是本发明第三实施方式中基准位位于焦平面下方的成型表面位于基准位时的结构示意图；

图12是本发明第三实施方式中成型表面运动到预设位后调整当前激光束在焦平面处的照射角的示意图；

图13是本发明第三实施方式中第一扫描镜在X_C当量和第二扫描镜在Y_C当量的位置关系示意图；

图14是本发明第三实施方式中激光打印系统的电路模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种激光打印的离焦距离调节方法，在本实施方式中，成形件的打印需要打印轮廓线和填充线，由于成形件的外表面一般需要具有较高的打印精度和光洁度，因此成形件在打印时，其轮廓线和填充线的打印要求不同，需要采用不同的离焦距离进行打印。如图1和图2所示，以成型表面位于基准位B时，激光束聚焦于焦平面A与基准位B之间的离焦距离打印填充线，以成型表面在预设位C时，激光束聚焦于焦平面A距离预设位C之间的离焦距离打印轮廓线为例。因此，激光打印系统在打印过程中，需要成型表面在预设位C和基准位B之间进行运动，同时，在本实施例中，如图1和2所示，预设位C 位于焦平面A的上方，而基准位B位于焦平面A的下方。如图6所示，本实施方式的激光打印的离焦距离调节方法具体包括如下步骤：

步骤110，计算成型表面在基准位B时，聚焦于焦平面A的激光束在成型表面上的第一扫描线ab的长度。具体地说，如图1所示，成型表面为铺设于成型基板1上的料层背离成型基板1的一侧，即料层的上表面。在打印前，可先通过升降机构2带动成型基板1进行上升运动，直至料层的成型表面被带至基准位B，使得由激光扫描装置射出的激光束所聚焦的焦平面A，与处于基准位B的成型表面的位置相对，且两者之间隔开的距离为离焦距离，而激光束与成型表面所形成的两个交点，分别为交点a和交点b，且两交点之间的连线构成第一扫描线ab，并可通过打印系统的主控装置计算第一扫描线ab的长度。

步骤120，控制成型表面相对于焦平面A运动至预设位C，使成型表面与焦平面A之间的垂直距离达到预设的离焦距离。具体地说，在本实施方式中，如图1和图2所示，以预设位C位于焦平面A的上方为例，在实际应用的过程中，可由升降机构2带动成型基板1上升，直至料层的成型表面处于预设位C，从而使得成型表面与焦平面A之间达到预设的离焦距离，以满足打印所需要的离焦距离。

步骤130，计算成型表面处于预设位C时，聚焦于焦平面A的激光束在成型表面上的第二扫描线de的长度。具体地说，如图2所示，由于当料层的成型表面位于预设位C时，激光束在成型表面上所形成的两个交点，分别为交点e和交点d，且两交点之间的连线即为第二扫描线de，此时可由主控装置计算第二扫描线de的长度。

步骤140，判断第二扫描线de的长度是否等于第一扫描线ab的长度。具体地说，为了保证成形件打印的精度，因此无论成型表面处于基准位B还是处于预设位C时，应当保证第一扫描线ad和第二扫描线de长度的一致性。因此，当料层的成型表面上升至预设位C时，可由主控装置将计算得到的第二扫描线de的长度与第一扫描线ab的长度进行比对，判断第二扫描线de的长度是否等于第一扫描线ab的长度。

步骤150，如判定第二扫描线de的长度未等于第一扫描线ab的长度后，调整激光束聚焦于焦平面A上的照射角，直至使第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度。通过图2 和图3不难看出，由于第二扫描线de的长度与成型表面处于预设位C时，激光束聚焦于焦平面A时的照射角有直接关系，因此可直接通过调整激光束聚焦于焦平面A的照射角，来改变第二扫描线de的长度。同时，由于激光束聚焦于焦平面A的照射角与激光扫描装置中的振镜33有关，如图4所示，因此可通过调整激光扫描装置的振镜33，即可实现聚焦于焦平面A 的激光束的照射角的改变。具体地说，如图4所示，振镜33包括第一扫描镜331、第二扫描镜333、驱动第一扫描镜331绕Y轴方向进行转动的第一驱动组件332、驱动第二扫描镜333 绕X轴方向进行转动的第二驱动组件334，通过改变第一扫描镜331的转角位置，以及改变第二扫描镜333的转角位置，即可改变激光束折射至聚焦镜34上的入射角，从而实现激光束聚焦于焦平面A的照射角的改变。因此，在实际应用时，可由激光打印系统的主控装置根据计算所得到的第二扫描线de的长度与第一扫描线ab的长度的比对结果，对第一驱动组件332 和第二驱动组件334进行控制，以实现激光束聚焦于焦平面A的照射角的改变，直至将两个扫描镜的位置调整至第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度即可，如图3所示。

步骤160，记录当前激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数，并将该角度参数作为成型表面在预设位C时的打印参数。具体地说，在第二扫描线de的长度和第一扫描线ab的长度相等时，可通过主控装置记录此时激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数，即记录激光束聚焦于焦平面A的照射角所对应的振镜33中的第一扫描镜331在Y轴上的转角位置，即Y_C当量，以及第二扫描镜333在X轴上的转角位置，即X_C当量，并将X_C当量和Y_C当量作为成型表面在预设位C时的打印参数。

通过上述内容不难发现，由于本实施方式的离焦距离的调节方法，是通过控制成型表面的升降来改变成型表面与焦平面A之间的离焦距离，并且当成型表面上升或下降至预设位C，使其与焦平面A之间达到预设的离焦距离时，为了保证成型表面处于预设位C和处于基准位 B时，落在该成型表面上的扫描线长度的一致性，可在成型表面处于预设时，通过改变聚焦于焦平面A的激光束的照射角来实现，并对该照射角的角度参数进行记录，以作为成型表面在处于预设位C时的打印参数，从而使得本实施方式的离焦距离的调节方法可避免采用动态聚焦的光学系统，只需基于原有打印设备中用于成型表面升降的升降机构2即可实现，在保证零件打印质量的同时，还无需增加任何硬件成本。

另外，在步骤140之后，还包括如下子步骤；

如判定第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度后，直接以当前激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数，即第一扫描镜331在Y轴上的转角位置Y_C当量，以及第二扫描镜333在X轴上的转角位置X_C当量，作为成型表面在预设位C时的打印参数。

需要说明的是，通过图2和图3不难看出，在本实施方式中，基准位B位于焦平面A的下方，而预设位C位于焦平面A的上方。然而，在实际的应用的过程中，如图5所示，根据成形件的打印要求，基准位B也可位于焦平面A的上方，而预设位C位于焦平面A的下方，从而在步骤120中，可由升降机构2带动成型基板1下降，直至将料层的成型表面带至预设位C的位置，并且按照上述的相同方式获取成型表面在预设位C时，激光束在成型表面上的第二扫描线de的长度，并判断第二扫描线de的长度是否等于第一扫描线ab的长度，而在此不再进行详细阐述。

又或者，根据实际的打印需求，基准位B和预设位C也可均处于焦平面A的上方，或者均处于焦平面A下方，此时采用上述同样的方式计算成型表面在基准位B时的第一扫描线ab的长度和成型表面在预设位C时的第二扫描线de的长度，同时采用上述相同方式调整成型表面在预设位C时，激光束聚焦于焦平面A的照射角，并记录调整后的激光束的照射角的角度参数。

本发明的第二实施方式涉及一种激光打印方法，本实施方式的激光打印方法采用如第一实施方式中的离焦距离调节方法进行激光打印。并且，结合图10所示，该激光打印方法还包括：

步骤1010，记录成型表面在基准位B时，激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数，并将该角度参数作为成型表面在基准位B时的打印参数；

步骤1020，当成型表面处于基准位B时，直接以激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数对成型表面进行打印；当成型表面处于预设位C时，以第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度时，激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数对成型表面进行打印。

具体地说，在本实施方式中，为了使得成形件在完成打印后，其表面具有较高的光洁度。当成型表面位于基准位B时，打印成形件的填充线，而当成型表面位于预设位C时，打印成形件的轮廓线。在实际的打印过程中，结合图7、图8和图9所示，成型表面在基准位B至预设位C之间的运动，可由激光打印系统的升降机构2对成型基板1的升降进行控制，并且当成型表面被带至基准位B时，可由激光系统的主控装置调取激光束聚焦于焦平面A时的照射角的角度参数(即振镜33中的第一扫描镜331在Y轴上的转角位置Y_B当量、第二扫描镜333在X轴上的转角位置X_B当量)，并控制激光扫描装置在成型表面上打印填充线。而当成型表面被带至预设位C时，可由激光系统的主控装置调取第二扫描线de的长度与第一扫描线ab的长度相同时，激光束聚焦于焦平面A时的照射角的角度参数(即振镜33中的第一扫描镜331在Y轴上的转角位置Y_C当量、第二扫描镜333在X轴上的转角位置X_C当量),并控制激光扫描装置在成型表面上打印轮廓线。

当然，在实际应用时，根据实际的打印要求，也可当成型表面处于基准位B时，打印成形件的轮廓线，而当成型表面处于预设位C时，打印成形件的填充线，其打印方式与上述的打印方式相同，在此不再进行详细阐述。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种激光打印系统，如图11、图12、图13和图14所示，包括：成型基板1、激光扫描装置、升降机构2和主控装置。

其中，成型基板1用于打印料层的逐层铺设，且各打印料层背离成型基板1的一侧，在打印前均构成处于基准位B的成型表面。激光扫描装置用于对各打印料层逐层进行激光打印，且如图11所示，激光扫描装置射出的激光束所聚焦的焦平面A，与每层打印料层处于基准位 B的成型表面的位置相对，激光扫描装置射出的激光束，在处于基准位B的打印料层的成型表面上所形成的两个交点，分别为交点a和交点b，且两交点之间的连线构成第一扫描线ab。

另外，如图12所示，升降机构2用于驱动成型基板1相对于焦平面A上升或下降，将当前处于基准位B的打印料层的成型表面带至预设位C，使该成型表面与焦平面A之间的垂直距离达到预设的离焦距离。此时，激光扫描装置射出的激光束，在处于预设位C的打印料层的成型表面上所形成的两个交点，分别为交点e和交点d，且两交点之间的连线即为第二扫描线de。

此外，在本实施方式中，如图14所示，主控装置分别与升降机构2和激光扫描装置通讯连接，分别计算第一扫描线ab的长度和第二扫描线de的长度，并判断第二扫描线de的长度是否等于第一扫描线ab的长度。并且，通过图12不难看出，由于第二扫描线de的长度与成型表面处于预设位C时，聚焦于焦平面A的激光束的照射角有直接关系，因此，当主控装置判定第二扫描线de的长度未等于第一扫描线ab的长度时，可由主控装置调整聚焦于焦平面 A的激光束的照射角，直至使第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度，并通过主控装置记录当前激光扫描装置射出的激光束聚焦于焦平面A的照射角的角度参数，并将该角度参数作为成型表面处于预设位C时的打印参数。

具体地说，如图11所示，在本实施方式中，激光扫描装置包括：射出激光束的激光器 31、扩束器32、振镜33和聚焦镜34，由激光器31射出的激光束经扩束器32、振镜33后再通过聚焦镜34射到成型表面上，实现打印。并且，在本实施方式中，如图12所示，振镜33 包括：第一扫描镜331、第二扫描镜333、驱动第一扫描镜331绕Y轴方向进行转动的第一驱动组件332、驱动第二扫描镜333绕X轴方向进行转动的第二驱动组件334。并且，第一驱动组件332和第二驱动组件333均与主控装置电性连接，在实际应用的过程中，可由主控装置分别对第一驱动组件332和第二驱动组件333进行控制，以实现第一扫描镜331在Y轴上转角位置的调节，以及实现第二扫描镜333在X轴上转角位置的调节，通过调节两个扫描镜的转角位置，即可改变激光束折射至聚焦镜34上的入射角度，从而实现激光束在焦平面A 的照射角的改变。因此，在实际应用时，可由主控装置直接记录第二扫描线de的长度等于第一扫描线ab的长度时，第一扫描镜331的转角位置即Y_C当量，以及第二扫描镜的转角位置即X_C当量，并将该参数作为成型表面在预设位C时的打印参数。

并且，需要说明的是，在本实施方式中，第一驱动组件331和第二驱动组件333均可采用电机，借助于电机主轴的旋转来驱动第一扫描镜331和第二扫描镜333进行转动，从而实现对第一扫描镜331在Y轴上转角位置的调节，以及第二扫描镜333在X轴上转角位置的调节。

本实施方式的激光打印系统用于打印成形件，打印成形件的具体调焦方法和打印方法分别在第一实施方式和第二实施方式中已进行阐述在此不在详述。同时，不难发现，本实施方式为与第一实施方式、第二实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式、第二实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式、第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种激光打印的离焦距离调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的激光打印的离焦距离调节方法，其特征在于：在判断所述第二扫描线的长度是否等于所述第一扫描线的长度的步骤之后，还包括如下子步骤；

3.根据权利要求1或2所述的激光打印的离焦距离调节方法，其特征在于，所述基准位位于所述焦平面的上方，或者位于所述焦平面的下方。

4.根据权利要求1或2所述的激光打印的离焦距离调节方法，其特征在于，所述预设位位于所述焦平面的上方，或者位于所述焦平面的下方。

5.一种激光打印方法，其特征在于：采用如权利要求1至4中任意一项所述的离焦距离调节方法进行激光打印。

6.根据权利要求5所述的激光打印方法，其特征在于：所述激光打印方法还包括：

7.根据权利要求5所述的激光打印方法，其特征在于：所述成型表面处于所述基准位时，打印成形件的填充线；所述成型表面处于所述预设位时，打印成形件的轮廓线；

8.一种激光打印系统，其特征在于：包括：

9.根据权利要求8所述的激光打印系统，其特征在于：所述主控装置还用于在判定所述第二扫描线的长度等于所述第一扫描线的长度时，直接以当前所述激光扫描装置射出的激光束聚焦于所述焦平面的照射角的角度参数，作为所述成型表面在所述预设位时的打印参数。