CN113103577A - 阵列式旋转双棱镜3d打印设备及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备及打印方法，包括多个并列设置的旋转双棱镜打印单元，每个打印单元包括：多路激光器，其头部呈一定角度固定在安装平台上，经准直头/反射镜获得平行光输出；旋转双棱镜，由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，能绕共同轴独立旋转改变光的传播方向，实现光束或视轴的指向调整；光束指向控制系统，配置为控制电机旋转双棱镜的旋转角度，使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；场镜与旋转双棱镜相对设置且下方设有打印平台。该阵列式旋转双棱镜3D打印设备结构紧凑，指向精度高，光损耗小，整体造价小，无时间色散效应，可控制大口径光束实现大角度偏转，机械传动误差对指向精度的影响很小。

Description

阵列式旋转双棱镜3D打印设备及打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体而言，涉及一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备及打印方法。
背景技术
快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。按照成型的方式，快速成型技术可以分为熔融沉积式(FDM)，选择性激光熔化成型(SLM)，立体光固化(SLA)，电子束熔化成型(EBM)等等。在这些成型技术中，选择性激光熔化成型(SLM)和立体光固化(SLA)是采用振镜扫描方式来实现的。振镜扫描系统主要由反射镜、扫描电机、伺服驱动单元组成。一般采用双轴振镜、X振镜和Y振镜，分别控制光路在X方向上和Y方向上的偏转，通过控制X振镜和Y振镜，便能够实现在平面上的路径扫描。反射镜在高动态响应性能的有限转角电机的带动下，能在一定范围内偏转，通过X方向和Y方向两个振镜的协调转动便能够实现在平面上的图形扫描。
传统的激光振镜扫描式3D打印机主要由XY反射镜片、场镜、扫描电机以及驱动电路等构成。振镜主要由位置传感器、电磁驱动的电枢或线圈以及安装在上面的小反射镜组成。当前振镜大多是采用动铁式结构，当电流信号通过线圈时，永久磁铁和线圈产生的相互作用会使得转子转动，从而带动振镜偏转。振镜位于激光器光路前方，分为X方向振镜和Y方向振镜，用来改变激光器射出激光的光路，实现指定路径的扫描。控制板卡分别与激光器，振镜，步进电机相连，从上位机获取打印指令，控制各部分工作。振镜扫描式的运动控制方式具有响应快，精度高，运动惯量小等优点，被广泛运用在激光打标，及激光快速成型中。
但是传统的振镜扫描打印增材制造设备中，由于扫描振镜工作的范围受限于扫描电机的偏转角度(一般在±20°)。为了扩大快速成型设备的工作范围，有的厂家在技术上采用多振镜扫描机构实现多路激光束协同工作，通过多个成型区域的协同叠加效果，可扩大成型的工作面积。但是，扫描振镜属于快速成型设备中技术含量高、成本昂贵的组件，多扫描振镜的使用不仅显著增加了设备体积，降低了系统的工作稳定性，而且也大大增加了设备成本。另外传统的振镜控制系统由计算机控制，振镜驱动因为电路复杂、体积大、功耗高、偏转角度精度低、控制不灵活等缺点无法满足现代高精度、小型化、低功耗振镜控制系统设计要求。
发明内容
本发明旨在提供一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备及打印方法，能够简化增材制造打印设备体积，提高打印范围，增加打印效率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备，包括多个并列设置的旋转双棱镜打印单元，每个所述旋转双棱镜打印单元包括：激光器，其头部呈一定角度固定在激光器安装平台上，并经过与其连接的准直头/反射镜获得平行光输出；旋转双棱镜，与准直头/反射镜相对设置，由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，能绕共同轴独立旋转改变光的传播方向，实现光束或视轴的指向调整；光束指向控制系统，配置为控制电机旋转双棱镜的旋转角度，从而控制激光光束的偏转，使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；以及场镜，与旋转双棱镜相对设置，且在所述场镜下方设置有打印平台。
根据本发明，所述旋转双棱镜与控制电机同轴安装，且旋转双棱镜粘结在所述控制电机的转子上。
根据本发明，所述激光器为一路或多路激光器。
根据本发明，所述激光器为光纤激光器，与其连接的准直头呈圆柱体。优选地，所述光纤激光器的头部呈90度垂直于打印平台固定。
根据本发明，所述激光器为固体激光器，所述固体激光器的头部平行于打印平台固定。
根据本发明，所述固体激光器分两层固定在平行的双层安装平台上，所述反射镜设置在光路上且使得发射激光经45°入射后往下90°偏折进入旋转双棱镜。
根据本发明，所述旋转双棱镜中棱镜的顶角和材料均相同。
根据本发明，多路所述激光器的头部组成单层或双层九宫格排列或六角形排列。
根据本发明另一方面，还提供了上述任一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：S1、将激光器的头部呈一定角度固定在平台上，多路光束各自经过准直头/反射镜后进入旋转双棱镜，获得平行光输出；S2、通过反向矢量光学精确解算路径法，控制电机控制旋转双棱镜的旋转角度，旋转双棱镜折射改变光束传播方向，从而控制激光光束的偏转，使得出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；S3、激光束经过对应的多组扩束准直和双棱镜扫描系统、多个聚焦系统后自多个出光口射出，由场镜聚焦在打印平台上；S4、多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成形完毕之后，成形缸下降一个层厚的高度，最终通过多个成型区域的协同叠加，扩大成型的工作面积。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明针对普通振镜扫描式增材制造设备体积大，扫描角度小的特点，设计了旋转双棱镜作为扫描组件，通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向，可实现光束或视轴的指向调整。还可以通过改变旋转双棱镜的顶角及材质，提高偏转角度。本发明的阵列式旋转双棱镜3D打印设备结构紧凑，指向精度高，光损耗小，整体造价小，无时间色散效应，可控制大口径光束实现大角度偏转，机械传动误差对指向精度的影响也很小。
附图说明
图1为本发明的每个旋转双棱镜3D打印单元的结构示意图；
图2是本发明的九宫格式旋转双棱镜3D打印设备的光路及控制模块示意图；
图3是本发明的固体激光器双层旋转双棱镜3D打印设备的光路及控制模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
如图1至3所示，本发明提出了一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备，包括多个并列设置的旋转双棱镜打印单元，其中，每个旋转双棱镜打印单元包括激光器1、准直头/反射镜2、旋转双棱镜3、光束指向控制系统4和场镜5。激光器1的头部呈一定角度固定在激光器安装平台上，并经过与其连接的准直头/反射镜2获得平行光输出。旋转双棱镜3与所述准直头/反射镜2相对设置，由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，能绕共同轴独立旋转改变光的传播方向，实现光束或视轴的指向调整。光束指向控制系统可以控制电机4以此旋转双棱镜3的旋转角度，从而控制激光光束偏转，使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整。场镜5与旋转双棱镜3相对设置，场镜5下方设置有打印平台6。
本发明针对普通振镜扫描式增材制造体积大，扫描角度小的特点，设计了旋转双棱镜作为扫描组件，通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向，可实现光束或视轴的指向调整。本发明的阵列式旋转双棱镜扫描打印增材制造系统结构紧凑，指向精度高，光损耗小，整体造价小，无时间色散效应，可控制大口径光束实现大角度偏转，机械传动误差对指向精度的影响也很小。还可以根据实际需求，通过改变旋转双棱镜的顶角及材质，提高偏转角度，例如根据打印模型需要，增大旋转双棱镜的顶角，或者采用高折射率晶体如钇铝石榴石，钒酸钇等作为棱镜材质，提高偏转角度。
优选地，旋转双棱镜3与控制电机4同轴安装，且旋转双棱镜3粘结在所述控制电机4的转子上。
根据本发明，所述激光器1可以为光纤激光器或固体激光器。图2示出了激光器1为光纤激光器、与其连接的准直头2呈圆柱体的实施例。该结构的阵列式旋转双棱镜3D打印设备具有结构紧凑，指向精度高，打印精度高，扫描范围大，整体造价小等特点和优势。
如图3所示，激光器1为固体激光器，所述固体激光器的头部平行于打印平台6固定。在本发明一个具体实施例中，固体激光器分两层固定在平行的双层安装平台上，反射镜2设置在光路上，使得发射激光经45°入射反射镜2后往下90°偏折进入旋转双棱镜。
优选地，激光器1的头部根据打印模型大小需要，可由四个或九个固体激光器单元同层或分层水平固定在平台上。此设计主要是考虑到打印大模型需要大偏转角度时，激光器需错位放置，以免打印中间区域出现盲区。
在本发明的一个优选实施例中，旋转双棱镜3中双棱镜为实现全场扫描，两个棱镜采用的顶角及材质均相同，以便抵消偏转角，减小扫描盲区。
根据本发明的另一方面，还提供了一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：
S1、将激光器1头部呈一定角度固定在平台上，多路光束各自经过准直头/反射镜2后进入旋转双棱镜3，获得平行光输出；
S2、通过反向矢量光学精确解算路径法，控制电机4控制旋转双棱镜3的旋转角度，旋转双棱镜3折射改变光束传播方向，从而控制激光光束的偏转，使得出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；
S3、激光束经过对应的多组扩束准直和双棱镜扫描系统、多个聚焦系统后自多个出光口射出，由场镜5聚焦在打印平台6上；
S4、多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成型完毕之后，打印面下降一个层厚的高度，最终通过多个成型区域的协同叠加，扩大成型的工作面积。
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。
图2为九宫格式旋转双棱镜3D打印设备光路及控制模块示意图，阵列式旋转双棱镜3D打印设备包括多个并列设置的旋转双棱镜打印单元，每个打印单元包括多路激光器1、准直头2、旋转双棱镜3、控制电机4、场镜5和打印平台6。多路激光器1为光纤激光器，其头部组成九宫格排列方式，多路光纤激光器头部呈90度垂直于打印平台上，经过准直头2获得平行光输出，光束引入旋转双棱镜，双棱镜直接粘结在电机的转子上，并与电机同轴安装。通过路径设计算法，控制电机旋转双棱镜的旋转角度，从而控制激光光束的偏转，最终激光通过双棱镜后由场镜5聚焦在打印平台6上。激光束经过对应的多组扩束准直和双棱镜扫描系统、多个聚焦系统后自多个出光口射出，最后，多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成型完毕之后，打印面下降一个层厚的高度，形成不同区域的成型，最终通过多个成型区域的协同叠加，扩大成型的工作面积。
图3为固体激光器双层旋转双棱镜3D打印设备光路及控制模块示意图。阵列式旋转双棱镜扫描打印增材制造系统包括多个并列设置的旋转双棱镜扫描打印单元，每个打印单元包括固体激光器、反射镜2、旋转双棱镜3、场镜4和打印平台5。固体激光器分两层固定在平行的双层安装平台上，激光经过45°反射镜2后往下90°偏折进入旋转双棱镜，双棱镜直接粘结在电机的转子上，并与电机同轴安装。通过反向矢量光学精确解算路径法，控制电机旋转双棱镜的旋转角度，从而控制激光光束的偏转，激光通过双棱镜后由场镜聚焦在打印面上。激光束经过对应的多组扩束准直和双棱镜扫描系统、多个聚焦系统后自多个出光口射出，最后，多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成型完毕之后，打印面下降一个层厚的高度，形成不同区域的成型，最终通过多个成型区域的协同叠加，扩大成型的工作面积。
在本发明的一个图中未示出的实施例中，激光器1也可以是头部组成单层或双层六角形排列方式或者其他排列方式。
以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，包括多个并列设置的旋转双棱镜打印单元，每个所述旋转双棱镜打印单元包括：
激光器(1)，其头部呈一定角度固定在激光器安装平台上，并经过与其连接的准直头/反射镜(2)获得平行光输出；
旋转双棱镜(3)，与所述准直头/反射镜(2)相对设置，由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，能绕共同轴独立旋转改变光的传播方向，实现光束或视轴的指向调整；
光束指向控制系统，配置为控制电机(4)旋转双棱镜(3)的旋转角度，从而控制激光光束的偏转，使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；以及
场镜(5)，与旋转双棱镜(3)相对设置，且在所述场镜(5)下方设置有打印平台(6)。
2.根据权利要求1所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述旋转双棱镜(3)与控制电机(4)同轴安装，且所述旋转双棱镜(3)粘结在所述控制电机(4)的转子上。
3.根据权利要求1所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述激光器(1)为一路或多路激光器。
4.根据权利要求1所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述激光器(1)为光纤激光器，与其连接的所述准直头(2)呈圆柱体。
优选地，所述光纤激光器的头部呈90度垂直于打印平台(6)固定。
5.根据权利要求3所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述激光器(1)为固体激光器，所述固体激光器的头部平行于打印平台(6)固定。
6.根据权利要求5所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述固体激光器分两层固定在平行的双层激光器安装平台上，所述反射镜(2)设置在光路上且使得发射激光经45°入射后往下90°偏折进入旋转双棱镜(3)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，所述旋转双棱镜(3)中两个棱镜的顶角和材料相同。
8.根据权利要求1所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备，其特征在于，多路所述激光器(1)的头部组成单层或双层九宫格排列或六角形排列。
9.权利要求1至8中任一项所述的阵列式旋转双棱镜3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将激光器(1)的头部呈一定角度固定在安装平台上，多路光束各自经过准直头/反射镜(2)后进入旋转双棱镜(3)，获得平行光输出；
S2、通过反向矢量光学精确解算路径法，控制电机(4)控制旋转双棱镜(3)的旋转角度，旋转双棱镜(3)折射改变光束传播方向，从而控制激光光束的偏转，使得出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整；
S3、激光束经过对应的多组扩束准直和双棱镜扫描系统、多个聚焦系统后自多个出光口射出，由场镜(5)聚焦在打印平台(6)上；
S4、多个激光束同时对整个幅面进行单独/协同扫描加工，待当前层成型完毕之后，打印面下降一个层厚的高度，最终通过多个成型区域的协同叠加，扩大成型的工作面积。
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