CN114713844B - 金属选区激光熔化成形方法及系统 - Google Patents

金属选区激光熔化成形方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种金属选区激光熔化成形方法及系统。金属选区激光熔化成形系统包括：区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器；金属选区激光熔化成形方法包括：终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；终端控制器对零件的三维数字模型进分层切片，得到分层切片数据；获取零件的打印模式，并进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；基于激光扫描路径规划数据，控制区域光斑光路系统或者控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统打印零件。本发明选区激光熔化成形系统结构简单，易于控制，搭载区域光斑混合光路系统提高了大截面成形零件的制造效率，降低了多激光装备加工的制造成本。

Description

金属选区激光熔化成形方法及系统
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种金属选区激光熔化成形方法及系统。
背景技术
增材制造，俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。激光3D打印技术，包括选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术和选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术，是以金属材料及某些非金属材料为原料的增材制造的主要方法。选区激光熔化技术基于一般快速成形原理,利用软件构建出零件的三维实体模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的厚度对三维模型进行分层切片处理，将其离散化为一系列二维截面图形，并规划扫描路径，再转化成激光扫描信息，扫描前，将金属粉末均匀平铺到激光加工区，随后计算器根据激光扫描信息控制振镜偏转，有选择性的将激光束照射到加工区，得到当前二维截面的二维实体，然后成型区下降一个层后，重复上述过程，逐层堆积得到产品原型。在选区激光熔化加工过程中，激光需要在预先铺置的金属粉末上进行逐点逐线的扫描，从而实现逐层扫描，因此当待成形零件具有较大的水平截面时，往往需要较长时间才能完成整个截面的扫描，导致制备整个零件的时间较长，制造效率较低。
在现有的技术中，通常使用多个相同类型的激光器同时进行扫描以提升选区激光熔化的加工效率，该方法不但增加了设备成本，而且使整个设备系统的控制更加复杂多变，同时多激光扫描系统在加工过程中往往会产生很大的烟尘，给设备的除尘净化系统增加了负担。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种金属选区激光熔化成形方法及系统，旨在解决现有技术中加工大截面零件时控制复杂、成本较高的技术问题。
本发明第一方面提供了一种金属选区激光熔化成形方法，应用于金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述金属选区激光熔化成形系统包括：区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器，所述区域光斑光路系统用于生成呈平直状态的区域光束，所述高斯光斑光路系统用于生成呈聚焦状态的高斯激光束，所述金属选区激光熔化成形方法包括：
所述终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；
所述终端控制器对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；
所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据包括：
所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式；
若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据包括：
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
所述终端控制器从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
所述终端控制器获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
所述终端控制器基于所述第一坐标区域、所述第二坐标区域、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述终端控制器基于所述第一坐标区域、所述第二坐标区域、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据包括：
所述终端控制器基于所述第一坐标区域与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述第二坐标区域与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述高斯光斑光路系统的激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域包括：
获取预置尺寸的成形幅面的中心点，并将所述中心点作为坐标原点；
以所述坐标原点为中心，每隔预置距离对所述成形幅面进行区域划分，得到若干个虚拟坐标区域。
可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述成形幅面为所述选区激光熔化成形系统在坐标轴方向上的最大成形尺寸；所述第一打印模式的零件打印质量高于所述第二打印模式，所述第二打印模式的零件打印效率高于所述第一打印模式。
本发明第二方面提供了一种金属选区激光熔化成形系统，包括：
区域光斑光路系统，用于生成呈平直状态的区域光束；
高斯光斑光路系统，用于生成呈聚焦状态的高斯激光束；
终端控制器，用于获取待成形零件的三维数字模型；对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
可选的，在本发明第二方面的第一种实现方式中，所述区域光斑光路系统包括：脉冲激光器、第一扩束镜、第一准直镜、第二准直镜、光束整形机构、凸透镜、第一振镜和第一激光保护镜；
所述脉冲激光器发出的激光束经所述第一扩束镜和所述第一准直镜后得到呈平直状态的第一高斯激光束，所述第一高斯激光束经所述光束整形机构后得到方形区域光束，所述方形区域光束经所述凸透镜与所述第二准直镜后得到呈平直状态的区域光束，所述区域光束经所述第一振镜反射后透过所述第一激光保护镜到达成形平面
可选的，在本发明第二方面的第二种实现方式中，所述高斯光斑光路系统包括：光纤激光器、第二扩束镜、第三准直镜、第二振镜、f-θ透镜、第二激光保护镜；
所述光纤激光器发出的激光束经所述第二扩束镜和所述第三准直镜后得到呈平直状态的第二高斯激光束，所述第二高斯激光束经所述第二振镜反射进入所述f-θ透镜聚焦得到激光焦点，所述激光焦点透过所述第二激光保护镜到达成形平面。
可选的，在本发明第二方面的第三种实现方式中，所述终端控制器通过控制线路分别与所述脉冲激光器、所述光纤激光器、所述第一振镜和所述第二振镜相连。
可选的，在本发明第二方面的第四种实现方式中，所述终端控制器还具体用于：
获取所述零件采用的打印模式；
若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第二方面的第五种实现方式中，所述终端控制器还具体用于：
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
所述终端控制器从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
所述终端控制器获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
所述终端控制器基于所述第一坐标区域、所述第二坐标区域、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第二方面的第六种实现方式中，所述终端控制器还具体用于：
所述终端控制器基于所述第一坐标区域与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述第二坐标区域与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述高斯光斑光路系统的激光扫描路径规划数据。
可选的，在本发明第二方面的第七种实现方式中，所述终端控制器还具体用于：
获取预置尺寸的成形幅面的中心点，并将所述中心点作为坐标原点；
以所述坐标原点为中心，每隔预置距离对所述成形幅面进行区域划分，得到若干个虚拟坐标区域。
本发明提供的技术方案中，整个金属选区激光熔化成形系统包括区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器，金属选区激光熔化成形方法包括：终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；终端控制器对零件的三维数字模型进分层切片，得到零件的分层切片数据；终端控制器获取零件采用的打印模式，基于打印模式与分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；终端控制器基于激光扫描路径规划数据，控制区域光斑光路系统或者控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统打印零件。本发明选区激光熔化成形系统结构简单，易于控制，搭载区域光斑混合光路系统提高了大截面成形零件的制造效率，降低选区激光熔化多激光装备加工的系统复杂度，同时显著降低了综合制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第一个实施例示意图；
图2为本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第二个实施例示意图；
图3为本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第三个实施例示意图；
图4为本发明实施例中采用第二打印模式时进行路径规划的一个零件截面示意图；
图5为本发明实施例中采用第二打印模式时进行路径规划的另一个零件截面示意图；
图6为本发明实施例中采用金属选区激光熔化成形方法及系统成形八面柱体的一个实施例示意图；
图7为本发明实施例中采用金属选区激光熔化成形方法及系统成形薄壁圆环柱体的一个实施例示意图；
图8为本发明实施例中金属选区激光熔化成形系统的一个实施例示意图；
附图标记：1、脉冲激光器；2、扩束镜；3、准直镜；4、高斯激光束；5、光束整形机构；6、凸透镜；7、呈平直状态的区域光束；8、振镜；9、激光保护镜；10、f-θ透镜；11、光纤激光器；12、终端控制器；13、控制线路；14、成形平面；15、成形缸；A、区域光斑光路系统；B、高斯光斑光路系统。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种金属选区激光熔化成形方法及系统，选区激光熔化成形设备系统结构简单，易于控制，搭载区域光斑混合光路系统提高了大截面成形零件的制造效率，同时显著降低选区激光熔化多激光装备加工的综合制造成本。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，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。
为便于理解，下面对本发明实施例的具体流程进行描述，请参阅图1，本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第一个实施例包括：
101、终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；
本实施例中，该金属选区激光熔化成形方法应用于金属选区激光熔化成形系统，金属选区激光熔化成形系统包括：区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器，区域光斑光路系统用于生成呈平直状态的区域光束，高斯光斑光路系统用于生成呈聚焦状态的高斯激光束。
本实施例中，终端控制器直接或间接控制区域光斑光路系统与高斯光斑光路系统的启用情况，如：是否发出激光束，激光束的路径。
本实施例中，待成形零件是计划采用金属选区激光熔化成形方法与系统制造的目标零件。
本实施例中，三维数字模型是通过三维建模软件构建的，所使用的三维建模软件种类不限，包括但不限于UG、SolidWorks、Catia。
本实施例中，将构建的三维数字模型导出stl格式3D文件，终端控制器获取导出的stl格式3D文件。
102、所述终端控制器对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；
本实施例中，分层切片即对三维数字模型进行分层，切割成若干可看作二维实体的薄片。
本实施例中，利用数据处理软件对三维数字模型进行分层切片，分层厚度根据选用的材料工艺参数设定，具体数值不限，通常选用0.02mm-0.08mm。
本实施例中，可使用终端控制器中的数据处理软件进行分层切片，也可使用外置电脑中的数据处理软件进行分层切片后将结果导入终端控制器中。
本实施例中，使用的数据处理软件不限，包括但不限于Magics。
本实施例中，分层切片数据是对三维数字模型进行分层切片处理后的结果，即对三维数字模型进行分层切片后产生的数据包。
103、所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
本实施例中，包括两种打印模式，一种效率更高，另一种质量更优，不同的打印模式采用不同的路径规划方法。
本实施例中，路径规划即规划区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统打印的路径。
本实施例中，可使用终端控制器中的路径规划软件进行路径规划，也可使用外置电脑中的路径规划软件进行路径规划后将结果导入终端控制器中。
本实施例中，使用的路径规划软件不限，包括但不限于Magics BP。
本实施例中，激光扫描路径规划数据即系统进行激光扫描的路径信息。
104、所述终端控制器基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
本实施例中，根据采用的打印模式控制相应的系统进行打印。
本实施例中，在其中一种打印模式下控制区域光斑光路系统进行打印，在另一种打印模式下控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统同时进行打印。
本实施例中，根据激光扫描路径规划数据的路径进行激光扫描，从而有序打印。
本发明实施例中，整个金属选区激光熔化成形系统包括区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器，金属选区激光熔化成形方法包括：终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；终端控制器对零件的三维数字模型进分层切片，得到零件的分层切片数据；终端控制器获取零件采用的打印模式，基于打印模式与分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；终端控制器基于激光扫描路径规划数据，控制区域光斑光路系统或者控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统打印零件。本发明选区激光熔化成形系统结构简单，易于控制，搭载区域光斑混合光路系统提高了大截面成形零件的制造效率，降低选区激光熔化多激光装备加工的系统复杂度，同时显著降低了综合制造成本。
请参阅图2，本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第二个实施例包括：
201、终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；
202、所述终端控制器对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；
203、所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式；
204、若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
本实施例中，第一打印模式的打印质量较高。
本实施例中，若打印模式为第一打印模式，则终端控制器将会控制高斯光斑光路系统进行打印，因此基于分层切片数据与高斯光斑光路系统进行路径规划。
本实施例中，该步骤采用的路径规划方法不限。
205、若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
可选的，在一实施例中，所述第一打印模式的零件打印质量高于所述第二打印模式，所述第二打印模式的零件打印效率高于所述第一打印模式。
本实施例中，第二打印模式的效率较高。
本实施例中，若打印模式为第二打印模式，则终端控制器将会控制高斯光斑光路系统和区域光斑光路系统共同进行打印，因此基于分层切片数据、高斯光斑光路系统与区域光斑光路系统进行路径规划。
本实施例中，该步骤采用的路径规划算法不限。
206、所述终端控制器基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
本实施例中，在第一打印模式下，终端控制器控制高斯光斑光路系统进行打印；在第二打印模式下，终端控制器控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统进行打印。
本发明实施例中，获取待成形零件的三维数字模型；对三维数字模型进行分层切片，得到分层切片数据；终端控制器获取零件采用的打印模式；若为第一打印模式，则基于分层切片数据与高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；若为第二打印模式，则基于分层切片数据、高斯光斑光路系统与区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；终端控制器基于激光扫描路径规划数据，控制高斯光斑光路系统或者控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统进行打印。本发明根据实际打印需求采用不同的打印模式，既可以满足对打印质量的需求，又可以满足对打印效率的需求，同时降低了选区激光熔化多激光装备加工的系统复杂度、易于控制，显著降低了综合制造成本。
请参阅图3，本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法的第三个实施例包括：
301、终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；
302、所述终端控制器对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；
303、所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式；
304、若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
305、若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
可选的，在一实施例中，所述成形幅面为所述选区激光熔化成形系统在坐标轴方向上的最大成形尺寸；所述第一打印模式的零件打印质量高于所述第二打印模式，所述第二打印模式的零件打印效率高于所述第一打印模式。
本实施例中，成形幅面是选区激光熔化成形系统在平面成形打印坐标轴(X轴和Y轴)方向上能够成形的最大尺寸。
可选的，在一实施例中，上述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域包括：
获取预置尺寸的成形幅面的中心点，并将所述中心点作为坐标原点；
以所述坐标原点为中心，每隔预置距离对所述成形幅面进行区域划分，得到若干个虚拟坐标区域。
本实施例中，以成形幅面的中心点为坐标原点建立坐标系，根据实际需求每隔预置距离进行区域划分，将成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域，剩余不足预置距离的区域保留。
本实施例中，预置距离的取值在4.5mm与5mm之间，如：将成形幅面划分为若干个5mm×5mm的若干个虚拟坐标区域，剩余不足5mm×5mm的区域保留。
本实施例中，每一个预置大小(如：5mm×5mm)的虚拟坐标区域对应区域光斑光路系统的一次扫描。
306、所述终端控制器从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
本实施例中，零件分层截面信息包括零件分层切片后每一层的轮廓形状。
本实施例中，零件截面区域坐标是将零件每一层截面划分为若干个区域后的区域坐标。
本实施例中，基于步骤305建立的坐标系对零件每一层截面以相同的方法、相同的大小进行区域划分，得到零件截面区域坐标，剩余不足预置大小的区域保留。
可选的，在一实施例中，上述步骤305与上述步骤306皆采用5mm×5mm大小进行区域划分，上述步骤306中对零件每一层截面以5mm×5mm的大小进行区域划分后，剩余不足5mm×5mm的区域保留。
307、所述终端控制器获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
本实施例中，包含完整虚拟坐标区域即零件截面区域坐标中的大小为预置大小(以5mm×5mm为例)并且与5mm×5mm的虚拟坐标区域重合的坐标区域；未包含完整虚拟坐标区域即零件截面区域坐标中的剩余保留的区域。
308、所述终端控制器基于所述第一坐标区域、所述第二坐标区域、所述高斯光斑光路系统与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
可选的，在一实施例中，上述步骤308包括：
所述终端控制器基于所述第一坐标区域与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述第二坐标区域与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述高斯光斑光路系统的激光扫描路径规划数据。
本实施例中，适用于区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据即进行打印的区域坐标顺序。
309、所述终端控制器基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
本发明实施例中，终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；对零件的三维数字模型进行分层切片，得到零件的分层切片数据；获取零件采用的打印模式；若打印模式为第一打印模式，则终端控制器基于分层切片数据与高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；若打印模式为第二打印模式，则终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；终端控制器从分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；获取零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；终端控制器基于第一坐标区域、第二坐标区域、高斯光斑光路系统与区域光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；终端控制器基于激光扫描路径规划数据，控制高斯光斑光路系统或者控制区域光斑光路系统和高斯光斑光路系统打印所述零件。本发明实现了一种高效的金属选区激光熔化成形方法，混合使用区域光斑光路系统与高斯光斑光路系统显著提高零件成形效率的同时，降低了整个金属选区激光熔化成形系统的复杂度，操作简单，保证制造效率的同时极大地降低了制造成本。
图4为本发明实施例中采用第二打印模式时进行路径规划的一个零件截面示意图；
本发明实施例中，采用第二打印模式，即将会同时使用高斯光斑光路系统与区域光斑光路系统打印同一层零件。
本发明实施例中，中心区域的四个矩形采用区域光斑光路系统进行扫描，除中心区域的四个矩形外的剩余不规则区域采用高斯光斑光路系统进行扫描，即整个截面需使用区域光斑光路系统扫描四次并使用高斯光斑光路系统扫描剩余区域。
图5为本发明实施例中采用第二打印模式时进行路径规划的另一个零件截面示意图；
本发明实施例中，采用第二打印模式，即将会同时使用高斯光斑光路系统与区域光斑光路系统打印同一层零件。
本发明实施例中，中心区域的四个矩形采用区域光斑光路系统进行扫描，除中心区域的四个矩形外的剩余不规则区域采用高斯光斑光路系统进行扫描，即整个截面需使用区域光斑光路系统扫描四次并使用高斯光斑光路系统扫描剩余区域。
图6为本发明实施例中采用金属选区激光熔化成形方法及系统成形八面柱体的一个实施例示意图；
本实施例中，选择第二打印模式进行路径规划，即同时基于区域光斑光路系统与高斯光斑光路系统进行路径规划。
本实施例中，成形幅面的大小为150mm×150mm，以成形幅面的中心点为坐标原点O(0,0)建立二维坐标系后，以5mm×5mm的大小将成形幅面划分为若干个(900个)虚拟坐标区域，图6中的一个方格代表一个虚拟坐标区域。
本实施例中，深色及阴影部分为八面柱体的一个二维截面，同样以5mm×5mm的大小对零件截面进行划分，剩余不足5mm×5mm大小的区域保留，图6中深色部分为大小是5mm×5mm的零件截面区域坐标，阴影部分为不足5mm×5mm大小的保留区域。
本实施例中，深色部分基于区域光斑光路系统进行路径规划，并采用区域光斑光路系统进行激光扫描，其中一个虚拟坐标区域对应一次激光扫描；阴影部分基于高斯光斑光路系统进行路径规划，并采用高斯光斑光路系统进行激光扫描。
图7为本发明实施例中采用金属选区激光熔化成形方法及系统成形薄壁圆环柱体的一个实施例示意图；
本实施例中，选择第一打印模式进行路径规划，即只需基于高斯光斑光路系统进行路径规划。
本实施例中，阴影部分为薄壁圆环柱体的一个二维截面，基于高斯光斑光路系统对该二维截面进行路径规划，并使用高斯光斑光路系统进行激光扫描成形。
上面对本发明实施例中金属选区激光熔化成形方法进行了描述，下面对本发明实施例中金属选区激光熔化成形系统进行描述，请参阅图8，本发明实施例中金属选区激光熔化成形系统一个实施例包括：
区域光斑光路系统A，用于生成呈平直状态的区域光束；
高斯光斑光路系统B，用于生成呈聚焦状态的高斯激光束；
终端控制器12，用于获取待成形零件的三维数字模型；对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件。
本实施例中，区域光斑光路系统A包括：脉冲激光器1、扩束镜2、准直镜3、光束整形机构5、凸透镜6、振镜8和激光保护镜9；脉冲激光器1发出的激光束经所述扩束镜2和准直镜3后得到呈平直状态的高斯激光束4，高斯激光束4经光束整形机构5后得到方形区域光束，方形区域光束经凸透镜6与准直镜3后得到呈平直状态的区域光束7，区域光束7经振镜8反射后透过激光保护镜9到达成形平面14。
本实施例中，高斯激光束4的直径在8mm至12mm之间；区域光束7的尺寸在4.5mm×4.5mm至5.5mm×5.5mm之间。
本实施例中，高斯光斑光路系统B包括：光纤激光器11、扩束镜2、准直镜3、振镜8、f-θ透镜10、激光保护镜9；光纤激光器11发出的激光束经扩束镜2和准直镜3后得到呈平直状态的高斯激光束4，高斯激光束4经振镜8反射进入f-θ透镜10聚焦得到激光焦点，激光焦点透过激光保护镜9到达成形平面14。
本实施例中，成形平面14位于成形缸15上，成形时在成形缸15表面上铺设一层预置厚度的粉末，通过激光熔化粉末成形，该层粉末即成形平面14，也即成形幅面。
本实施例中，终端控制器12通过控制线路13分别与脉冲激光器1、光纤激光器11、振镜8相连，控制脉冲激光器1与光纤激光器11的激光发射，同时控制振镜8的转动，从而控制区域光斑光路系统A与高斯光斑光路系统B的启用情况。
可选的，在一实施例中，终端控制器12还具体用于：
获取所述零件采用的打印模式；
若所述打印模式为第一打印模式，则终端控制器12基于所述分层切片数据与高斯光斑光路系统B进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器12基于所述分层切片数据、高斯光斑光路系统B与区域光斑光路系统A进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在一实施例中，终端控制器12还具体用于：
若所述打印模式为第二打印模式，则终端控制器12将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
终端控制器12从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
终端控制器12获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
终端控制器12基于所述第一坐标区域、所述第二坐标区域、高斯光斑光路系统B与区域光斑光路系统A进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据。
可选的，在一实施例中，终端控制器12还具体用于：
终端控制器12基于所述第一坐标区域与区域光斑光路系统A进行路径规划，得到适用于区域光斑光路系统A的激光扫描路径规划数据；
终端控制器12基于所述第二坐标区域与高斯光斑光路系统B进行路径规划，得到适用于高斯光斑光路系统B的激光扫描路径规划数据。
可选的，在一实施例中，终端控制器12还具体用于：
获取预置尺寸的成形幅面的中心点，并将所述中心点作为坐标原点；
以所述坐标原点为中心，每隔预置距离对所述成形幅面进行区域划分，得到若干个虚拟坐标区域。
本发明实施例中，整个金属选区激光熔化成形系统包括区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器；区域光斑光路系统包括：脉冲激光器、第一扩束镜、第一准直镜、第二准直镜、光束整形机构、凸透镜、第一振镜和第一激光保护镜；高斯光斑光路系统包括：光纤激光器、第二扩束镜、第三准直镜、第二振镜、f-θ透镜、第二激光保护镜；终端控制器通过控制线路分别与脉冲激光器、光纤激光器、第一振镜和第二振镜相连。本发明选区激光熔化成形系统结构简单，易于控制，搭载区域光斑混合光路系统提高了大截面成形零件的制造效率，降低选区激光熔化多激光装备加工的系统复杂度，同时显著降低了综合制造成本。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种金属选区激光熔化成形方法，应用于金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述金属选区激光熔化成形系统包括：区域光斑光路系统、高斯光斑光路系统与终端控制器，所述区域光斑光路系统用于生成呈平直状态的区域光束，所述高斯光斑光路系统用于生成呈聚焦状态的高斯激光束，所述金属选区激光熔化成形方法包括：
所述终端控制器获取待成形零件的三维数字模型；
所述终端控制器对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；
所述终端控制器获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件；
其中，若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据，并控制所述高斯光斑光路系统依照所述路径规划数据打印所述零件；
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
所述终端控制器从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
所述终端控制器获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
所述终端控制器基于所述第一坐标区域与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述第二坐标区域与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述高斯光斑光路系统的激光扫描路径规划数据，并控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统依照与各自对应的所述路径规划数据共同进行打印所述零件。
2.根据权利要求1所述的金属选区激光熔化成形方法，其特征在于，所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域包括：
获取预置尺寸的成形幅面的中心点，并将所述中心点作为坐标原点；
以所述坐标原点为中心，每隔预置距离对所述成形幅面进行区域划分，得到若干个虚拟坐标区域。
3.根据权利要求1所述的金属选区激光熔化成形方法，其特征在于，所述成形幅面为所述选区激光熔化成形系统在坐标轴方向上的最大成形尺寸；所述第一打印模式的零件打印质量高于所述第二打印模式，所述第二打印模式的零件打印效率高于所述第一打印模式。
4.一种金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述金属选区激光熔化成形系统包括：
区域光斑光路系统，用于生成呈平直状态的区域光束；
高斯光斑光路系统，用于生成呈聚焦状态的高斯激光束；
终端控制器，用于获取待成形零件的三维数字模型；对所述零件的三维数字模型进行分层切片，得到所述零件的分层切片数据；获取所述零件采用的打印模式，基于所述打印模式与所述分层切片数据进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据；基于所述激光扫描路径规划数据，控制所述高斯光斑光路系统或者控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统打印所述零件；
其中，若所述打印模式为第一打印模式，则所述终端控制器基于所述分层切片数据与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到激光扫描路径规划数据，并控制所述高斯光斑光路系统依照所述路径规划数据打印所述零件；
若所述打印模式为第二打印模式，则所述终端控制器将预置尺寸的成形幅面划分为若干个虚拟坐标区域；
所述终端控制器从所述分层切片数据中获取零件分层截面信息，并提取所述零件分层截面信息中的零件截面区域坐标；
所述终端控制器获取所述零件截面区域坐标中包含完整虚拟坐标区域的第一坐标区域和未包含完整虚拟坐标区域的第二坐标区域；
所述终端控制器基于所述第一坐标区域与所述区域光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述区域光斑光路系统的激光扫描路径规划数据；
所述终端控制器基于所述第二坐标区域与所述高斯光斑光路系统进行路径规划，得到适用于所述高斯光斑光路系统的激光扫描路径规划数据，并控制所述区域光斑光路系统和所述高斯光斑光路系统依照与各自对应的所述路径规划数据共同进行打印所述零件。
5.根据权利要求4所述的金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述区域光斑光路系统包括：脉冲激光器、第一扩束镜、第一准直镜、第二准直镜、光束整形机构、凸透镜、第一振镜和第一激光保护镜；
所述脉冲激光器发出的激光束经所述第一扩束镜和所述第一准直镜后得到呈平直状态的第一高斯激光束，所述第一高斯激光束经所述光束整形机构后得到方形区域光束，所述方形区域光束经所述凸透镜与所述第二准直镜后得到呈平直状态的区域光束，所述区域光束经所述第一振镜反射后透过所述第一激光保护镜到达成形平面。
6.根据权利要求5所述的金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述高斯光斑光路系统包括：光纤激光器、第二扩束镜、第三准直镜、第二振镜、f-θ透镜、第二激光保护镜；
所述光纤激光器发出的激光束经所述第二扩束镜和所述第三准直镜后得到呈平直状态的第二高斯激光束，所述第二高斯激光束经所述第二振镜反射进入所述f-θ透镜聚焦得到激光焦点，所述激光焦点透过所述第二激光保护镜到达成形平面。
7.根据权利要求6所述的金属选区激光熔化成形系统，其特征在于，所述终端控制器通过控制线路分别与所述脉冲激光器、所述光纤激光器、所述第一振镜和所述第二振镜相连。
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