CN113579468B - 一种线阵式激光3d打印装置及方法 - Google Patents

一种线阵式激光3d打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种线阵式激光3D打印装置，其包括：激光束整形模块，用于将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束；激光束调制模块，用于将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；动态对焦模块，用于改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；激光成像模块，用于对小光束进行聚焦；扫描振镜模块，用于反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成扫描。本发明涉及的线阵式激光3D打印装置使用一个激光头即可产生多条激光光束，打印效果与传统的多激光头3D打印设备相同，但内部结构比多激光头3D打印机的结构简单，成本也较低，打印效率更高。

Description

一种线阵式激光3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及激光成像领域，尤其涉及一种线阵式激光3D打印装置及方法。
背景技术
激光3D打印，是将光纤激光器的激光光束准直，经过振镜系统反射后，再聚焦成像，在工作平面进行打印。根据打印的工件的不同，可以使用不同的激光器，例如金属3D打印，激光器光源可以使1080nm的红外激光器；光固化3D打印，激光器使用的是355nm紫外激光器。激光3D打印目前所有的方案均是使用一个点光源的激光器，在打印工作面聚焦成像为一个点，打印时振镜系统反射激光束进行单束激光点的扫描，打印效率非常低下。
基于上述问题，行业内出现了多激光头的打印方案，比如中国专利CN 207088485U公开了一种多激光器多振镜动态变焦扫描光路系统，其用于3D打印设备上，该设备包括光路板，该系统设于光路板上，且至少包括两组相互对称的激光器、振镜以及扩束镜，激光器输出端设有扩束镜，扩束镜的输出端设有振镜，激光器发射出的光束进入扩束镜，光束经扩束镜处理后再进入振镜，经振镜输出端的光束通过场镜再作用于加工3D打印设备平台上的加工工件。
然而，激光头数量增加，意味着激光器、振镜系统、成像镜头都得按比例增加，系统成本、复杂度会急剧增加。另外，激光打印光束数量的增加还会导致激光3D打印的效率降低，这也成为了该行业一直以来发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线阵式激光3D打印装置及方法，以解决现有的多激光头3D打印机存在的成本高、打印效率低等问题。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明涉及一种线阵式激光3D打印装置，其包括：
激光束整形模块，用于将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束；
激光束调制模块，用于将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；
动态对焦模块，用于改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；
激光成像模块，用于对小光束进行聚焦；
扫描振镜模块，用于反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成扫描。
优选地，所述的激光束整形模块包括：
激光准直镜片，用于将激光器发出的圆形发散激光束准直为圆形平行激光束；
鲍威尔棱镜，用于将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束；
平场镜片，用于将线状发散激光束准直为线状平行激光束。
优选地，所述的激光束调制模块采用多通道光栅光头装置，其包括：
声光调制器，用于产生超声波并传入声光介质，使得线状平行激光束透过声光介质时产生衍射，并形成多道小光束；
控制电路，用于控制各超声波转换器的开关状态；
与小光束一一对应的超声波转换器，用于控制对应小光束的偏折，进而改变小光束穿过激光束调制模块的通断状态。
优选地，所述的动态对焦模块和所述的激光成像模块之间还设有动态倍率补偿模块，用于对从激光束调制模块射出的各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同。
优选地，其还包括音圈电机和控制电路，所述的动态对焦模块和动态倍率补偿模块均通过音圈电机驱动，音圈电机由控制电路控制。
优选地，所述的激光成像模块采用由两种不同的光学材料制成的成像透镜。
优选地，所述的扫描振镜模块配有两个旋转电机，用于控制扫描振镜模块的反射角度。
本发明还涉及一种线阵式激光3D打印方法，其包括以下步骤：
1）采用激光束整形模块将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束；
2）采用激光束调制模块将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；
3）采用动态对焦模块改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；
4）采用激光成像模块对小光束进行聚焦；
5）采用扫描振镜模块反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成扫描。
优选地，所述的步骤1）的具体步骤包括：
1.1）采用激光准直镜片将激光器发出的发散圆形激光束准直为圆形平行激光束；
1.2）采用鲍威尔棱镜将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束；
1.3）采用平场镜片将线状发散激光束准直为线状平行激光束。
优选地，所述的步骤3）中采用动态对焦模块对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿后，还采用动态倍率补偿模块对各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同。
与现有技术相比，采用本发明涉及的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明涉及的线阵式激光3D打印装置设有激光束整形模块和激光束调制模块，激光束整形模块将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束；激光束调制模块将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制，如此，使用一个激光头即可产生多条激光光束，实现传统的多激光头3D打印设备的打印效果，但由于其只用到一个激光头，内部结构比多激光头3D打印机的结构简单，成本也较低，打印效率较多激光头3D打印机更高。
2、本发明涉及的线阵式激光3D打印装置采用激光束调制模块将经过激光束整形模块整形后的线状平行激光束分割成若干小光束，并对小光束进行独立控制，相比于多激光头3D打印设备，使用激光束调制模块的开关频率远超控制激光头开关的频率，进而在提高零件打印精度的同时，可以使用更大功率的激光器而不用再担心大功率激光器的开关速度问题。
3、本发明涉及的线阵式激光3D打印装置投射到工作面上的多个光斑来自于一个激光器，光斑的均匀性要好于不同激光器产生的光斑，且激光束整形模块包含了鲍威尔棱镜，激光束经过鲍威尔棱镜拉成线状光束后，能量分布更加均匀。
4、本发明涉及的线阵式激光3D打印装置不仅设置了动态对焦模块，还设置了动态倍率补偿模块，通过对动态倍率补偿模块的位置调整，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同，在振镜扫描不同角度的图案时，对焦距的变化以及倾斜光束引起的打印光斑大小的变化均做出实时动态调整，使得整个工作面均能高质量均匀打印。
附图说明
图1为本发明涉及的线阵式激光3D打印装置的光路图；
图2为激光束整形模块的原理图；
图3为激光束调制模块的结构框图；
图4为激光扫描角度与投射到工作面上的光斑大小示意图；
图5为变焦前动态对焦模块、动态倍率补偿模块和激光成像模块的位置关系图；
图6为变焦后动态对焦模块、动态倍率补偿模块和激光成像模块的位置关系图。
图中：1-激光器，2-准直镜片，3-鲍威尔棱镜，4-平场镜片，5-激光束调制模块，51-声光调制器，52-控制电路，53-超声波转换器，6-动态对焦模块，7-动态倍率补偿模块，8-激光成像模块，9-扫描振镜模块，10-工作面。
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。
实施例一
参照附图1所示，本发明涉及一种线阵式激光3D打印装置，其包括激光束整形模块、激光束调制模块、动态对焦模块、动态倍率补偿模块和扫描振镜模块。
参照附图1和2所示，所述的激光束整形模块用于将激光器1发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束。所述的激光束整形模块又包括用于将激光器1发出的圆形发散激光束准直为圆形平行激光束激光准直镜片2、用于将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束的鲍威尔棱镜3、用于将线状发散激光束准直为线状平行激光束的平场镜片4。
参照附图1和3所示，所述的激光束调制模块5为多通道光栅光头装置，用于将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；激光束调制模块5包括声光调制器51、控制电路52和超声波转换器53，声光调制器51用于产生超声波并传入声光介质，使得线状平行激光束透过声光介质时产生衍射，并形成多道小光束的声光调制器；控制电路52用于控制各超声波转换器的开关状态；超声波转换器53与小光束一一对应，用于控制对应小光束的偏折，进而改变小光束穿过激光束调制模块的通断状态；当超声波转换器53未开启时，小光束沿着原路线前进并进入到后续的动态对焦模块6中；当超声波转换器53未开启时，声光调制器51变为体光栅，小光束则在光栅作用下发生偏折，无法射出。
参照附图1所示，所述的动态对焦模块6为一块调焦透镜，调焦透镜为凸透镜，用于改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿。参照图4所示，调节扫描打印时，扫描到边缘区域时因为光束倾斜角度不同，导致打印的线宽发生改变；因此，边缘区域打印相比于中心位置而言，较为模糊，故本实施例还增设了动态倍率补偿模块7。所述的动态倍率补偿模块7采用变焦透镜，变焦透镜为一块凹透镜，其用于对从激光束调制模块射出的各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同，变焦原理如附图5和附图6所示。
上述的动态对焦模块6和动态倍率补偿模块7配有控制装置，控制装置为音圈电机和控制电路（图中均未画出），所述的动态对焦模块6和动态倍率补偿模块7均通过音圈电机驱动，音圈电机由控制电路控制。
参照图1所示，所述的激光成像模块8为一块由两种不同的光学材料制成的凸透镜，用于对小光束进行聚焦；采用两种不同的光学材料制成激光成像模块8，在保证高质量激光成像同时，在高能激光引起透镜温度变化时，通过不同光学材料折射率与温度的变化系数补偿，可以保持不同温度下，光斑焦点保持不变。
参照图1所示，所述的扫描振镜模块9用于反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面10上完成扫描。所述的扫描振镜模块9配有两个旋转电机，用于控制扫描振镜模块10的反射角度。
实施例二
参照附图1所示，本发明还涉及一种线阵式激光3D打印方法包括以下步骤：
1）采用激光束整形模块将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束，其具体步骤为：
1.1）采用激光准直镜片2将激光器1发出的发散圆形激光束准直为圆形平行激光束；
1.2）采用鲍威尔棱镜3将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束；
1.3）采用平场镜片4将线状发散激光束准直为线状平行激光束；
2）采用激光束调制模块5将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；
3）采用动态对焦模块6改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；同时，采用动态倍率补偿模块7对各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同；
4）采用激光成像模8块对小光束进行聚焦；
5）采用扫描振镜模块9反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成扫描。
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)

1.一种线阵式激光3D打印装置，其特征在于：其包括：
激光束整形模块，用于将激光器发出的圆形发散激光束整形为线状平行激光束，激光束整形模块包括：
激光准直镜片，用于将激光器发出的圆形发散激光束准直为圆形平行激光束；
鲍威尔棱镜，用于将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束；
平场镜片，用于将线状发散激光束准直为线状平行激光束；
激光束调制模块，所述的激光束调制模块采用多通道光栅光头装置，其包括声光调制器、控制电路以及与小光束一一对应的超声波转换器，声光调制器用于产生超声波并传入声光介质，使得线状平行激光束透过声光介质时产生衍射，并形成多道小光束，控制电路用于控制各超声波转换器的开关状态，超声波转换器用于控制对应小光束的偏折，进而改变小光束穿过激光束调制模块的通断状态；
动态对焦模块，用于改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；
激光成像模块，用于对小光束进行聚焦；
扫描振镜模块，用于反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成扫描；
所述的动态对焦模块和所述的激光成像模块之间还设有动态倍率补偿模块，用于对从激光束调制模块射出的各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同，动态倍率补偿模块还包括音圈电机和控制电路，所述的动态对焦模块和动态倍率补偿模块均通过音圈电机驱动，音圈电机由控制电路控制。
2.根据权利要求1所述的线阵式激光3D打印装置，其特征在于：所述的激光成像模块采用由两种不同的光学材料制成的成像透镜。
3.根据权利要求1所述的线阵式激光3D打印装置，其特征在于：所述的扫描振镜模块配有两个旋转电机，用于控制扫描振镜模块的反射角度。
4.一种基于权利要求1所述的线阵式激光3D打印装置的3D打印方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)采用激光束整形模块将激光器发出的发散圆形激光束整形为线状平行激光束；
2)采用激光束调制模块将线状平行激光束分割成若干小光束，并对所有小光束进行独立控制；
3)采用动态对焦模块改变透过激光束调制模块的小光束的折射角，进而对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿；
4)采用激光成像模块对小光束进行聚焦；
5)采用扫描振镜模块反射聚焦后的小光束，使小光束照射到工作面上完成成像。
5.根据权利要求4所述的基于线阵式激光3D打印装置的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤1）的具体步骤包括：
1.1）采用激光准直镜片将激光器发出的发散圆形激光束准直为圆形平行激光束；
1.2）采用鲍威尔棱镜将圆形平行激光束整形为长条形的线状发散激光束；
1.3）采用平场镜片将线状发散激光束准直为线状平行激光束。
6.根据权利要求4所述的基于线阵式激光3D打印装置的3D打印方法，其特征在于：所述的步骤3）中采用动态对焦模块对不同扫描位置的焦距长度的变化进行实时动态补偿后，还采用动态倍率补偿模块对各小光束进行实时动态补偿调节，使得经过激光成像模块成像和扫描振镜模块反射后投射到工作面上不同位置处的光斑大小相同。
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