CN114101701B - 多光束增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，涉及一种多光束增材制造方法，包括以下步骤：1)将待打印零件进行剖分，形成多个打印层；2)根据打印光源在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个打印层划分，形成一个或多个大网格，打印光源包含多个光束；3)根据多个光束中的每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个大网格划分，形成小网格；4)根据划分形成的大网格和小网格控制打印光源，依次打印多个打印层。本发明提供了一种可提高打印效率的多光束增材制造方法。

Description

多光束增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种多光束增材制造方法。

背景技术

增材制造是一种可以快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型的过程，且加工出来的零件的性能可以替代传统加工的零件；它可以缩短产品设计制造周期、提升企业竞争能力、增强企业盈利能力，给工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。相较于传统的加工方法，金属3D成型技术可以成型任何复杂形状的零件。

多光束SLM设备的成型方法是：运铺粉机构铺好一层粉后，每个振镜控制一束激光扫描固定工作区内的零件截面，多个振镜的工作区域相互拼接，完成整层零件截面的成型。当一层截面烧结完成后，运动系统驱动成形平台下降一个层厚的高度，铺粉装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个零件的打印。

目前的多光束设备打印方法都是拼接多个振镜激光器，每个振镜控制一束激光负责一个区域的打印，这样做成本较高，效率低，且这种控制方法对于单振镜多光束设备不适用，目前尚未有成熟的单振镜控制多光束的方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可提高打印效率的多光束增材制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多光束增材制造方法，其特征在于：所述多光束增材制造方法包括以下步骤：

1)将待打印零件进行剖分，形成多个打印层；

2)根据打印光源在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个打印层划分，形成一个或多个大网格，所述打印光源包含多个光束；

3)根据所述多个光束中的每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个大网格划分，形成小网格；

4)根据划分形成的大网格和小网格控制所述打印光源，依次打印多个打印层。

上述每个大网格中的小网格的数量与打印光源中的光束的数量相同。

上述步骤4)包括：

4.1)根据划分形成的大网格和小网格生成每个打印层的扫描路径；

4.2)根据每个打印层对应的扫描路径控制所述打印光源，依次打印多个打印层。

上述扫描路径包括所述打印光源按照Z字形依次打印大网格的扫描路径以及所述打印光源中每个分束按照直线打印小网格的扫描路径。

上述打印光源由一个或多个激光器产生。

当打印光源由一个激光器产生时，则激光器产生原始激光后通过分束镜将原始激光分成包含多个分束的打印光源；当打印光源由多个激光器产生时，则每个激光器对应产生打印光源中的一个分束。

上述步骤3)中每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面由空间光调制器控制。

上述空间光调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、旋光调制器或弹光调制器。

本发明的优点是：

本发明提供了一种多光束增材制造方法，该方法通过对打印零件成型截面进行大网格以及小网格的划分，解决了多光束单振镜设备的控制问题，可以较好的发挥多光束设备的优势，提高打印效率，在打印合适的大幅面零件和小零件时极大地提高了打印效率。

附图说明

图1是本发明所提供的多光束增材制造方法的流程示意图；

图2是本发明所采用的网格划分的示意图；

图3是本发明所采用的大网格尺寸的示意图；

图4是基于本发明所提供的多光束增材制造方法对相同小零件进行批量生产的流程示意图；

图5是打印光源的成形示意图；

其中：

1-激光器；2-分束镜；3-准直扩束镜；4-空间光调制器；5-聚焦透镜；6-振镜；7-焦平面；8-控制器。

具体实施方式

参见图1，本发明提供一种多光束增材制造方法，可以应用于增材制造设备，该设备可以包括剖分单元和设备控制单元，其中，剖分单元用于生成各打印层的扫描路径，设备控制单元用于根据扫描路径完成零件打印。

在本申请实施例中，该方法可包括生成扫描路径的过程和打印零件的过程，其中，生成扫描路径的过程由剖分单元执行，包括以下步骤：

1)将待打印零件进行剖分，形成多个打印层(具体的剖分方法同现有技术)。

2)根据打印光源在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个打印层划分，形成一个或多个大网格，打印光源包含多个光束。

其中，打印光源可以由一个或多个激光器产生，当打印光源由一个激光器产生时，则激光器产生原始激光后通过分束镜将原始激光分成包含多个分束的打印光源；当打印光源由多个激光器产生时，则每个激光器对应产生打印光源中的一个分束。参见图5，是本发明所采用的打印光源的产生示意图，当然打印光源的产生并不限于这一种方式。基于图5所列的方式，打印光源的具体产生方式是：激光器1产生初始激光后，经过分束镜2将激光器1发出的初始激光分成m×n束等功率分束激光，准直扩束镜3将分束激光进行准直，改变分束激光的传播角度，使所有分束激光平行传播，空间光调制器阵列4控制分束激光的开闭及功率的调整，并且还可以通过控制空间光调制器阵列4的液晶体直射率来改变分束激光的光路，聚焦透镜5对分束激光进行聚焦，振镜6控制分束激光的出射位置，使得分束激光可以在焦平面7上完成打印，控制器8控制振镜6和空间光调制器阵列4的协同完成零件成型面的打印。激光器1可以是高功率单模激光器，单模激光器稳定性较好，示例性的，激光器1可采用波长1064nm的高功率单模激光器，发射初始激光。分束镜2属于光学衍射元件，分束镜2采用表面结构为达曼光栅的衍射光学镜片，可以根据实际需求将初始激光分成m×n束等功率分束激光，并且分束激光除了传播角度与功率外其他和初始激光一致。每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面由空间光调制器控制，空间光调制器均可以为电光调制器、声光调制器、磁光调制器、旋光调制器或弹光调制器等中的任一种。空间光调制器的类型可以相同，也可以不同，本实施例对此不作限定。空间光调制器可以控制对应的分束激光的开闭，还可以通过改变空间光调制器中晶体的折射率来控制分束激光的方向。此外，空间光调制器还可以控制对应分束激光的功率，从而保证各个分束激光功率一致，提高打印成型的质量。振镜6的幅面需要完全包络分束激光，满足抗损伤阈值条件，峰值功率损伤阈值≥10MW/cm²；控制器8分别控制振镜系统和空间光调制模块，分束光位置、能量可实时调整，集成度高、精度高，一般采用常用的控制器8，例如控制器8采用现有的振镜控制RTC5卡，空间光调制器阵列4用FPGA单元控制。

其中，大网格划分的具体实现方式是：参见图2，将打印零件进行剖分后的打印层划分成多个大网格。大网格的宽度W可等于光束的数量M(打印光源包括M×N个光束)乘以分束间距LM，长度H可等于打印光源的光束的数量N乘以分束间距LM，如图3所示。可以理解的是，大网格的尺寸由分束镜以及振镜等硬件确定，为固定值，是分束激光运动时轨迹不重叠时的最大网格尺寸，即打印光源在振镜固定姿态下的扫描幅面。划分的大网格需尽量与打印零件成型截面形状重合，如图2所示，方能最大程度上发挥多光束设备的优势，提高打印效率，减少能量损耗。

3)根据多个光束中的每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个大网格划分，形成小网格，每个大网格中的小网格的数量与打印光源中的光束的数量相同。小网格划分的具体实现方式是：参见图2，在大网格中依据打印光源中每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面划分小网格，根据光束数量，将每个大网格分为与光束数量相同个数的小网格。示例性的，若一个激光源经过分束镜形成M×N束分光，则可以将每个大网格均分为M×N个小网格。

4)根据划分形成的大网格和小网格生成每个打印层的扫描路径；

上述步骤1)-步骤4)均由剖分单元完成，通过上述步骤可获得打印该零件的扫描路径，从而可以使得设备控制单元根据扫描路径完成打印。

在本申请实施例中，生成的扫描路径可以从剖分单元发送至设备控制单元，即将含有扫描路径的剖分文件导入打印层中，导入后由设备控制单元执行打印零件的过程，具体是：设备控制单元根据剖分文件中最底层打印层所对应的扫描路径控制打印光源进行激光扫描，待完成最底层打印层的增材制造后，根据同样的方式打印剖分文件的其他打印层，当剩余打印层的层数为0时，结束增材制造的全过程。

扫描路径包括打印大网格的扫描路径以及打印小网格的扫描路径。其中，打印光源可以按照Z字形依次扫描各个大网格，也可以按照直线或者其他扫描路径依次扫描大网格；打印光源中的每个分束可以按照Z字形扫描对应的小网格，也可以按照直线或者其他扫描路径扫描对应的小网格。在本申请实施例中，扫描路径可包括打印光源按照Z字形依次打印大网格的扫描路径以及打印光源中每个分束按照直线打印小网格的扫描路径，在扫描过程中，通过RTC系列的振镜板卡控制打印光源依次扫描各个大网格，通过控制空间光调制器来控制打印光源中的每个光束扫描对应的小网格。其中，在扫描小网格时，若扫描的某处无需要打印的零件，则可以通过控制空间光调制器来关闭对应的光束，即在该位置处激光不进行打印。针对每个打印层执行相似的操作，逐层打印，直至打完整个零件。以图3的M×N分束激光为例，分束后的激光分别扫描对应的小网格，各束激光独立打印，每束激光可单独控制开关。由于振镜控制多束激光，因此激光的运动轨迹控制和单激光设备有较大差别，网格的划分必须合理设定，否则会浪费较多的能量。

上述实施例中，打印零件剖分后的打印层大于小网格尺寸。可以理解的是，若打印零件剖分的打印层小于或等于小网格尺寸，则打印光源中的每个光束均可以打印完成一个零件，进而打印光源中的多个光束可以同时打印多个相同的小零件。如图4所示，可以通过打印激光中的多个分束激光同时打印多个小零件，以提高打印效率。在设备完成准备工作后将待打印的小零件剖分的打印层导入打印设备中，分束激光在焦平面扫描范围阵列与打印零件排布位置阵列相匹配，每个分束激光打印的幅面大于或等于一个小零件的打印层，例如，每个分束激光的打印幅面可刚好覆盖一个零件的打印层，打印光源中的每束激光扫描轨迹同步，可同时打印多个小零件，从而提高打印效率。在本申请实施例中，由于分束激光是由同一激光源分束所得，所以分束激光性能一致，从而使得同时打印出来的多个小零件一致性较高。

Claims (6)

1.一种多光束增材制造方法，其特征在于：所述多光束增材制造方法包括以下步骤：

1）将待打印零件进行剖分，形成多个打印层；

2）根据打印光源在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个打印层划分，形成多个大网格，所述打印光源包含M×N个光束；所述大网格的宽度W等于光束的数量M乘以分束间距LM，大网格的长度H等于光束的数量N乘以分束间距LM；所述M×N个光束由分束镜产生的情况下，所述大网格的尺寸为固定值，由所述振镜和所述分束镜确定，是所述M×N个光束运动轨迹不重叠时的最大网格尺寸；

3）根据所述多个光束中的每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面对每个大网格划分，形成小网格；每个大网格中的小网格的数量与打印光源中的光束的数量相同，所述每个光束在振镜固定姿态下的扫描幅面由空间光调制器控制，所述空间光调制器控制所述每个光束的打开或关闭以及所述每个光束的方向和功率；

4）根据划分形成的大网格和小网格控制所述打印光源，依次打印多个打印层；在打印每个打印层时，依次扫描各个大网格，在扫描每个大网格的过程中，各个光束扫描对应的小网格。

2.根据权利要求1所述的多光束增材制造方法，其特征在于：所述步骤4）包括：

4.1）根据划分形成的大网格和小网格生成每个打印层的扫描路径；

4.2）根据每个打印层对应的扫描路径控制所述打印光源，依次打印多个打印层。

3.根据权利要求2所述的多光束增材制造方法，其特征在于：所述扫描路径包括所述打印光源按照Z字形依次打印大网格的扫描路径以及所述打印光源中每个分束按照直线打印小网格的扫描路径。

4.根据权利要求1-3任一所述的多光束增材制造方法，其特征在于：所述打印光源由一个或多个激光器产生。

5.根据权利要求4所述的多光束增材制造方法，其特征在于：当打印光源由一个激光器产生时，则激光器产生原始激光后通过分束镜将原始激光分成包含多个分束的打印光源；当打印光源由多个激光器产生时，则每个激光器对应产生打印光源中的一个分束。

6.根据权利要求5所述的多光束增材制造方法，其特征在于：所述空间光调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、旋光调制器或弹光调制器。