CN115416299B - 一种无需移动对焦的激光振镜3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，属于3D打印机技术领域，其包括扫描模块、移动机构和打印工作平面；所述的扫描模块包括激光器、聚焦透镜和振镜单元，激光器用于向聚焦透镜方向发射激光，聚焦透镜用于对激光进行聚焦，振镜单元用于将激光反射至打印工作平面上并通过调整反射角的方式使得激光在打印工作平面上进行扫描；所述的扫描模块固定在移动机构上；打印过程中，所述的聚焦透镜与所述的振镜单元的相对位置始终保持不变；本发明通过控制扫描宽度的方式保证激光倾斜射入打印工作面时的有效景深满足打印要求，进而保证扫描的稳定性，消除边缘打印质量变差的问题，无需使用平场镜头，减小设备体积，降低设备的价格。

Description

一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备。

背景技术

相较于传统减材制造技术而言，3D打印技术是一种先进的快速制造零件的增材制造技术。3D打印中SLA、SLS、SLM采用的方式是以振镜反射单束激光，在二维工作平面上进行图像扫描打印。当前的3D打印采用振镜反射激光光束，在打印工作面进行图像扫描打印，根据振镜扫描光路的方式，当前激光扫描聚焦的方式有前聚焦振镜(PRE-SCAN)和后聚焦振镜(POST-SCAN)两种方式，后聚焦振镜是在扫描后聚焦，前聚焦振镜则是在扫描前聚焦。

后聚焦振镜方式如图1所示，激光器发出激光束首先通过准直镜、扩束镜，再通过振镜101反射，最后经过平场镜头102(也叫f-theta镜头、f-θ场镜)扫描到打印工作平面。振镜101通过改变X、Y轴方向的两个反射镜的反射角度，实现激光11的偏转，进而控制激光11按照指定的扫描路径运动；平场镜头102是在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像激光11的位置，实现在整个打印工作平面光斑聚焦均匀。后聚焦方案需要使用平场镜头102，平场镜头102价格昂贵，并且体积很大，在3D打印行业进入多激光打印头普及的情况下，其成本限制了多激光头的应用，并且其庞大的体积也让多激光头的3D振镜打印头体积无法缩小，限制了其在更多中小尺寸场合下的应用。

前聚焦振镜方式如图2所示，激光器发射的激光11首先通过准直镜、扩束镜，再由能实时移动的动态调焦透镜103，再通过振镜101反射激光，实现激光在打印工作平面3的扫描打印工作。该方案需要使用程序补偿算法，实时控制调焦透镜103，配合振镜101扫描的位置补偿焦距，使得激光11能实时成像于打印工作平面3。使用实时动态调整的音圈电机驱动调焦透镜103对光路系统进行调焦，该方案相对于后聚焦方案，可以消除F-Theta平场镜头的价格以及体积的影响，但是动态对焦的方案需要音圈电机带动镜片时时刻刻进行位置补偿，根据实际其工作需求估算，在一年的工作期限内，动态对焦设备需要镜片来回运动补偿焦距的次数超过100亿次，因此它对音圈电机以及直线导轨的稳定性要求非常高，以目前业内产品的实际表现，前聚焦的动态对焦方案比后聚焦的平场镜头方案稳定性要更差；此外前聚焦系统受限于光学系统的原理，其扫描打印图案时，光束垂直扫描图案中心位置和光束倾斜扫描图案边缘位置，其光斑变形量接近后聚焦系统的两倍，因此其零件边缘打印的质量更差。

发明内容

本发明提供了一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，以解决现有前聚焦系统稳定性差以及后聚焦系统价格高、体积大等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其包括扫描模块、移动机构和打印工作平面；所述的扫描模块包括激光器、聚焦透镜和振镜单元，激光器用于向聚焦透镜方向发射激光，聚焦透镜用于对激光进行聚焦，振镜单元用于将激光反射至打印工作平面上并通过调整反射角的方式使得激光在打印工作平面上进行扫描；所述的扫描模块固定在移动机构上，移动机构用于控制扫描模块在打印工作平面上移动；打印过程中，所述的聚焦透镜与所述的振镜单元的相对位置始终保持不变，且所述的扫描模块的扫描宽度H满足以下要求：

公式中，λ表示激光的波长，ω ₀表示激光从激光器射出时激光的初始束腰。

优选地，所述的振镜单元包括X轴振镜和Y轴振镜，所述的X轴振镜通过调整反射角的方式使得激光沿着X轴方向扫描，所述的Y轴振镜通过调整反射角的方式使得激光沿着Y轴方向扫描。

优选地，所述的X轴振镜调整反射角时的旋转角度为：

所述的Y轴振镜调整反射角时的旋转角度为：

公式中，θx、θy分别为X轴振镜和Y轴振镜进行扫描时转动的角度，L为振镜单元到打印工作平面的距离，D为X轴振镜和Y轴振镜之间的间距，x、y分别是以激光垂直射入打印工作平面的点为原点的坐标值。

优选地，所述的扫描模块的数量为1个，所述的移动机构包括X轴移动轨道和Y轴移动轨道，所述的Y轴移动轨道安装于X轴移动轨道上并沿着X轴轨道滑动，所述的扫描模块安装于Y轴移动轨道上并沿着Y轴移动轨道滑动。

优选地，所述的扫描模块设置多个，多个扫描模块沿一条直线并排布置形成一个扫描模块阵列，扫描模块阵列通过移动机构移动，移动方向与扫描模块阵列排列方向垂直。

优选地，所述的扫描模块设置多个，多个扫描模块平均分成若干组，同组的扫描模块沿一条直线并排布置，各组扫描模块平行设置，相邻的两组扫描模块紧挨布置；各组扫描模块通过移动机构移动，移动方向与扫描模块的排列方向垂直。

优选地，相邻的两组扫描模块在扫描方向上的间距为N，扫描过程中，各组扫描模块在其扫描方向上加入N长度的延时值进行补偿。

优选地，所述的打印工作平面的侧方设有位置传感器，位置传感器位于未开始扫描时的扫描模块的正下方，且两个扫描模块之间均设置有一个位置传感器。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明涉及的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备在打印过程中，聚焦透镜与振镜单元的相对位置始终保持不变，且通过控制扫描宽度的方式保证激光倾斜射入打印工作面时的有效景深满足打印要求，进而保证扫描的稳定性，消除边缘打印质量变差的问题，无需使用平场镜头，减小设备体积，降低设备的价格。

2.本发明涉及的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备简化了X轴振镜和Y轴振镜的旋转角度与答应坐标的计算公式，节省了软件计算资源，激光光束扫描范围内一致性更高。

附图说明

图1是现有技术中的后聚焦振镜扫描方式示意图；

图2是现有技术中的前聚焦振镜扫描方式示意图；

图3是单个扫描模块的结构示意图；

图4是实施例1中扫描模块与移动机构的连接关系图；

图5是单个扫描模块的扫描范围计算原理图；

图6是实施例1中3D打印设备聚焦透镜调节过程示意图；

图7是实施例2中多个扫描模块的3D打印设备结构图；

图8是实施例2中3D打印设备聚焦透镜调节过程示意图；

图9是实施例2中扫描模块与位置传感器的位置关系图；

图10是位置传感器与打印工作面的位置关系图；

图11是实施例3中多个扫描模块的3D打印设备结构图；

图12是实施例3涉及的3D打印设备打印时相邻扫描模块位置补偿示意图。

附图标记：1-扫描模块，11-激光，12-聚焦透镜，13-X轴振镜，14-Y轴振镜，2-移动机构，21-X轴移动轨道，22-Y轴移动轨道，23-直线电机，24-导轨，3-打印工作平面，4-调焦模块，5-位置传感器，101-振镜，102-平场镜头，103-调焦透镜。

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。

实施例1

参照附图3和4所示，本实施例涉及一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备包括扫描模块1、移动机构2和打印工作平面3。本实施例中，扫描模块仅设置1个，扫描模块包括激光器、聚焦透镜12和振镜单元，激光器用于向聚焦透镜12方向发射激光11（激光11经过准直和扩束后进入聚焦透镜12），聚焦透镜12用于对激光11进行聚焦，振镜单元用于将激光11反射至打印工作平面3上。所述的振镜单元包括X轴振镜13和Y轴振镜14，X轴振镜13通过调整反射角的方式使得激光11沿着X轴方向扫描，Y轴振镜14通过调整反射角的方式使得激光11沿着Y轴方向扫描，最终使得激光在打印工作平面上进行扫描。

所述的扫描模块1固定在移动机构2上，移动机构2用于控制扫描模块在打印工作平面3上移动；打印过程中，所述的聚焦透镜12与所述的振镜单元的相对位置始终保持不变。本实施例的3D打印设备的原理计算分析如下：

参照图5所示，对于一个没有平场镜头的振镜系统，扫描打印工作面3上的任意一点（x，y）时，激光聚焦的工作距离为：

公式中，L’为激光聚焦的工作距离，L为振镜单元到打印工作平面的距离，x、y是以激光垂直射入打印工作面的点作为原点的打印工作面上任意一个点的横坐标和纵坐标，D为X轴振镜和Y轴振镜之间的间距；

则，扫描打印工作面上任意一点的激光焦距工作距离与激光垂直射入打印工作平面时的激光聚焦工作距离的差值的表达式为：

公式中，△L为扫描打印工作面上任意一点的激光焦距工作距离与激光垂直射入打印工作平面时的激光聚焦工作距离的差值；

对于进行3D打印的激光束，计算其可用景深，在3D打印中激光束景深的定义是扫描线宽误差不超过3%，更严苛的标准则是不超过1%，本实施例以激光束景深不超过1%为标准进行计算。对于一个激光束，假定其束腰半径为ω ₀，波长为λ，则距离该束腰Z距离处，其当前的束腰半径ω的表达式为：

其中，Z _R 表示高斯光束的瑞利长度，其表达式为：

；

考虑到在其束腰半径处，高斯光束是对称的，因此光束可用的景深为Z值的2倍，即2Z，我们带入ω=（1±0.01）ω ₀；激光边沿的工作距离与中心的垂直光束的工作距离差不能超过打印允许的景深，在实际工程应用中，去掉一些公式小量，将判断公式进行简化得公式（5），扫描模块的扫描宽度H满足公式（5）：

公式中，λ表示激光的波长，ω ₀表示激光从激光器射出时激光的初始束腰；

该公式给出了在特地的激光波长、成像光斑直径以及扫描头工作距离下，扫描范围大小的界限。

在不使用F-Theta平场透镜的情况下，振镜扫描角度的公式如下：

公式中，θx、θy分别为X轴振镜和Y轴振镜进行扫描时转动的角度；

在扫描范围满足公式（5）的范围内，将其数值带入振镜角度旋转公式可得：

取可允许打印范围的最大值

，将x、y坐标用H的表达式代替，取3D打印常用的参数ω ₀=50um，L=600mm，D=20mm，带入数值到（6）（7）公式中可得：

。

由于扫描范围较小，即使在打印最边缘地方，其打印坐标与线性关系的误差不超过0.23％，因此可以使用线性公式来代替原本复杂的扫描坐标与振镜角度的对应关系。将振镜旋转角度和打印工作面的位置关系，可以直接使用线性公式直接将打印坐标转换为振镜电机的旋转角度，极大简化了打印数据的各种变换。

在3D扫描打印中，边缘光束倾斜，成像光斑由圆形变为椭圆形，进而使扫描线变宽，导致零件边缘部分的打印质量下降，在本实施例中打印范围限于H范围之内，边缘倾斜光束的宽度计算公式如下：

；

取3D打印常用的参数ω ₀=50um，L=600mm，D=20mm，带入数值到（10）公式中可得：

；

由此可得，边缘倾斜光束的椭圆长轴，与中心光斑的半径相比，增大了0.8‰，与3D打印中可允许的1%的差异范围相比，可以忽略不计。因此在本实施例中，振镜的扫描幅面内，不存在边缘打印质量会变差的情况。

由于本实施例中扫描模块1的数量为1个，单个扫描模块的扫描宽度H远小于打印工作面3的打印幅面，因此，本实施例中的移动机构包括X轴移动轨道21和Y轴移动轨道22，进而实现扫描模块1的前后、左右移动。

本实施例中，整个打印过程中，扫描模块1中的聚焦透镜12和振镜单元的相对位置始终保持不变，则需要在打印前就调整好聚焦透镜12和振镜单元的间距完成焦距的调节，参照附图6所示，对于单个扫描模块，其焦距调节方案如下：将聚焦透镜12安装在可以沿着激光传输方向调节的电机上，在焦距测试打印时，移动电机进行焦距打印，找到合适焦距之后，将电机设定在此位置不再移动。焦距打印属于打印前的一次性工作，因此对电机无响应速度的要求，在焦距打印完之后，电机固定在焦距位置处，后续打印也不再运动，直至下一次焦距测试打印。

实施例2

参照附图7所示，本实施例中扫描模块1设置多个，多个扫描模块1沿一条直线并排布置形成一个扫描模块阵列，扫描模块阵列通过移动机构移动，移动方向与扫描模块阵列排列方向垂直。对于扫描模块阵列中的任意一个扫描模块1，其结构及工作原理均与实施例1中的扫描模块1相同，本实施例不再阐述。

本实施例中，整个打印过程中，扫描模块1中的聚焦透镜12和振镜单元的相对位置始终保持不变，则需要在打印前就调整好各扫描模块1种的聚焦透镜12和振镜单元的间距，完成焦距的调节。对于任意一个扫描模块1，可以通过实施例1的方式单独调整每个扫描模块1的聚焦透镜12，也可以如图8所示，将多个扫描模块1的聚焦透镜12安装于同一个调焦模块4上，该调焦模块4可以使用电机带动沿着光束传输方向进行运动调节焦距。每个扫描模块1的聚焦透镜12使用螺纹安装于调焦模块4上，并且转动螺纹可以调节聚焦透镜模块与调焦模块的位置关系，其调节过程具体如下：

1.1、在实际焦距打印测试时使用电机移动调焦模块4进行焦距调试打印；

1.2、根据焦距调试打印的结果，判断每个扫描模块1的焦距位置偏差，根据此偏差值旋转螺纹进行焦距补偿；

1.3、每只螺纹调节完毕后，再重复1.1步骤进行焦距打印，判断多个扫描模块1的焦距是否一致以及准确；

1.4、各扫描模块1焦距完成调节后，固定死螺纹，使得多个扫描模块1之间焦距保持一致性，并且不再发生变化；

1.5、下一次再进行焦距调节打印时，只需要使用电机移动调焦模块进行所有打印头焦距的整体调试即可，不需要再单独调试每一只扫描模块1的焦距。

本实施例相比于实施例1，还需要对多个扫描模块1进行拼接，因此每两个扫描模块1之间均设置有一个位置传感器5，以此来校准相邻的两个扫描模块1的相对位置关系，即可校准两个扫描模块1的拼接关系；位置传感器设置于打印工作平面3的侧方，位置传感器5位于未开始扫描时的扫描模块1的正下方，如图9和图10所示。扫描模块阵列在打印时靠移动机构（直线电机23和导轨24驱动）在整个打印工作平面3内进行打印。在每层数据打印完毕后进行铺粉时，将扫描模块1移动到位置传感器5正上方，对扫描模块1进行校准。每打印一层文件即可矫正多激光头拼接一次，在每个零件进行打印过程中能实现超过5000次以上的位置检测评估校准，保证镜模块在打印过程中始终处于拼接状态正常。

实施例3

参照附图11所示，本实施例扫描模块设置多个，多个扫描模块平均分成若干组，同组的扫描模块1沿一条直线并排布置，各组扫描模块平行设置，相邻的两组扫描模块紧挨布置，进而形成多个扫描模块阵列；各组扫描模块通过移动机构移动，移动方向与扫描模块的排列方向垂直。对于扫描模块阵列中的任意一个扫描模块1，其结构及工作原理均与实施例1中的扫描模块1相同；对于其中任意一个扫描模块阵列，聚焦透镜12的调整方式与实施例2相同。

本实施例中，相邻的两组扫描模块1在扫描方向上的间距为N，扫描过程中，各组扫描模块在其扫描方向上加入N长度的延时值进行补偿，如图12所示，沿着扫描方向的第一行振镜扫描模块，按照打印文件数据进行扫描打印；第二行振镜扫描模块，需要在其扫描数据中，在其扫描方向上加入N长度的延时值进行补偿，这样就能保证打印出正确的图案数据。

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)

1.一种无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：其包括扫描模块、移动机构和打印工作平面；所述的扫描模块包括激光器、聚焦透镜和振镜单元，激光器用于向聚焦透镜方向发射激光，聚焦透镜用于对激光进行聚焦，振镜单元用于将激光反射至打印工作平面上并通过调整反射角的方式使得激光在打印工作平面上进行扫描；所述的扫描模块固定在移动机构上，移动机构用于控制扫描模块在打印工作平面上移动；打印过程中，所述的聚焦透镜与所述的振镜单元的相对位置始终保持不变，且所述的扫描模块的扫描宽度H满足以下要求：

公式中，λ表示激光的波长，ω ₀表示激光从激光器射出时激光的初始束腰，L为振镜单元到打印工作平面的距离；

所述的振镜单元包括X轴振镜和Y轴振镜，所述的X轴振镜通过调整反射角的方式使得激光沿着X轴方向扫描，所述的Y轴振镜通过调整反射角的方式使得激光沿着Y轴方向扫描，所述的X轴振镜、Y轴振镜调整反射角时的旋转角度为：

取可允许打印范围的最大值

，将x、y坐标用H的表达式代替，取ω ₀=50um，L=600mm，D=20mm，带入数值到公式（6）（7）中可得：

公式中，θx、θy分别为X轴振镜和Y轴振镜进行扫描时转动的角度，L为振镜单元到打印工作平面的距离，D为X轴振镜和Y轴振镜之间的间距，x、y分别是以激光垂直射入打印工作平面的点为原点的坐标值。

2.根据权利要求1所述的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：所述的扫描模块的数量为1个，所述的移动机构包括X轴移动轨道和Y轴移动轨道，所述的Y轴移动轨道安装于X轴移动轨道上并沿着X轴轨道滑动，所述的扫描模块安装于Y轴移动轨道上并沿着Y轴移动轨道滑动。

3.根据权利要求1所述的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：所述的扫描模块设置多个，多个扫描模块沿一条直线并排布置形成一个扫描模块阵列，扫描模块阵列通过移动机构移动，移动方向与扫描模块阵列排列方向垂直。

4.根据权利要求1所述的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：所述的扫描模块设置多个，多个扫描模块平均分成若干组，同组的扫描模块沿一条直线并排布置，各组扫描模块平行设置，相邻的两组扫描模块紧挨布置；各组扫描模块通过移动机构移动，移动方向与扫描模块的排列方向垂直。

5.根据权利要求4所述的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：相邻的两组扫描模块在扫描方向上的间距为N，扫描过程中，各组扫描模块在其扫描方向上加入N长度的延时值进行补偿。

6.根据权利要求4或5所述的无需移动对焦的激光振镜3D打印设备，其特征在于：所述的打印工作平面的侧方设有位置传感器，位置传感器位于未开始扫描时的扫描模块的正下方，且两个扫描模块之间均设置有一个位置传感器。

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