CN113459678B - 一种激光3d打印机边缘光斑面积补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，包括以下步骤：取光束垂直照射至打印平台时的光斑直径为理想扫描线宽；扫描过程中，当光束倾斜照射至打印平台时，基于光束的倾斜角度以及照射到打印平台上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同；通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与前述两个端点位置一致，用不断调整的光斑完成扫描。在激光光束打印画幅的边界时，采用变焦功能，动态改变打印光斑的大小，使激光光束在打印画幅边缘时具有和打印画幅中部相同的光斑面积和激光功率密度，使打印的质量获得提高。

Description

一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法

技术领域

本发明涉及3D打印机技术领域，具体而言，涉及一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法。

背景技术

激光3D打印是通过振镜扫描使得激光光束能够在打印面画幅内打印图案。参考图1～2所示，激光打印的光斑，越靠近边缘，光束更加倾斜，光斑成像为椭圆形，扫描线宽会变大；其次，参考图3所示，靠近边缘激光束聚焦距离边长，造成光点聚焦倍率变大，光点整体尺寸也会变大。因此边缘打印功率密度会降低，在打印幅面内，图案幅面边缘的打印质量相比于中心会有很大差异。

以目前市场上典型的250mm边长的打印机为例，焦距420mm，边缘的光斑与中心光斑面积相差9％，造成激光功率密度也相差9％，在打印中激光功率密度超过3％，即会有打印质量的差异，因此9％的差异造成了打印画幅边缘的质量明显下降。

中国专利CN112276089A公开了一种可变光斑3D激光打印头及3D激光打印设备，由多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的多个准直镜头、两维激光扫描振镜和平场聚焦镜头组成；所述诸准直镜头光轴平行，将所对应的所述光纤输出激光模块输出光纤端面输出的光变成平行光；通过控制诸所述光纤输出激光模块的开关及所述两维激光扫描振镜，可实现可变光斑的3D打印。在很大程度上解决激光选区熔化技术精度和效率的矛盾，在精度保持不变的情况下成倍的提高效率，但是该发明依然存在3D激光打印边缘和中心光斑面积差异造成的打印质量缺陷的问题。

因此，市场上亟需一种激光3D打印的方法以克服上述问题。

发明内容

本发明提供一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，以解决现有3D打印技术中打印画幅边缘与中部光斑密度、激光功率密度差异大而造成的打印质量差等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，包括以下步骤：

S1、取光束垂直照射至打印平台时的光斑直径为理想扫描线宽；

S2、扫描过程中，当光束倾斜照射至打印平台时，基于光束的倾斜角度以及照射到打印平台上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同；

S3、通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与步骤S2中计算出来的两个端点位置一致，用不断调整的光斑完成扫描。

优选地，所述的步骤S2计算决定实际扫描线宽的两个端点的具体步骤包括：

S2.1基于光束倾斜方向，计算其照射至打印平台上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度；

S2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式；

S2.3根据椭圆方程求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率；

S2.4寻找斜率与扫描方向相同的两个点，即为实际扫描线宽的两个端点。

优选地，所述的步骤S2.1的具体方式为：光束倾斜方向的向量为L(x,y,z)，光束为圆形光束，直径为a，光束沿L方向照射至打印平台并投影呈一个椭圆光斑，椭圆光斑的短轴长度与光束直径相同，即为a，椭圆光斑的长轴长度为b，其长度相当于圆形光斑对应的直径在平面上的投影，设定椭圆光斑的短轴长度为单位1，根据光束倾斜方向的向量L与打印平台的平面法向量n(0,0,1)的夹角，计算椭圆光斑的长轴b的长度，计算公式为：

a＝1 (1)

优选地，所述的步骤S2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式的具体方式为：设定焦点在y轴上的椭圆为标准椭圆，其方程为：

任意位置和方向的椭圆光斑相当于标准椭圆而言是经过旋转和平移得到，其表达式为：

式中，(x_t,y_t)为椭圆光斑的圆心坐标，此处椭圆光斑的圆心为倾斜方向为L的光束照射至打印平台时的平面坐标(L_x,L_y)，即x_t＝L_x,y_t＝L_y；∝为相对于标准椭圆，椭圆光斑的旋转角度，逆时针方向为正，相当于L的平面坐标与y轴的角度，因此，

将L_x，L_y，∝代入方程(3)中，得到新的椭圆光斑方程，新的椭圆光斑方程为：

优选地，所述的步骤S2.3根据椭圆方程求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率的具体方式为：基于椭圆光斑方程，对椭圆光斑上各点的x轴上的坐标进行求导，即可得到椭圆光斑轮廓线上各点的斜率，求导公式为：

公式中，y’表示是y对x的一次导数，即dy/dx。

优选地，S2.4寻找斜率与扫描方向相同的两个点的具体方式为：将扫描方向向量M的斜率

代入求导公式(5)中，即另y’＝k，得到斜率与扫描方向向量M相同的两个点的x坐标的求导公式，求导公式为：

联立方程(3)与方程(6)，求得实际扫描线宽的两个端点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)。

优选地，所述的步骤S3具体为：

S3.1、设光束倾斜角的余弦值的倒数为光斑大小变化比例，光束倾斜投影至打印平台的实际扫描线宽与初始扫描线宽的比例为投影线宽变化比例，将光斑大小变化比例和投影线宽变化比例相乘得到光束变化比例；

S3.2、调整打印光路中的变焦系统与振镜的距离，使得光束直径变化符合光束变化比例，进而使光束以任意角度投影到打印平台时，实际扫描线宽均相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明涉及的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法在激光光束打印画幅的边界时，采用变焦功能，动态改变打印光斑的大小，使激光光束在打印画幅边缘时具有和打印画幅中部相同的光斑面积和激光功率密度，使打印的质量获得提高。

附图说明

图1是采用本发明涉及的一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法进行打印时的激光光束扫描范围的整体示意图；

图2是一般激光3D打印机打印画幅时边缘光斑和中间的光斑对比图；

图3是一般激光3D打印机打印画幅时边缘光斑和中间的光斑的差值示意图；

图4是激光光束倾斜时在打印平面上投影出的椭圆光斑示意图；

图5是椭圆光斑在打印平面上沿光点扫描方向移动的示意图；

图6是变焦系统的变焦对比图；

图7是边缘椭圆光斑等效扫描线宽与中部圆形等效扫描线宽相等的示意图。

图中：1-激光光束，2-扫描振镜，3-打印平面，4-边缘光斑，5-中心光斑，6-变焦透镜。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明涉及的一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，包括以下步骤：

S1、取光束垂直照射至打印平台时的光斑直径为理想扫描线宽；

S2、扫描过程中，当光束倾斜照射至打印平台时，基于光束的倾斜角度以及照射到打印平台上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同；其具体步骤为：

S2.1基于光束倾斜方向，计算其照射至打印平台上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度，即参阅图4～5，光束倾斜方向的向量为L(x,y,z)，光束为圆形光束，直径为a，光束沿L方向照射至打印平台并投影呈一个椭圆光斑，椭圆光斑的短轴长度与光束直径相同，即为a，椭圆光斑的长轴长度为b，其长度相当于圆形光斑对应的直径在平面上的投影，设定椭圆光斑的短轴长度为单位1，根据光束倾斜方向的向量L与打印平台的平面法向量n(0,0,1)的夹角，计算椭圆光斑的长轴b的长度，计算公式为：

a＝1 (1)

S2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式，即设定焦点在y轴上的椭圆为标准椭圆，其方程为：

任意位置和方向的椭圆光斑相当于标准椭圆而言是经过旋转和平移得到，其表达式为：

式中，(x_t,y_t)为椭圆光斑的圆心坐标，此处椭圆光斑的圆心为倾斜方向为L的光束照射至打印平台时的平面坐标(L_x,L_y)，即x_t＝L_x,y_t＝L_y；∝为相对于标准椭圆，椭圆光斑的旋转角度，逆时针方向为正，相当于L的平面坐标与y轴的角度，因此，

将L_x，L_y，∝代入方程(3)中，得到新的椭圆光斑方程，新的椭圆光斑方程为：

S2.3根据椭圆方程求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率，具体方式为：基于椭圆光斑方程，对椭圆光斑上各点的x轴上的坐标进行求导，即可得到椭圆光斑轮廓线上各点的斜率，求导公式为：

公式中，y’表示是y对x的一次导数，即dy/dx；

S2.4寻找斜率与扫描方向相同的两个点，即为实际扫描线宽的两个端点，具体方式为：将扫描方向向量M的斜率

代入求导公式(5)中，即另y’＝k，得到斜率与扫描方向向量M相同的两个点的x坐标的求导公式，求导公式为：

联立方程(3)与方程(6)，求得实际扫描线宽的两个端点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)。

S3、通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与步骤S2中计算出来的两个端点位置一致，用不断调整的光斑完成扫描；参阅图6～7，该步骤具体为：

S3.1、设光束倾斜角的余弦值的倒数为光斑大小变化比例，光束倾斜投影至打印平台的实际扫描线宽与初始扫描线宽的比例为投影线宽变化比例，将光斑大小变化比例和投影线宽变化比例相乘得到光束变化比例；

S3.2、调整打印光路中的变焦系统与振镜的距离，使得光束直径变化符合光束变化比例，进而使光束以任意角度投影到打印平台时，实际扫描线宽均相同。

本发明涉及的一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，在激光光束打印画幅的边界时，采用变焦功能，动态改变打印光斑的大小，使激光光束在打印画幅边缘时具有和打印画幅中部相同的光斑面积和激光功率密度，避免了传统打印中打印幅面中心与边缘因光斑不一致而产生的打印质量差异，使打印的质量获得提高。

以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、取光束垂直照射至打印平台时的光斑直径为理想扫描线宽；

S2、扫描过程中，当光束倾斜照射至打印平台时，基于光束的倾斜角度以及照射到打印平台上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同，其具体步骤包括：

S2.1基于光束倾斜方向，计算其照射至打印平台上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度；

S2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式；

S2.3根据椭圆方程式求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率；

S2.4寻找斜率与扫描方向相同的两个点，即为实际扫描线宽的两个端点；

S3、通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与步骤S2中计算出来的两个端点位置一致，用不断调整的光斑完成扫描。

2.根据权利要求1所述的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于：所述的步骤S2.1的具体方式为：

光束倾斜方向的向量为L(x,y,z)，光束为圆形光束，直径为a，光束沿L方向照射至打印平台并投影呈一个椭圆光斑，椭圆光斑的短轴长度与光束直径相同，即为a，椭圆光斑的长轴长度为b，其长度相当于圆形光斑对应的直径在平面上的投影，设定椭圆光斑的短轴长度为单位1，根据光束倾斜方向的向量L与打印平台的平面法向量n(0,0,1)的夹角，计算椭圆光斑的长轴b的长度，计算公式为：

a＝1 (1)

3.根据权利要求2所述的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于：所述的步骤S2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式的具体方式为：

设定焦点在y轴上的椭圆为标准椭圆，其方程为：

任意位置和方向的椭圆光斑相当于标准椭圆而言是经过旋转和平移得到，其表达式为：

式中，(x_t,y_t)为椭圆光斑的圆心坐标，此处椭圆光斑的圆心为倾斜方向为L的光束照射至打印平台时的平面坐标(L_x,L_y)，即x_t＝L_x,y_t＝L_y；∝为相对于标准椭圆，椭圆光斑的旋转角度，逆时针方向为正，相当于L的平面坐标与y轴的角度，因此，

将L_x，L_y，∝代入方程(3)中，得到新的椭圆光斑方程，新的椭圆光斑方程为：

4.根据权利要求3所述的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于：所述的步骤S2.3根据椭圆方程式求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率的具体方式为：

基于椭圆光斑方程，对椭圆光斑上各点的x轴上的坐标进行求导，即可得到椭圆光斑轮廓线上各点的斜率，求导公式为：

公式中，y’表示是y对x的一次导数，即dy/dx。

5.根据权利要求4所述的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于：S2.4寻找斜率与扫描方向相同的两个点的具体方式为：

将扫描方向向量M的斜率

代入求导公式(5)中，即令y’＝k，得到斜率与扫描方向向量M相同的两个点的x坐标的求导公式，求导公式为：

联立方程(3)与方程(6)，求得实际扫描线宽的两个端点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)。

6.根据权利要求1所述的激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，其特征在于：所述的步骤S3具体为：

S3.1、设光束倾斜角的余弦值的倒数为光斑大小变化比例，光束倾斜投影至打印平台的实际扫描线宽与初始扫描线宽的比例为投影线宽变化比例，将光斑大小变化比例和投影线宽变化比例相乘得到光束变化比例；

S3.2、调整打印光路中的变焦系统与振镜的距离，使得光束直径变化符合光束变化比例，进而使光束以任意角度投影到打印平台时，实际扫描线宽均相同。

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