CN112428581A - 一种应用于3d打印高精度激光空间选择固化联动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，激光器发出的激光经过半透半反镜，一部分激光被半透半反镜反射到达光功率计，一部分激光透过半透半反镜到达第一平面反射镜，激光经过第一平面反射镜反射后经过凹透镜、凸透镜到达快门，从快门出射后到达第二平面反射镜，经过第三平面反射镜的反射后射向第一扫描镜、第二扫描镜，最后从光束整形镜头射出到达、打印平台上，打印平台底部搭载压电驱动机构。本发明采用两个扫描镜与一个压电驱动机构的联动方式实现打印空间的3D位置选择，改变了传统先进行2D扫描再进行3D打印的逐层打印方式，有效解决传统2D扫描过程中由于激光光束偏转造成的固化微元的形状与尺寸不一致的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学制造技术领域，尤其涉及一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统。
背景技术
自由曲面光学不同于传统光学系统，其在设计时采用大自由度多项式方程描述镜面，使光学系统可以同时兼顾大视场、高分辨与超紧凑结构。但其加工已成为限制应用的门槛。传统材料去除方式(计算机控制表面成形技术与单点金刚石切削技术)成本高，效率低；模压技术(Molding)限于内应力，精度低，且模具贵，周期长。3D打印是新兴的先进制造技术，通过增材堆叠与固化，可制造任意空间形状的物体。通过超快激光对热固材料作用，可实现高分辨率自由曲面镜片加工，同时具有快速性、低成本、高精度、不发黄的优点。
3D打印透镜的面型精度与粗糙度受制于打印过程的尺寸分辨率与最小固化尺寸，该尺寸是由激光热固化材料反应过程决定的。3D打印主要是通过激光固化点的空间选择来实现透镜的打印。目前传统空间选择方式是：首先进行激光光束偏转来完成二维空间的打印，然后竖直方向移动打印平台继续进行下一层平台的打印。不断进行上述过程循环，最终完成整个透镜的打印。这种空间选择方式在进行二维空间打印过程中，光束偏转倾斜入射进入材料导致固化微元的形状与尺寸将发生一定偏差，对此进行精确控制才能保证打印二维空间上的尺寸精度一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，通过利用快速反射镜偏转激光光束至不同二维指向位置实现的，并需要配合垂直方向微位移机构联动实现3D空间位置选择，进而解决打印过程中光束偏转导致的固化微元形状与尺寸精度不一致的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，包括激光器、光功率计、半透半反镜、第一平面反射镜、凹透镜、凸透镜、快门、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一扫描镜、第二扫描镜、光束整形镜头、打印平台、压电驱动机构和控制装置；
所述激光器发出的激光经过半透半反镜，一部分激光被半透半反镜反射到达光功率计，一部分激光透过半透半反镜到达第一平面反射镜，激光经过第一平面反射镜反射后经过凹透镜、凸透镜到达由控制装置控制的快门，从快门出射后到达第二平面反射镜，后又经过第三平面反射镜的反射后射向由控制装置控制可实现一维转动的第一扫描镜，又经过由控制装置控制可实现一维转动的第二扫描镜，最后从光束整形镜头射出到达置于用于3D打印的热固化材料中的打印平台上，打印平台底部搭载由控制装置控制可实现一维直线运动的压电驱动机构。
所述激光器发出的激光的参数为：
中心波长为1950±50nm，激光脉冲频率为30kHz，激光脉冲周期为3.33×10-5s，最大平均功率为5W，最大脉冲能量为333uJ，峰值功率为8940W。
所述第一扫描镜和所述第二扫描镜均为平面反射镜。
所述光束整形镜头由多个带有自由曲面的光学透镜组成，主要用于激光束的聚焦，保证激光束聚焦点控制在打印区域范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用两个扫描镜与一个压电驱动机构的联动方式实现打印空间的3D位置选择，改变了传统先进行2D扫描再进行3D打印的逐层打印方式，有效解决传统2D扫描过程中由于激光光束偏转造成的固化微元的形状与尺寸不一致的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统的结构示意图；
图中附图标记为：1、激光器，2、光功率计，3、半透半反镜，4、第一平面反射镜，5、凹透镜，6、凸透镜，7、快门，8、第二平面反射镜，9、第三平面反射镜，10、第一扫描镜，11、第二扫描镜，12、光束整形镜头，13、打印平台，14、压电驱动机构，15、控制装置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及较佳实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，在一个实施例中，本发明提供一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，该系统包括：激光器1，光功率计2，半透半反镜3，第一平面反射镜4，凹透镜5，凸透镜6，快门7，第二平面反射镜8，第三平面反射镜9，第一扫描镜10，第二扫描镜11，光束整形镜头12，打印平台13，压电驱动机构14，控制装置15，控制装置15分别与快门7、第一扫描镜10、第二扫描镜11、压电驱动机构14连接。
激光器1发出的激光经过半透半反镜3，一部分激光被半透半反镜3反射到达光功率计2，一部分激光透过半透半反镜3到达第一平面反射镜4，激光经过第一平面反射镜4反射后经过凹透镜5，又经过凸透镜6，激光经过凸透镜6后到达由控制装置15控制的快门7，激光从快门7出射后到达第二平面反射镜8，后又经过第三平面反射镜9的反射，然后激光射向由控制装置15控制可实现一维转动的第一扫描镜10，又经过由控制装置15控制可实现一维转动的第二扫描镜11，最后从光束整形镜头12射出到达打印平台13，打印平台13置于用于3D打印的热固化材料中，并且打印平台13底部搭载压电驱动机构14，压电驱动机构14由控制装置15控制，可实现一维直线运动。实现了应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统的整体框架。
可选地，激光器1发出的激光的参数为：中心波长为1950±50nm，激光脉冲频率为30kHz，激光脉冲周期为3.33×10-5s，最大平均功率为5W，最大脉冲能量为333uJ，峰值功率为8940W。
半透半反镜3的作用是将激光器1发出的一部分激光反射到光功率计2中，光功率计2用于不断监测激光器1所发出激光功率是否达到使用要求。
第一平面反射镜4、第二平面反射镜8、第三平面反射镜9主要用于折叠系统中的激光光路，减小系统外包络尺寸。
激光依次通过凹透镜5与凸透镜6，凹透镜5与凸透镜6主要承担激光扩束功能，便于激光束通过光束整形镜头12进行光束的调制整形。
快门7的主要功能是用于激光光路的开闭，因为在打印过程中需要进行逐点打印，即在选择打印空间位置时不能使得激光与被打印材料接触。
第一扫描镜10是一个具有一维旋转运动的平面反射镜，它的转动速度与角度由控制装置15进行控制，能够实现激光光束的一维扫描，即可完成打印平面的一个方向空间选择。第二扫描镜11也是一个具有一维旋转运动的平面反射镜，它的转动速度与角度同样由控制装置15进行控制，能够实现激光光束的一维扫描，即可完成打印平面的另一个方向空间选择。第一扫描镜10与第二扫描镜11相配合即可完成光机系统打印区域二维空间选择。
可选地，光束整形镜头12由多个带有自由曲面的光学透镜组成，主要用于激光束的聚焦，保证激光束聚焦点控制在打印区域范围内。
打印平台13置于用于3D打印的热固化材料中，在打印平台13底部搭载具有一维直线运动的压电驱动机构14。压电驱动机构14由控制装置15进行控制，它可以保证打印平台13实现竖直方向的一维运动，因此压电驱动机构14、第一扫描镜10与第二扫描镜11相结合可以实现3D打印空间位置的自由选择。
在上述技术方案中，本发明提供的一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统具有以下有益效果：
本发明采用两个扫描镜与一个压电驱动机构的联动方式实现打印空间的3D位置选择，改变了传统先进行2D扫描再进行3D打印的逐层打印方式，有效解决传统2D扫描过程中由于激光光束偏转造成的固化微元的形状与尺寸不一致的问题。
以上所述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发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，其特征在于，包括激光器(1)、光功率计(2)、半透半反镜(3)、第一平面反射镜(4)、凹透镜(5)、凸透镜(6)、快门(7)、第二平面反射镜(8)、第三平面反射镜(9)、第一扫描镜(10)、第二扫描镜(11)、光束整形镜头(12)、打印平台(13)、压电驱动机构(14)和控制装置(15)；
所述激光器(1)发出的激光经过半透半反镜(3)，一部分激光被半透半反镜(3)反射到达光功率计(2)，一部分激光透过半透半反镜(3)到达第一平面反射镜(4)，激光经过第一平面反射镜(4)反射后经过凹透镜(5)、凸透镜(6)到达由控制装置(15)控制的快门(7)，从快门(7)出射后到达第二平面反射镜(8)，后又经过第三平面反射镜(9)的反射后射向由控制装置(15)控制可实现一维转动的第一扫描镜(10)，又经过由控制装置(15)控制可实现一维转动的第二扫描镜(11)，最后从光束整形镜头(12)射出到达置于用于3D打印的热固化材料中的打印平台(13)上，打印平台(13)底部搭载由控制装置(15)控制可实现一维直线运动的压电驱动机构(14)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光的参数为：
中心波长为1950±50nm，激光脉冲频率为30kHz，激光脉冲周期为3.33×10-5s，最大平均功率为5W，最大脉冲能量为333uJ，峰值功率为8940W。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，其特征在于，
所述第一扫描镜(10)和所述第二扫描镜(11)均为平面反射镜。
4.根据权利要求1或2所述的一种应用于3D打印高精度激光空间选择固化联动系统，其特征在于，
所述光束整形镜头(12)由多个带有自由曲面的光学透镜组成，主要用于激光束的聚焦，保证激光束聚焦点控制在打印区域范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210302 |