CN113183465A - 一种3d打印机的光路结构及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印机的光路结构及3D打印机，包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；激光泵浦源用于产生3D打印用激光；控制芯片用于控制分路系统和调焦系统；分路系统用于将激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；调焦系统用于对分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。通过分路系统使得激光泵浦源发出的光束分成了多束，在通过调整多束光路之间的距离及焦距等参数便可以实现一个光路结构产生多个光束同时对产品进行3D打印，从而提高了3D打印的效率；此外，在打印过程中仅需调整分路系统即可实现光路的移动，降低了移动负载的载重，从而能够有效提高打印精度。解决了如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

Description

一种3D打印机的光路结构及3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印机的光路结构及3D打印机。

背景技术

3D打印(3DP)是一种快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。目前，3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

现有的3D打印机只具有一套打印系统，即在进行打印时只能单线条地进行打印，生产效率低下。此外，现有的3D打印机在打印较大产品时通常是将整个光路打印系统进行位移，从而实现产品整个面的打印，而这样的方式导致需要较大的驱动力来实现光路打印系统的位移，而随之带来的不仅是成本的增加，还使得打印精度较差。

为解决上述问题，专利申请号为201821954837.X、名称为“一种双工位光固化3D打印机”提供了一种3D打印机，然而此种打印机其原理是将大型产品分割为多个块，每一块通过一套光路打印系统进行打印，最终将多个块进行拼接从而提高产品的打印效率。但这种方式无疑增加了3D打印机的零件成本，还使得3D打印机的体积较大；且由于不同光路系统存在一定的差异，会导致打印形成的多个块之间存在差异，不利于拼接；此外，在部分情形下，仍旧存在由于光路打印系统的移动而带来的打印精度较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印机的光路结构及3D打印机，以解决如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种3D打印机的光路结构，所述光路结构包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；所述激光泵浦源用于产生3D打印用激光；所述控制芯片用于控制所述分路系统和所述调焦系统以实现产品的3D打印；所述分路系统用于将所述激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；所述调焦系统用于对所述分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述分路系统包括主光路组、分光路组和驱动器；所述主光路组用于使所述激光泵浦源发出的激光分为两路，其中一路沿主光路传输以形成第一打印光路实现对产品的3D打印，另一路传输至所述分光路组并沿分光路传输以形成第二打印光路实现对产品的3D打印；所述驱动器用于在所述控制芯片的控制下调整所述主光路组和所述分光路组之间的相对位置。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述主光路组包括第一分光镜和第二分光镜；所述第一分光镜与所述第二分光镜沿光轴旋转呈角度设置，且旋转角度可调；所述激光泵浦源产生的激光通过所述第一分光镜后分为两路，其中一路传输至所述分光路组，另一路传输至所述第二分光镜并于所述第二分光镜分为两路。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述第一分光镜和所述第二分光镜均为半透半反镜。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述分光路组包括第一反光镜和第二反光镜；所述第一反光镜的反光面与所述第一分光镜的斜面平行，且所述第一反光镜在所述驱动器的带动下改变距所述第一分光镜的距离；所述第二反光镜的反光面与所述第二分光镜的斜面平行，且所述第二反光镜在所述驱动器的带动下改变距所述第二分光镜的距离。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述驱动器用于带动所述第一分光镜和所述第一反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。

可选的，在所述的3D打印机的光路结构中，所述驱动器用于带动所述第二分光镜和所述第二反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。

为解决上述技术问题，本发明提供还一种3D打印机，所述3D打印机包括如上任一项所述的3D打印机的光路结构。

可选的，在所述的3D打印机中，所述3D打印机还包括打印平台，所述打印平台在所述控制芯片的控制下实现相对于所述光路结构的高度可调和水平移动。

可选的，在所述的3D打印机中，所述3D打印机为SLA 3D打印机、SLS 3D打印机、FDM3D打印机、DLP 3D打印机、DED 3D打印机或LOM 3D打印机。

本发明提供的3D打印机的光路结构及3D打印机，所述光路结构包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；所述激光泵浦源用于产生3D打印用激光；所述控制芯片用于控制所述分路系统和所述调焦系统以实现产品的3D打印；所述分路系统用于将所述激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；所述调焦系统用于对所述分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。通过分路系统使得激光泵浦源发出的光束分成了多束，在通过调整多束光路之间的距离及焦距等参数便可以实现一个光路结构产生多个光束同时对产品进行3D打印，从而提高了3D打印的效率；此外，在打印过程中仅需调整分路系统即可实现光路的移动，降低了移动负载的载重，从而能够有效提高打印精度。解决了如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

附图说明

图1为本实施例提供的3D打印机的光路结构的示意图；

图2为本实施例提供的分路系统的结构示意图；

图3为本实施例停工的3D打印机；

其中，各附图标记说明如下：

110-第一分光镜；120-第二反光镜；210-第一反光镜；220-第二反光镜；10-光路结构；20-打印平台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的3D打印机的光路结构及3D打印机作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实施例提供一种3D打印机的光路结构，如图1所示，所述光路结构包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；所述激光泵浦源用于产生3D打印用激光；所述控制芯片用于控制所述分路系统和所述调焦系统以实现产品的3D打印；所述分路系统用于将所述激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；所述调焦系统用于对所述分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。

本实施例提供的3D打印机的光路结构，通过分路系统使得激光泵浦源发出的光束分成了多束，在通过调整多束光路之间的距离及焦距等参数便可以实现一个光路结构产生多个光束同时对产品进行3D打印，从而提高了3D打印的效率；此外，在打印过程中仅需调整分路系统即可实现光路的移动，降低了移动负载的载重，从而能够有效提高打印精度。解决了如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

具体的，光路结构中从激光泵浦源为光源起始点，光束依次经过分路系统和调焦系统，并在控制芯片的控制下实现多光路的分束及光路相对位置的调整。需要说明的是，本实施例提供的光路结构中除了激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统外，还可以包括偏振系统等其他光路结构，具体的结构设计为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。在不违背本发明主旨前提下的其他增加了结构的光路结构也应当属于本发明的保护范围。

进一步的，在本实施例中，所述分路系统包括主光路组、分光路组和驱动器；所述主光路组用于使所述激光泵浦源发出的激光分为两路，其中一路沿主光路传输以形成第一打印光路实现对产品的3D打印，另一路传输至所述分光路组并沿分光路传输以形成第二打印光路实现对产品的3D打印；所述驱动器用于在所述控制芯片的控制下调整所述主光路组和所述分光路组之间的相对位置。

在本实施例中，驱动器为高精度电机马达，通过夹持装置固定主光路组和分光路组中的各个光学元器件从而分别带动各个光学元器件移动和/或旋转。由此可见，在本实施例提供的光路结构中，驱动器的数量为多个，如此便于在光路结构的某一光学元器件出现故障时的单独修理，且在对各个光学元器件进行位置移动或角度旋转时通过一对一的控制能够实现精准的移动和/或旋转。

如图2所示，在本实施例提供的分路系统中，所述主光路组包括第一分光镜110和第二分光镜120；所述第一分光镜110与所述第二分光镜120沿光轴旋转呈角度设置，且旋转角度可调；所述激光泵浦源产生的激光通过所述第一分光镜110后分为两路，其中一路传输至所述分光路组，另一路传输至所述第二分光镜120并于所述第二分光镜120分为两路。

第一分光镜110和第二分光镜120的光轴与激光泵浦源发出的激光束重合，从而实现对激光束的分路。同时，第一分光镜110与第二分光镜120之间的摆放角度沿光轴旋转，如此可以使得第一分光镜110分路出的光束与第二分光镜120分路出的光束互呈角度，从而形成了多个分光束，以便于提高加工效率。

在本实施例中，所述第一分光镜110和所述第二分光镜120均为半透半反镜。在本实施例中，选择的第二分光镜120的半透半反镜是指反射率和透射率均为50％的光学镜片，选择的第一分光镜110的半透半反镜是指反射率为33.3％、透射率为66.7％的光学镜片。通过控制半透半反镜产生的两路光束的激光能量，使得最终落于产品打印处的每一激光光束的激光能量一致，进而保证打印出的产品品质一致。当然，在具体结构设计中，可能存在多个分光镜的依次堆叠，因此需根据最终的激光光束来确认每一分光镜分成的光束之间的能量分配。

进一步的，在本实施例中，如图2所示，所述分光路组包括第一反光镜210和第二反光镜220；所述第一反光镜210的反光面与所述第一分光镜110的斜面平行，且所述第一反光镜210在所述驱动器的带动下改变距所述第一分光镜110的距离；所述第二反光镜220的反光面与所述第二分光镜120的斜面平行，且所述第二反光镜220在所述驱动器的带动下改变距所述第二分光镜120的距离。

第一反光镜210与第二反光镜220的作用相同，均是为了改变从第一分光镜110和第二分光镜120分路出来的激光束的光路，使得分路出来的激光束最终落于产品打印表面，实现对产品的3D打印。

在本实施例中，由于第一反光镜210和第二反光镜220相对于第一分光镜110和第二分光镜120的距离可调，使得最终落于产品打印表面处的激光点之间的距离可调，从而能够在不移动激光泵浦源的基础上，实现产品不同区域的打印。由于调整反光镜处的驱动器只需调整一个光学元器件，因此其驱动力无需过大，使得在保证调整的高精度的同时能够快速的移动，不仅提高了产品的制造精度，还提高了产品的打印效率。

较佳的，在本实施例中，所述驱动器用于带动所述第一分光镜和所述第一反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。如此，便可以扩大反光镜反射的激光光路的打印范围，能够进一步提高打印效率。

同理，所述驱动器还可以用于带动所述第二分光镜和所述第二反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。

更佳的，在本实施例中，第二反光镜220能够在其反光面旋转，通过调整旋转的角度来实现分光路的激光束的光路角度的调整。如此一来，便可以通过第二反光镜220反光后的激光束实现对产品侧边缘的3D打印，或者对于主光路下的激光打印点增加激光能量，其具体应用可以依据实际情况进行设计。

由于在本实施例中，第一反光镜110和第二反光镜220反射的激光直接作用于产品打印表面，因此可以使其角度旋转来改变其光路角度。在其他实施例中，由于可能存在多个反光镜，为保证各个分光束可以到达产品打印表面，因此仅能够使光路上最后一个反光镜的角度可调。

当然，为了保证光路的稳定性，各个光学元器件可以设置为角度可微调，从而便于调整光路的精确度。

此外，需要说明的是，本发明所选用的激光泵浦源可以为红外激光、氦氖激光、紫外激光等各类适用于3D打印的激光泵浦源。调焦系统位于分路系统的各个最末级的光学元器件后，用于对每一光路的焦点进行调整；调焦系统的具体结构设计为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。

本实施例还提供一种3D打印机，所述3D打印机包括如本实施例提供的3D打印机的光路结构。

本实施例提供的3D打印机，通过分路系统使得激光泵浦源发出的光束分成了多束，在通过调整多束光路之间的距离及焦距等参数便可以实现一个光路结构产生多个光束同时对产品进行3D打印，从而提高了3D打印的效率；此外，在打印过程中仅需调整分路系统即可实现光路的移动，降低了移动负载的载重，从而能够有效提高打印精度。解决了如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

具体的，本实施例所提的3D打印机可以为SLA 3D打印机、SLS 3D打印机、FDM 3D打印机、DLP 3D打印机、DED 3D打印机或LOM 3D打印机。这些打印机都是现有技术中常用的打印机，适用于各类不同的场景。由此可见，本实施例提供的3D打印机的光路结构适用于各类打印机，应用面广。

SLA(立体平板印刷)3D打印机是利用液体光敏树脂在紫外光照射下能快速固化为固体的方法来成型的3D打印机；SLS(有选择性激光烧结成型)3D打印机是激光选择性烧结成型(原料可以是塑料粉末、陶瓷粉末、金属粉末等)的3D打印机；FDM(熔融沉积式成型)3D打印机是利用塑料丝熔融后逐层打印成型的3D打印机；DLP(数字光处理)3D打印机是数字光源以面光的形式在液态光敏树脂表面进行层层投影，层层固化成型的3D打印机。DED(聚合物定向能量沉积)3D打印机是由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积成型的3D打印机；LOM(薄片分层堆层)3D打印机是较为原始的3D打印形式下的打印机，其原理是将箔材一层层切割后在堆砌热压形成最终产品。

进一步的，如图3所示，本实施例提供的3D打印机除了本实施例提供的光路结构10外，还包括打印平台20，所述打印平台20在所述控制芯片的控制下实现相对于所述光路结构10的高度可调和水平移动。也就是说，打印平台20能够在X、Y、Z三个方向上移动，通过Z(高度)方向上的移动，能够弥补光路结构10中调焦系统对焦点调整范围有限的不足；通过X/Y(水平面)方向的移动，能够弥补光路结构10中分路系统对激光分束后激光光路水平方向尺寸的限制。通过光路结构10和打印平台20的共同移动配合，能够实现大型产品的连续打印，提高了打印的精度和打印效率。

以下，以一具体实施例说明本发明提供的3D打印机及其光路结构。

首先，设计好打印产品的3D图，依据相关软件进行分层。选择合适的材料及3D打印机。这些均为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。

然后，开启3D打印机，本实施例提供的光路结构如图2所示。从激光泵浦源发出的激光通过第一分光镜110分为垂直的一路和水平的一路，水平的一路到达第一反光镜210后实现反射，从而使得光路向下，与垂直的一路方向一致。通过驱动器调整第一反光镜210距第一分光镜110的距离，便可以带动第一反光镜210反射后的光路距主光路的距离，从而实现不同区域位置的产品打印。第一分光镜110垂直的一路到达第二分光镜120，在第二分光镜120处再次实现分路，形成水平的一路和垂直的一路。垂直的一路到达产品的打印表面，实现对产品的打印；水平的一路到达第二反光镜220，通过第二反光镜220反射后使得光路向下，到达产品的打印表面。

之后，驱动器可以带动第二分光镜120和第二反光镜220以第二分光镜120接收到的激光束为光轴进行整体旋转，从而使得第二反光镜220反射后的光路能够在360°的范围内实现对产品的打印。此外，还可以调整第二反光镜220的反射面角度，从而实现反射后的光路的角度调整，能够对打印范围内的产品侧壁进行打印。

同样的，驱动器还可以带动第一分光镜110和第一反光镜210以第一分光镜110接收到的激光束为光轴进行整体旋转，从而使得第一反光镜210反射后的光路能够在360°的范围内实现对产品的打印。此外，还可以调整第一反光镜210的反射面角度，从而实现反射后的光路的角度调整，能够对打印范围内的产品侧壁进行打印。

在激光泵浦源不移动的情况下，本实施例提供的光路结构较现有的光路结构能够实现更大范围的打印，且能够同时通过多条光束实现对产品的同时打印，提高了打印效率。

在当激光打印的焦距处于打印层外时，可以通过调焦系统实现对激光束的焦距调整，从而保证打印的产品质量；若在调焦系统调焦后仍无法达到打印的焦距，则可以调整打印平台的高度来实现对焦距的调整。

在当前区域打印完成后，与现有的3D打印机类似的，光路结构整体发生移动，使得主光路的位置发生改变，从而对未打印的区域进行打印。当然，在具体应用中，光路结构中的分路系统的移动往往是与光路结构的整体移动同步进行的，从而使得加工的效率更高。其加工路径的实现为相关领域技术人员可以通过数控编程实现，此处不再赘述。

当光路结构整体发生移动后，产品仍有部分未打印，此时可以使打印平台进行移动，使得未打印的区域落于光路结构的打印区域内，从而实现对产品的打印。需要说明的是，考虑到光路结构中其他光学元器件在靠近边缘处易发生畸变，从而影响产品打印的能量和精度，因此应当保证产品的打印区域尽量位于激光泵浦源的中央位置附近。

在打印完一层后，可以调整打印平台的高度，使之下沉单位距离，从而实现下一层的打印。如此往复，便可以实现对产品的整体3D打印。

综上所述，本实施例提供的3D打印机的光路结构及3D打印机，所述光路结构包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；所述激光泵浦源用于产生3D打印用激光；所述控制芯片用于控制所述分路系统和所述调焦系统以实现产品的3D打印；所述分路系统用于将所述激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；所述调焦系统用于对所述分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。通过分路系统使得激光泵浦源发出的光束分成了多束，在通过调整多束光路之间的距离及焦距等参数便可以实现一个光路结构产生多个光束同时对产品进行3D打印，从而提高了3D打印的效率；此外，在打印过程中仅需调整分路系统即可实现光路的移动，降低了移动负载的载重，从而能够有效提高打印精度。解决了如何提高3D打印机的打印效率及打印精度的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D打印机的光路结构，其特征在于，所述光路结构包括激光泵浦源、控制芯片、分路系统和调焦系统；所述激光泵浦源用于产生3D打印用激光；所述控制芯片用于控制所述分路系统和所述调焦系统以实现产品的3D打印；所述分路系统用于将所述激光泵浦源产生的激光分为光路平行的至少两路；所述调焦系统用于对所述分路系统产生的至少两路激光光路进行调焦。

2.根据权利要求1所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述分路系统包括主光路组、分光路组和驱动器；所述主光路组用于使所述激光泵浦源发出的激光分为两路，其中一路沿主光路传输以形成第一打印光路实现对产品的3D打印，另一路传输至所述分光路组并沿分光路传输以形成第二打印光路实现对产品的3D打印；所述驱动器用于在所述控制芯片的控制下调整所述主光路组和所述分光路组之间的相对位置。

3.根据权利要求2所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述主光路组包括第一分光镜和第二分光镜；所述第一分光镜与所述第二分光镜沿光轴旋转呈角度设置，且旋转角度可调；所述激光泵浦源产生的激光通过所述第一分光镜后分为两路，其中一路传输至所述分光路组，另一路传输至所述第二分光镜并于所述第二分光镜分为两路。

4.根据权利要求3所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述第一分光镜和所述第二分光镜均为半透半反镜。

5.根据权利要求3所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述分光路组包括第一反光镜和第二反光镜；所述第一反光镜的反光面与所述第一分光镜的斜面平行，且所述第一反光镜在所述驱动器的带动下改变距所述第一分光镜的距离；所述第二反光镜的反光面与所述第二分光镜的斜面平行，且所述第二反光镜在所述驱动器的带动下改变距所述第二分光镜的距离。

6.根据权利要求5所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述驱动器用于带动所述第一分光镜和所述第一反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。

7.根据权利要求5所述的3D打印机的光路结构，其特征在于，所述驱动器用于带动所述第二分光镜和所述第二反光镜整体以所述激光泵浦源发出的激光为旋转轴旋转，旋转的角度为0～360°。

8.一种3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括如权利要求1～7任一项所述的3D打印机的光路结构。

9.根据权利要求8所述的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机还包括打印平台，所述打印平台在所述控制芯片的控制下实现相对于所述光路结构的高度可调和水平移动。

10.根据权利要求8所述的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机为SLA 3D打印机、SLS3D打印机、FDM 3D打印机、DLP 3D打印机、DED 3D打印机或LOM 3D打印机。

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