CN114160808A - 三维成形方法及3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大外延三维成形方法及3D打印装置。该方法包括以下步骤：固化成形步骤；固化物翘曲检测步骤；热力整平步骤。3D打印装置包括控制单元、激光单元与成像单元；所述控制单元分别连接所述激光单元与成像单元；所述控制单元用于信息处理；所述激光单元具有至少三档功率，分别为第一功率、第三功率以及第二功率；所述激光单元用于产生光斑，且光斑可相对固化层移动。采用上述方法与装置，可以在3D打印过程中及时地对固化层的翘曲部分进行整平，有效解决包含大外延特征零件在逐层成形过程中的翘曲问题，大幅提升打印成功率，且易于在SLM、SLS等多种类型的粉末床3D打印机中推广应用。

Description

三维成形方法及3D打印装置

技术领域

本发明涉及粉末床三维成形的技术领域，特别是涉及一种三维成形方法及3D打印装置。

背景技术

粉末床三维成形是3D打印技术领域的重要成员，由于在逐层铺粉与固化成形过程中，粉末床腔体始终被未固化粉末与固化物充满，使得其与熔融挤出成形(FDM)相比，具有支撑依赖性低、成形自由度高、表面后处理简单等突出优势。

根据粉末类型及固化机制的不同，已有粉末床3D打印机可分为金属选区熔融成形(SLM)、高分子选区烧结成形(SLS)、高分子/金属/陶瓷选区微喷融合成形(3DP)等类型。忽略所采用选区固化单元的差异，如大功率激光扫描装置、液体介质微喷阵列等，它们有着相似的主机结构，包括供粉装置、铺粉装置、粉末床、成形仓与氛围系统等主要组件。通过选区固化对粉末床表层粉末的选择性固化，与粉末床打印基板逐层下降相配合，三维成形体以片状层层累积方式在粉末床腔体中生长成形。

随着粉末床3D打印机在航空航天、精准医疗、高端消费等领域应用的不断深入，各种具有复杂切片形状尤其是层间大外延特征的零件打印需求越来越多。在固化大外延切片层粉末时，由于成形后的片状固化物绝大部分浮在游离粉末上，只有根部与上一层固化物相连，使得其结构刚性极差，在快速冷却产生的收缩应力作用下，片状固化物的外延部位极易发生翘曲，并在后续成形过程中与铺粉装置发生碰撞、引发连锁反应，导致打印缺陷甚至造成铺粉装置损坏、打印失败等严重问题。

现有的一些方法中，可以通过采用在线给粉与设置柔性刮刀，抑制刮刀、粉堆与翘曲固化物之间的机械冲突。但该方法无法解决固化物翘曲导致的零件成形偏差。在其他的一些方法中，可以通过调高激光振镜的焦平面，可以抑制粉末熔融体积收缩导致的固化物塌陷问题，但无法解决固化物翘曲问题。

因此，目前亟需一种能有效应对固化层的外延部位粉末固化翘曲的粉末床三维成形方法。

发明内容

基于此，有必要针对固化层的外延部位在固化后翘曲的问题，提供一种三维成形方法及3D打印装置。

一种三维成形方法，包括以下步骤：

固化成形步骤；采用第一功率的激光扫描粉末，以固化成形，形成固化层；固化物翘曲检测步骤；采用第二功率的激光扫描所述固化层，且在扫描过程中进行同步成像，根据成像信息计算固化层翘曲范围及趋势；热力整平步骤；当固化物翘曲检测步骤中，检测到固化层具有翘曲部位，则采用第三功率的激光扫描固化层，以使固化层翘曲部位受热软化并恢复平整状态。

在其中一个实施例中，所述第一功率大于所述第三功率，所述第三功率大于所述第二功率。

在其中一个实施例中，所述固化物翘曲检测步骤中的扫描包括：横向扫描步骤与纵向扫描步骤；所述横向扫描步骤中的激光扫描方向，与所述纵向扫描步骤中激光扫描方向垂直。

在其中一个实施例中，所述固化物翘曲检测步骤中：当激光的光斑通过成像单元记录的扫描线簇连贯平直，则说明固化层未翘曲；当扫描线簇发生偏移，则说明固化层产生翘曲，需要进行所述热力整平步骤。

在其中一个实施例中，在所述热力整平步骤中，所述第三功率的激光由固化层的无翘曲部位向翘曲部位的方向扫描。

在其中一个实施例中，所述热力整平步骤中通过逐行扫描的方式扫描固化层，逐行扫描的光斑线速度远大于逐行扫描线的排列推进速度。

在其中一个实施例中，在所述固化成形步骤中，当所呈现的固化层相比于上一层所成形的固化层来说，具有外延部分，则进入固化物翘曲检测步骤；反之，则重复固化成形步骤。

在其中一个实施例中，所述固化成形步骤包括首层固化成形步骤和后续层固化成形步骤；所述首层固化成形步骤用于成形第一层固化层；所述后续层固化成形步骤用于成形后续各固化层。当所述固化物翘曲检测步骤检测无翘曲时，则重复后续层固化成形步骤；当所述固化物翘曲检测步骤检测有翘曲时，则对翘曲部位实施热力整平，而后重复后续层固化成形步骤。

在其中一个实施例中，所述第一功率的范围为100w-500w；所述第二功率的范围为小于10w；所述第三功率的范围为50w-100w。

通过采用上述方法，在进行3D打印时，在打印每一层固化层时，先进行固化成形步骤。通过第一功率的激光扫描3D打印的原料粉末，通过激光中的能量，使得粉末固化成形，获得所需形状的固化层。由于在3D打印时，固化层可能为大外延，即该固化层相比于下方一层的固化层来说，其边缘处具有延伸部分，且延伸面积较大，延伸部分易翘曲。

通过固化物翘曲检测步骤对固化层进行检测，在采用第二功率的激光扫描固化层，在扫描的过程中同步成像，以获得成像信息。根据成像信息计算固化层是否翘曲，且计算出翘曲范围以及趋势。

当计算后该固化层具有翘曲部分，则进行热力整平步骤。采用第三功率的激光对固化层进行扫描，对翘曲部分进行加热，使其软化并恢复平整状态，以完成对翘曲部分的整平。

采用上述步骤，可以在3D打印过程中及时地对翘曲部分进行整平，有效解决包含大外延特征零件在逐层成形过程中的翘曲问题，大幅提升打印成功率，且易于在SLM、SLS等多种类型的粉末床3D打印机中推广应用。

一种3D打印装置，包括控制单元、激光单元与成像单元；

所述控制单元分别连接所述激光单元与成像单元；所述控制单元用于信息处理；所述激光单元具有至少三档功率，分别为第一功率、第二功率以及第三功率；所述激光单元用于产生光斑，且光斑可相对固化层移动；所述成像单元用于采集激光单元产生光斑在固化层表面移动形成的图像；当所述激光单元调节至第一功率时，激光单元用于固化粉末形成固化层；当所述激光单元调节至第二功率时，激光单元用于扫描固化层；当所述激光单元调节至第三功率时，激光单元用于热力整平固化层的翘曲部位。

上述3D打印装置，通过设置具有至少三档功率的激光单元，实现在3D打印过程中具备粉末固化、固化层翘曲检测以及固化层翘曲整平的功能，而且本申请的装置结构较为简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的一实施例提供的一种3D打印装置的结构示意图。

图2为图1的另一视角的结构示意图。

图3为本发明的一实施例提供的一种控制信号连接示意图。

图4为本发明的一实施例提供的一种三维成形方法流程图。

图5为本发明的一实施例提供的另一种三维成形方法流程图。

图6为本发明的一实施例提供的一种粉末逐层固化时，铺粉单元于零位的示意图。

图7为图6中铺粉单元铺粉的示意图。

图8为图6中铺粉单元铺粉完毕的示意图。

图9为图8中新铺粉末层固化为新成形的固化层的示意图。

图10为固化物翘曲检测步骤中，第一扫描线蔟和第二扫描线蔟的位置示意图。

图11为固化物翘曲检测步骤中，新成形固化层的结构示意图。

图12为热力整平步骤中，逐行扫描线蔟的位置及移动示意图。

图13为热力整平步骤中，新成形固化层的结构示意图。

附图标记：1、主体；11、框架；12、成形仓体；121、顶壁；122、底壁；123、第一侧壁；124、第二侧壁；125、第三侧壁；126、打印开口；127、集粉口；128、进气口；129、出气口；13、粉末床；131、打印基板；2、供粉单元；21、供粉仓体；211、注粉口；212、供粉口；3、铺粉单元；31、铺粉盒；311、顶部开口；312、底部开口；32、刮板；4、回粉单元；41、回粉仓体；5、氛围单元；51、氛围提供装置；6、激光单元；61、激光振镜；7、成像单元；71、图像传感元件；8、控制单元；901、第一扫描线蔟；902、第二扫描线蔟；910、高度点云；920、翘曲范围；930、翘曲趋势线；940、逐行扫描线蔟；940X、逐行扫描线；1001、成形的固化层；1002、未成形的粉末；1003、新铺粉末层；1004、新成形的固化层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1与图2，本发明一实施例提供了一种3D打印装置，其包括主体1与设置在主体1上的供粉单元2、铺粉单元3、回粉单元4、氛围单元5、激光单元6、成像单元7和控制单元8。

其中，供粉单元2可以将3D打印的原料粉末由主体1外部输送至主体1内部。铺粉单元3可以将供粉单元2处获得的粉末进行铺设。回粉单元4可以将多余的粉末回收。氛围单元5可以提供受控气氛环境，以避免粉末固化时与活性气体发生反应而变性变质。激光单元6可以产生光斑，且光斑可相对固化层移动。激光单元6具有至少三档功率，分别为第一功率、第三功率以及第二功率。当激光单元6调节至第一功率时，激光单元6用于固化粉末形成固化层。当激光单元6调节至第二功率时，激光单元6用于扫描固化层。当激光单元6调节至第三功率时，激光单元6用于热力整平固化层的翘曲部位。成像单元7可以采集激光单元6所产生的光斑在固化层表面移动形成的图像。控制单元8分别与供粉单元2、铺粉单元3、回粉单元4、氛围单元5、激光单元6、成像单元7连接，以便于信息处理以及发送指令。

在3D打印的过程中，控制单元8控制各单元运行，将主体1内置换为保护氛围气体后，通过供粉单元2将粉体由主体1外部输送至主体1内部。驱动铺粉单元3，将粉体铺平。将激光单元6调节至第一功率后，根据控制单元8输入激光单元6的程序，使得相应位置的粉体固化成形，形成固化层。将激光单元6调节至第二功率后，对所形成的固化层进行扫描，并使得成像单元7开启同步成像。成像单元7将固化层反射的激光收集，获得图像并传输至控制单元8。控制单元8进行处理计算，获得固化层是否具有翘曲部位，若具有翘曲部位，则可计算出翘曲范围及趋势。调节激光单元6至第三功率，对固化层进行扫描，以使固化层的翘曲部位受热软化，以恢复平整状态。

具体的，在一实施例中，主体1包括框架11、成形仓体12以及粉末床13。其中，框架11可以为金属框架。在一些实施例中，框架11为长方体或正方体框架。框架11顶部设置有成形仓体12。框架11与成形仓体12可以通过焊接、螺丝连接等连接方式进行连接，但不仅仅包括上述连接方式。框架11可以对成形仓体12提供支撑力。

成形仓体12具有顶壁121、底壁122、第一侧壁123、第二侧壁124、第三侧壁125以及门体(图中未示出)。其中，顶壁121与底壁122相对设置，第一侧壁123、第二侧壁124、第三侧壁125以及门体依次设置，以围成成形仓的外壁。门体可相对于第一侧壁123开合。

成形仓体12的底壁122开设有打印开口126以及集粉口127。其中，打印开口126设置在底壁122的中部，集粉口127设置在底壁122的边缘。比如，集粉口127可以设置在底壁122远离第二侧壁124的一侧。

粉末床13设置在框架11内，且粉末床13设置有打印基板131，打印基板131可相对于框架11沿竖直方向移动，以靠近或远离成形仓体12的打印开口126。当打印基板131处于零位时，打印基板131的顶面与成形仓体12的底壁122靠近顶壁121的表面平齐，即打印基板131的顶面与打印开口126处平齐。在一些实施方式中，打印基板131可以通过气缸等驱动件驱动其运动，但不仅仅包括上述驱动方式。

在3D打印过程中，打印基板131由零位逐渐朝向远离成形仓体12的方向移动，以便于对固化物进行层叠加，以完成产品的打印。

在一些实施例中，供粉单元2包括供粉仓体21。

供粉仓体21具有注粉口211与供粉口212。供粉仓体21设置在成形仓体12的顶壁121上。注粉口211位于顶壁121外侧，供粉口212位于顶壁121内侧。在一些实施例中，供粉口212为条形供粉口212。供粉仓体21设置在打印开口126的远离集粉口127的一侧，即供粉仓体21靠近第二侧壁124设置。在其中一些实施例中，供粉仓体21内转动设置有搅拌叶(图中未示出)。搅拌叶的设置可以便于供粉仓体21内的粉末分布较为均匀。

在一些实施例中，铺粉单元3设置在成形仓体12内。铺粉单元3包括铺粉盒31、刮板32以及驱动装置(图中未示出)。

铺粉盒31具有顶部开口311与底部开口312。在一些实施例中，铺粉盒31的长度方向为第一侧壁123至第三侧壁125的方向。铺粉盒31底部设置有刮板32，刮板32的长度方向与铺粉盒31的长度方向一致。刮板32的顶部开口311的长度可以与供粉仓体21的供粉口212的长度一致或略大，以便于接收粉末。铺粉盒31的底部开口312可以为长条形，且在一些实施方式中，底部开口312的长度大于等于打印开口126的最大宽度，以便于铺粉过程中，将粉体铺设在打印开口126范围内。

驱动装置可驱动铺粉盒31相对于成形仓体12的底壁122滑移。铺粉盒31的运动方向与第二侧壁124至门体的方向一致。驱动装置可以在现有技术中选取，比如可以采用电机组合丝杆的方式，也可以采用气缸的方式，也可以采用其他的驱动方式。

铺粉盒31具有零位与回粉位。铺粉盒31可以由零位至回粉位往复运动。这里需要注意的是：刮板32设置在铺粉盒31的底部开口312的远离回粉位的一侧。当铺粉盒31位于零位时，铺粉盒31的顶部开口311位于供粉仓体21的供粉口212的正下方，以便于接收粉体。当铺粉盒31位于回粉位时，刮板32将多余的粉体推至集粉口127处，以便于回粉单元4进行收集。

在一些实施例中，回粉单元4包括回粉仓体41。回粉仓体41设置于框架11内，且回粉仓体41顶部开设有开口，且该开口与前述集粉口127连通。在一实施方式中，回粉仓体41底部可以连接有管道，以将粉体移出框架11。在另一实施方式中，回粉仓体41底部设置有可拆卸的收集盒。收集盒内可以收集粉末。收集盒的连接方式可以为插接、卡接或螺纹连接等可拆卸连接方式，但不仅限于上述方式。

在一些实施例中，氛围单元5包括氛围提供装置51。氛围提供装置51可以提供保护氛围气体，比如可以为惰性气体，例如氩气。或者也可以为氮气。此外，成形仓体12的第一侧壁123开设有进气口128，成形仓体12的第三侧壁125开设有出气口129。氛围提供装置51位于框架11内，且氛围提供装置51可以通过管道与进气口128、出气口129连通。成形仓体12内的气体从进气口128被吸入氛围单元5，经处理后从出气口129返回成形仓体12。当成形仓体12内的氧气浓度低于0.1％时，在进行固化粉末时，成形仓体12内的气体不会对粉末固化产生影响。

在一实施例中，如图2所示，激光单元6可以包括激光振镜61，激光振镜61设置在成形仓体12的顶壁121上。激光振镜61可根据设定激光功率以及线速度，以实现激光振镜61可以发射第一功率、第二功率以及第三功率的激光。激光振镜61可扫描照射打印开口126范围内的任意平面位置。

在其他的实施方式中，激光单元6可以选用至少三套独立的定向能束扫描装置，分别用于粉末固化、热力整平，以及固化物翘曲检测。即定向能束扫描装置分别可以提供第一功率、第二功率以及第三功率的激光。在安装过程中，可以均安装在成形仓体12的顶壁121上。且每一套定向能束扫描装置均可以扫描照射打印开口126范围内的任意平面位置。

在其中一些实施方式中，第一功率的范围为100-500w，第二功率的范围为小于10w；第三功率的范围为50-100w。这里需要注意的是，第一功率、第二功率以及第三功率在实际生产时的具体大小，可以根据选用3D打印的粉末材质进行选择。只需满足前述“当激光单元6调节至第一功率时，激光单元6用于固化粉末形成固化层；当激光单元6调节至第二功率时，激光单元6用于扫描固化层；当激光单元6调节至第三功率时，激光单元6用于热力整平固化层的翘曲部位”即可。

成像单元7可以选用图像传感元件71。在一些实施例中，成像单元7设置在成形仓体12的顶壁121上，且与激光单元6间隔设置。成像单元7可接收位于打印开口126处的粉末表面的激光漫反射，并将之转换为数字图像。此外，在一些其他的实施例中，成像单元7也可以选用双目立体相机、激光三维扫描仪等成像仪器。

此外，这里需要说明的是，若激光单元6可以选用至少三套独立的定向能束扫描装置时，成像单元7需配备对应所采用定向能束敏感的图像传感元件71。

在一些实施例中，控制单元8可以选择控制器。如图3所示，控制器可以与粉末床13、氛围单元5、供粉单元2、铺粉单元3、激光单元6以及成像单元7电连接，以控制各部分的工作状态。

具体地，控制单元8至少有下述控制信号。比如，控制单元8可以发出电信号至粉末床13，控制粉末床13驱动打印基板131在粉末三维成形前返回零位，并在成形过程中逐层下降。

控制单元8可以发出电信号至氛围单元5，控制氛围单元5将成形仓体12中的空气置换为保护气体，并在成形过程中循环过滤成形仓体12中的保护气体。

控制单元8可以发出电信号至供粉单元2，控制供粉单元2向处于零位的铺粉单元3供应单层铺粉所需粉末。

控制单元8可以发出电信号至铺粉单元3，控制铺粉单元3从零位至回粉位移动以铺粉形成粉末层，并可以控制铺粉单元3在粉末层固化后返回零位。

控制单元8可以发出电信号至激光单元6，控制激光单元6根据切片形状，以第一功率的激光扫描照射粉末层使之固化成形。控制单元8可以发出电信号至激光单元6，控制激光单元6以第二功率的激光扫描粉末床13上的固化物，以检测固化物翘曲。控制单元8可以发出电信号至激光单元6，控制激光单元6根据固化物的翘曲趋势，通过第三功率激光的逐行扫描翘曲部位使之受热软化、平复。

控制单元8可以发出电信号至成像单元7，控制成像单元7与激光单元6扫描时同步开合快门，以采集激光光斑在粉末床13上的扫描线数据。

本发明一实施例提供了一种大外延三维成形方法，如图4所示，其包括以下步骤：

固化成形步骤S1。采用第一功率的激光扫描粉末，以固化成形，形成固化层；

固化物翘曲检测步骤S2。采用第二功率的激光扫描所述固化层，且在扫描过程中进行同步成像，根据成像信息计算固化层翘曲范围及趋势；

热力整平步骤S3。当固化物翘曲检测步骤S2中，检测到固化层具有翘曲部位，则采用第三功率的激光扫描固化层，以使固化层翘曲部位受热软化并恢复平整状态。

上述方法通过采用固化成形步骤S1，对粉末进行固化成形，获得固化层。通过固化物翘曲检测步骤S2对固化层进行检测，检测固化层是否具有翘曲部分、翘曲部分的范围以及翘曲程度。若固化层检测无翘曲部分，则重复固化成形步骤，以进行下一个固化层的形成。若固化层检测具有翘曲部分，则进入热力整平步骤S3。通过第三功率的激光照射固化层，使得固化层的翘曲部位受热软化，以恢复平整。通过上述步骤，可以完成对于尤其是大外延的固化层的翘曲变形的有效调整，使得每一个固化层的外延部分均平整。当整平完成后，可以进行下一层的固化，或者若该固化层为最后一层，则结束打印过程。

在一些实施例中，如图5所示，固化成形步骤S1前还具有准备步骤S0。

准备步骤S0：注入粉末、控制成形仓体内氛围。

结合图1、图2与图5，开始3D打印前，先向供粉单元2的注粉口211中注入足量粉末材料。控制单元8发出回零指令至铺粉单元3，控制铺粉单元3返回供粉单元2下方的零位。铺粉盒31的顶部开口311与供粉仓体21的供粉口212对齐。控制单元8发出回零指令至粉末床13，并控制粉末床13驱动打印基板131上升至零位，即打印基板131的顶面与打印开口126处平齐。控制单元8发出气体置换指令至氛围单元5，控制氛围单元5循环置换成形仓体12内的空气，直至成形仓体12中保护气体纯度满足粉末固化需求，即成形仓体12内的氧气浓度低于0.1％。而后循环过滤成形仓体12内的保护气体。控制单元8发出供粉指令至供粉单元2，控制供粉单元2向其下方的铺粉单元3中注入单层铺粉所需粉末量。

在一些实施例中，固化成形步骤S1包括首层固化成形步骤S11以及后续层固化成形步骤S12。

首层固化成形步骤S11：

控制单元8发出下降指令至粉末床13，控制粉末床13驱动打印基板131下降单层成形厚度对应高度。控制单元8发出铺粉指令至铺粉单元3，控制铺粉单元3对打印基板131下降后的打印开口126的凹陷处实施铺粉。也就是说，铺粉盒31沿第二侧壁124至门体的方向移动，即铺粉盒31由零位移动至回粉位的过程。在移动过程中粉末由底部开口312漏出，并铺设在成形仓体底壁122的打印开口126处。与此同时，刮板32随铺粉盒31运动，将铺粉盒31漏下的粉末刮平，得到与成形仓体底壁122齐平的粉末层。而铺粉后的剩余粉末则被刮板32推至集粉口127，并进入回粉单元4。

控制单元8读取首层切片形状数据，而后发出功率调节指令至激光单元6，控制激光单元6进入第一功率扫描模式，并发出扫描指令至激光单元6，控制激光单元6从氛围单元5进气口128侧向排气口侧，即第一侧壁123至第三侧壁125的方向，顺序扫描粉末层的相应区域，得到与切片形状一致的片状固化物。该固化物熔接在打印基板131上。该固化物为首层固化物。

后续层固化成形步骤S12：

结合图6-图9，控制单元8先发出下降指令至粉末床13，控制粉末床13驱动打印基板131下降单层成形厚度对应高度，即粉末床13由图6中的位置，沿图6中箭头方向向下移动至图7所示的位置。控制单元8发出回零指令至铺粉单元3，控制铺粉盒31有回粉位返回零位，即图6中的铺粉盒31所示位置。控制单元8发出供粉指令至供粉单元2，控制供粉单元2向其下方的铺粉单元3中注入单层铺粉所需粉末量。

如图7与图8所示，控制单元8发出铺粉指令至铺粉单元3，控制铺粉单元3对打印基板131下降后的打印开口126的凹陷处实施铺粉。在铺粉单元3移动过程中，粉末由底部开口312漏出，并铺设在成形仓体底壁122的打印开口126处。与此同时，刮板32随铺粉盒31运动，将铺粉盒31漏下的粉末刮平，得到如图8所示的与成形仓体12底壁122齐平的新铺粉末层1003。而铺粉后的剩余粉末则被刮板32推至集粉口127(图1中所示)，并进入回粉单元4。

控制单元8读取当前层切片形状数据，而后发出功率调节指令至激光单元6，控制激光单元6进入第一功率扫描模式，并发出扫描指令至激光单元6，控制激光单元6从氛围单元5进气口128侧向排气口侧，即第一侧壁123至第三侧壁125的方向，顺序扫描新粉末层的相应区域，得到与切片形状一致的片状新成形的固化层1004。该新成形的固化层1004熔接在上一层的成形的固化层1001上。

控制单元8对比当前新成形的固化层1004与上一层的成形的固化层1001切片形状数据，判断是否包含大外延特征。如不包含则当前层粉末固化成形结束，继续重复后续层固化成形步骤，使得新成形的固化层1004在原有的成形的固化层1001上层层累积，即可实现三维形体的粉末逐层固化成形，直至结束。反之则执行固化物翘曲检测步骤S2与热力整平步骤S3。

在一些实施例中，固化物翘曲检测步骤S2具体为：

控制单元8发出功率调节指令至激光单元6，控制激光单元6进入第二功率扫描模式。在一实施方式中，采用逐行扫描的方式进行扫描：

结合图1、图3、图10与图11，控制单元8发出横向逐行扫描指令至激光单元6，控制激光单元6从第二侧壁124至门体的方向逐行扫描，并发出同步快门指令至成像单元7，控制成像单元7同步采集激光光斑在粉末床13表面移动形成的第一扫描线蔟901。直至逐行扫描范围覆盖整个粉末床13。控制单元8发出纵向逐行扫描指令至激光单元6，控制激光单元6从第一侧壁123至第三侧壁125的方向逐行扫描，并发出同步快门指令至成像单元7，控制成像单元7同步采集激光光斑在粉末床13表面移动形成的第二扫描线蔟902。直至逐行扫描范围覆盖整个打印开口126。

在一实施方式中，激光单元6在横向扫描时，其方向可以为门体至第二侧壁124的方向。在另一实施方式中，激光单元6在纵向扫描时，其方向可以为第三侧壁125至第一侧壁123的方向。在又一实施方式中，控制单元8先发出纵向逐行扫描指令，后发出横向逐行扫描指令。

控制单元8根据成像单元7采集的第一扫描线蔟901、第二扫描线蔟902数据以及几何光学原理，可以计算得出当前层固化层(即新成形的固化层1004)的翘曲范围920及趋势。若当前层固化层无翘曲部位，则继续重复后续层固化成形步骤S1。若当前层固化层具有翘曲部位，则进行热力整平步骤S3。

为了更加清楚的理解本步骤，下面结合图10-图11进行说明。

在一实施例中，完成了前述准备步骤S0、首层固化成形步骤S11以及至少一个后续层固化成形步骤S12。此时，如图4所示，打印开口126处有成形的固化层1001、未成形的粉末1002以及新成形的固化层1004。且在新成形的固化层1004的外延部位有翘曲发生。此时进行固化物翘曲检测步骤S2。控制单元8发出功率调节指令至激光单元6，使得激光单元6采用第二功率模式横向逐行扫描打印开口126处的区域，同时成像单元7采集得到第一扫描线蔟901。激光单元6采用第二功率模式纵向逐行扫描打印开口126处的区域，同时成像单元7采集得到第二扫描线蔟902。

控制单元8基于几何光学原理，从第一扫描线蔟901和第二扫描线蔟902的数据中计算得出如图11中所示的新成形的固化层1004的高度点云910。参考高度容差d(图中示出)，控制单元8可以根据高度点云910从切片图案中确定翘曲范围920以及翘曲趋势线930。在图11中，箭头方向为翘曲增大方向。

在一些实施例中，热力整平步骤S3具体为：

结合图12-图13，控制单元8根据计算得到的固化物翘曲范围920及趋势，规划翘曲部位的热力滚压扫描路径。其中规划原则遵循逐行扫描线940X与翘曲趋势线930垂直。逐行扫描线940X排列方向从无翘曲部位向翘曲严重部位逼近，即图中箭头所指方向。控制单元8发出功率调节指令至激光单元6，控制激光单元6进入第三功率扫描模式。控制单元8发出逐行扫描指令至激光单元6，控制激光单元6从无翘曲部位开始扫描当前新成形的固化层1004。同时控制逐行扫描线940X沿翘曲走势缓慢向翘曲严重部位推进，直至热力滚压扫描路径执行完毕。翘曲部位恢复平整状态。在上述逐行扫描的过程中，逐行扫描的光斑线速度大于逐行扫描线940X的排列推进速度，以使得逐行扫描线940X所覆盖的固化物的部位的加热温度趋于一致。也就是说，在逐行扫描线940X的宽度范围内，逐行扫描的光斑线多次重复扫描，以使逐行扫描线940X所覆盖的固化物的部位的加热温度几乎一致，便于热力整平过程。

为了更加清楚的理解本步骤，下面进一步结合图3、图12与图13进行说明。

控制单元8规划翘曲范围920的热力滚压扫描路径，得到多个逐行扫描线940X所形成的逐行扫描线蔟940；激光单元6采用第三功率的模式，沿翘曲趋势线930的箭头方向，缓慢推进逐行扫描线940X前移。逐行扫描线940X邻近区域均匀受热软化，收缩应力得以释放而恢复平整。激光单元6推进逐行扫描线940X直至翘曲范围920最外侧。新成形的固化层1004的翘曲范围920沿逐行扫描线940X的推进方向被逐步整平，新成形的固化层1004整体恢复平整。

这里需要说明的是：本发明在采用成像单元7检测固化物翘曲范围920时，无需精确计算翘曲部位表面的准确边界和三维坐标，只需得到大致的范围和走势即可。其原因在于各固化层本身均是由激光单元6根据切片形状数据精确扫描生成的，即固化层的平整状态的边界是已知的。此外，热力整平步骤S3中无需根据翘曲程度动态调节扫描速度或激光功率，只需得到翘曲趋势，以用于规划逐行扫描线940X方向及其排列推进方向。

在热力整平步骤S3后，该新成形的固化层1004的翘曲部位整平。此时可以重复后续层固化成形步骤S12，以打印下一个固化层。若该新成形的固化层1004为最后一层，则结束打印。

通过上述方法，可以快速保障平整后的新成形的固化层1004的边缘轮廓与切片形状一致，亦可避免在热力整平步骤S3中，激光越界导致邻近区域粉末固化，及其引发的轮廓畸变与表面质量恶化问题。对于具有大外延的零件，可以较好地解决其外延部分翘曲问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

固化成形步骤；采用第一功率的激光扫描粉末，以固化成形，形成固化层；

固化物翘曲检测步骤；采用第二功率的激光扫描所述固化层，且在扫描过程中进行同步成像，根据成像信息计算固化层翘曲范围及趋势；

热力整平步骤；当固化物翘曲检测步骤中，检测到固化层具有翘曲部位，则采用第三功率的激光扫描固化层，以使固化层翘曲部位受热软化并恢复平整状态。

2.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，所述第一功率大于所述第三功率，所述第三功率大于所述第二功率。

3.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，所述固化物翘曲检测步骤中的扫描包括：

横向扫描步骤与纵向扫描步骤；所述横向扫描步骤中的激光扫描方向，与所述纵向扫描步骤中激光扫描方向垂直。

4.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，所述固化物翘曲检测步骤中：

当激光的光斑通过成像单元记录的扫描线簇连贯平直，则说明固化层未翘曲；

当扫描线簇发生偏移，则说明固化层产生翘曲，需要进行所述热力整平步骤。

5.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，在所述热力整平步骤中，所述第三功率的激光束由固化层的无翘曲部位向翘曲部位的方向扫描。

6.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，所述热力整平步骤中通过逐行扫描的方式扫描固化层，逐行扫描的光斑线速度大于逐行扫描线的排列推进速度。

7.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，在所述固化成形步骤中，当所呈现的固化层相比于上一层所成形的固化层来说，具有外延部分，则进入固化物翘曲检测步骤；反之，则重复后续层固化成形步骤。

8.根据权利要求1所述的三维成形方法，其特征在于，所述固化成形步骤包括首层固化成形步骤和后续层固化成形步骤；

所述首层固化成形步骤用于成形第一层固化层；

所述后续层固化成形步骤用于成形后续各固化层；

当所述固化物翘曲检测步骤检测无翘曲时，则重复后续层固化成形步骤；当所述固化物翘曲检测步骤检测有翘曲时，则对翘曲部位实施热力整平，而后重复后续层固化成形步骤。

9.根据权利要求8所述的三维成形方法，其特征在于，所述第一功率的范围为100w-500w；所述第二功率的范围为小于10w；所述第三功率的范围为50w-100w。

10.一种3D打印装置，其特征在于，包括控制单元、激光单元与成像单元；

所述控制单元分别连接所述激光单元与成像单元；所述控制单元用于信息处理；所述激光单元具有至少三档功率，分别为第一功率、第二功率以及第三功率；所述激光单元用于产生光斑，且光斑可相对固化层移动；所述成像单元用于采集激光单元产生光斑在固化层表面移动形成的图像；

当所述激光单元调节至第一功率时，激光单元用于固化粉末形成固化层；

当所述激光单元调节至第二功率时，激光单元用于扫描固化层；

当所述激光单元调节至第三功率时，激光单元用于热力整平固化层的翘曲部位。

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