CN115519138B - 一种基于dmd微镜组的低熔点金属打印装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置与方法，包括成型机构和DMD微镜组；DMD微镜组包括依次光路连接的：激光器、扩束器、匀化装置、DMD数字微镜、第一反射镜、第二反射镜和物镜；物镜的投影面，投影于成型平台的成型平面上。本发明与现有的粉末床激光选区熔融设备相比，不需要昂贵的振镜，只需一个简单的DMD数字微镜装置以及相关的光学仪器机构，即可实现低熔点金属的3D打印，极大地节省设备的制造成本。本发明打印低熔点金属的效率高，不需要进行扫描策略的考虑，DMD数字微镜反射激光可以直接选区熔融一层粉末材料，反射出来的激光图形与本层的切片图形一样，可以极大地提高生产效率。

Description

一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置与方法
技术领域
本发明属于増材制造的技术领域，具体涉及一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置与方法。
背景技术
增材制造，又称3D打印，是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积材料制造出所需物品的新兴制造技术。相比于传统制造工艺，增材制造可省去粗加工、精加工等繁杂工艺，具有效率高、周期短、成本低等优点。目前在医疗，航空航天等高端精密的应用领域得到了广泛使用和发展。
粉末床激光熔融(Laser Powder Bed Fusion)技术，是常见金属增材制造技术之一，该技术使用激光能量源选择性将金属、陶瓷或其他颗粒材料按所需模型选区熔融，层层堆积，形成三维物体。
低熔点金属有别于传统增材制造材料，它是指一大类熔点低于200℃的金属材料，如镓基、铟基、铋基合金等。低熔点金属尤其是室温液态金属在印刷电子、制作柔性器件方面正显现独特的优势。
Digital Micromirror Device(数字微镜器件,以下简称DMD)是一种电子输入、光学输出的微机电系统。DMD基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成，通过控制微镜片绕固定轭的旋转和时域响应(决定光线的反射角度和停滞时间)来决定成像图形和其特性。目前利用DMD微镜进行增材制造的技术有光固化成型(Stereo lithographyApparatus)技术，缺少应用到粉末床激光选区熔融技术的例子。
以现有的技术，尽管可以打印出相应的低熔点金属产品，但仍有不足。现有的粉末床激光选区熔融设备成本较高，需要用到振镜等昂贵的零件。现有的设备常需要进行扫描策略的考虑。打印低熔点金属效率不高。
采用DMD微镜，其光路结构简单，控制较为容易，从而目的容易实现，且DMD微镜成本便宜，图形分辨率高。在950nm到1150nm的波长范围内，DMD微镜目前市场上能承受的激光功率为160W，激光功率增加，DMD的受热就越严重，就会损坏DMD微镜，故与DMD微镜只能配合功率较低的激光器使用，无法打印高熔点的金属材料。
因此，为解决上述困难，亟需一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置及打印方法，以实现低成本打印高精度低熔点金属。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置与方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置，包括成型机构和DMD微镜组；所述成型机构包括成型仓和位于成型仓内的成型平台5；所述DMD微镜组，包括依次光路连接的：激光器1、扩束器2、匀化装置11、DMD数字微镜10、第一反射镜12、第二反射镜9和物镜8；
所述物镜8的投影面，投影于成型平台5的成型平面上。
所述扩束器2水平放置，用于将激光器1中发射的激光进行扩束；扩束器2扩束之后的激光，进入到匀化装置11；
由匀化装置11匀化后的激光光束，依次经过第一反射镜12、DMD数字微镜10和第二反射镜9；物镜8接收第二反射镜9反射而来的激光光束，将激光图形放大，进而投影于成型平台5的成型平面上。
所述第一反射镜12与水平面呈45°夹角，第一反射镜12的镜面中心与匀化装置11的出光中心对齐，以使激光光束45°反射。
所述DMD数字微镜10的放置与水平面夹角为33°，DMD数字微镜10的镜面中心与第一反射镜12的镜面中心位于同一水平轴上。
所述第二反射镜9与水平面夹角为45°，位于DMD数字微镜10的右侧方，用于反射从DMD数字微镜10反射而来的激光光束；
所述第二反射镜9的镜面中心与DMD数字微镜10的镜面中心处于同一水平轴上。
所述物镜8垂直于水平面，并置于第二反射镜9的下方，接收第二反射镜9反射而来的激光光束。
所述匀化装置11包括两组微透镜阵列和一个傅里叶透镜。
所述DMD数字微镜10的侧下方，还设置有一激光接收器13；激光接收器13与水平面夹角为-45°，用于接收或者吸收从DMD数字微镜10反射而来的激光。
所述激光接收器的表面形状为圆形，若激光接收器距离的平面中心距离DMD微镜的距离为H，则其半径可算得：
R＝H tan 21°。
所述成型机构还包括储粉缸4、铺粉车3、废粉收集罐6。
一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置的打印方法，包括如下步骤：
S1、向储粉缸4中装入要打印的原料低熔点粉末；
S2、对待成型零件的三维模型数据进行处理，包括位置摆放和支撑添加，对处理后的零件进行模型切片分层并输出所对应的图形文件；
S3、确定激光器1的功率以及激光照射时间，并将激光功率、激光照射时间以及输出的图形文件数据导入打印装置的计算机系统中，计算机系统根据图形文件，控制DMD数字微镜的运转，输出对应的激光图形；
S4、关闭成型仓的舱门，往成型仓内充入惰性保护气体直至仓内氧含量低于2.0ppm，开始打印零件；
S5、储粉缸4上升一个层厚高度，成型平台5下降一个层厚高度，铺粉车3铺设一个层厚的粉末材料；物镜8接收第二反射镜9反射而来的激光光束，计算机系统控制DMD微镜的运行，反射出所需的激光图形，激光图案照射在成型平台5的粉末材料平面上，完成一层零件的成型；
S6、重复步骤S5，直至整个零件打印完成，取出零件并进行后处理工艺。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明与现有的粉末床激光选区熔融设备相比，不需要昂贵的振镜，只需一个简单的DMD数字微镜装置以及相关的光学仪器机构，即可实现低熔点金属的3D打印，极大地节省设备的制造成本。
2、本发明打印低熔点金属的效率高，不需要进行扫描策略的考虑，DMD数字微镜反射激光可以直接选区熔融一层粉末材料，反射出来的激光图形与本层的切片图形一样，可以极大地提高生产效率。
3、本发明的光路结构简单，容易实现，与原来的振镜扫描相比，只需要对DMD微镜进行控制，即可完成打印过程，控制上较为容易实现，且维修设备简单。
附图说明
图1是本发明基于DMD微镜组低熔点金属打印装置示意图；
图2是模型数据处理流程框图；
图3是DMD微镜三种状态框图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明公开了一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置；包括成型机构和DMD微镜组；
所述成型机构包括成型仓和位于成型仓内的成型平台5；
所述DMD微镜组，包括依次光路连接的：激光器1、扩束器2、匀化装置11、DMD数字微镜10、第一反射镜12、第二反射镜9和物镜8；
所述物镜8的投影面，投影于成型平台5的成型平面上。
所述扩束器2水平放置，用于将激光器1中发射的激光进行扩束；扩束器2扩束之后的激光，进入到匀化装置11。具体说，扩束器2主要用于将激光器1中发射的激光进行扩束处理，增大激光的光斑直径，以便于激光光斑可以更好地投射在DMD数字微镜10上。
由匀化装置11匀化后的激光光束，依次经过第一反射镜12、DMD数字微镜10和第二反射镜9；物镜8接收第二反射镜9反射而来的激光光束，将激光图形放大，进而投影于成型平台5的成型平面上。
激光图形需要照射一段时间，此时间段根据不同的金属材料有所不同，主要是由于激光图形被放大，激光的能量密度降低，故单次照射需要时间熔融金属粉末材料。
激光图形放大，其放大倍数可根据物镜8的放大倍数查得，本发明使用的放大倍数为八倍。
低熔点金属可用于电子零部件的打印。
所述第一反射镜12与水平面呈45°夹角，第一反射镜12的镜面中心与匀化装置11的出光中心对齐，以使激光光束45°反射。
所述DMD数字微镜10的放置与水平面夹角为33°，DMD数字微镜10的镜面中心与第一反射镜12的镜面中心位于同一水平轴上。
DMD利用微反射镜的“开”和“关”产生动态掩模，在正向偏置下，微反射镜翻转+12°，在负向偏置下，微反射镜翻转-12°；
在此说明，所述的正向偏置和负向偏置，是基于附图的方位，翻转+12°为逆时针转动，翻转-12°为顺时针转动，当DMD为平态时，激光光束反射的夹角与水平面呈-24°，当DMD为开态时，激光束反射的夹角与水平面平行，当DMD为关态时，激光光束反射的夹角与水平面呈-48°(请参阅附图3)。
所述第二反射镜9与水平面夹角为45°，位于DMD数字微镜10的右侧方，用于反射从DMD数字微镜10反射而来的激光光束；
所述第二反射镜9的镜面中心与DMD数字微镜10的镜面中心处于同一水平轴上。
所述物镜8垂直于水平面，并置于第二反射镜9的下方，接收第二反射镜9反射而来的激光光束，将激光图形放大，投影与成型平台5的成型平面上，进行激光打印低熔点金属材料，物镜8将激光图形放大，会形成一个与原图形相反的放大图形，物镜8的焦点7位于成型仓内。
成型仓(密封成型腔)顶部开设有透光口，透光口上安装有透明密封盖；物镜8接收第二反射镜9反射而来的激光光束，将激光图形放大后，透过该透光口，投影于成型平台5的成型平面上。
所述匀化装置11包括两组微透镜阵列和一个傅里叶透镜。
所述DMD数字微镜10的侧下方，还设置有一激光接收器13；激光接收器13与水平面夹角为-45°，用于接收或者吸收从DMD数字微镜10反射而来的激光。实际上激光接收器13为一黑体。激光接收器13的面足够大，导热性良好，以便于接收从DMD数字微镜10反射而来的激光。
所述成型机构还包括储粉缸4、铺粉车3、废粉收集罐6。
本发明基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置的打印方法，可通过如下步骤实现：
S1、向储粉缸4中装入要打印的原料低熔点粉末；
S2、对待成型零件的三维模型数据进行处理，包括位置摆放和支撑添加，对处理后的零件进行模型切片分层并输出所对应的图形文件；
S3、确定激光器1的功率以及激光照射时间，并将激光功率、激光照射时间以及输出的图形文件数据导入打印装置的计算机系统中，计算机系统根据图形文件，控制DMD数字微镜的运转，输出对应的激光图形；
S4、关闭成型仓的舱门，往成型仓内充入惰性保护气体直至仓内氧含量低于2.0ppm，开始打印零件；
S5、储粉缸4上升一个层厚高度，成型平台5下降一个层厚高度，铺粉车3铺设一个层厚的粉末材料；物镜8接收第二反射镜9反射而来的激光光束，计算机系统控制DMD微镜的运行，反射出所需的激光图形，激光图案照射在成型平台5的粉末材料平面上，完成一层零件的成型；
S6、重复步骤S5，直至整个零件打印完成，取出零件并进行后处理工艺。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置，包括成型机构和DMD微镜组；所述成型机构包括成型仓和位于成型仓内的成型平台（5） ；其特征在于：
所述DMD微镜组，包括依次光路连接的：激光器（1）、扩束器（2）、匀化装置（11）、第一反射镜（12）、DMD数字微镜（10）、第二反射镜（9）和物镜（8）；
所述物镜（8）的投影面，投影于成型平台（5）的成型平面上；
所述扩束器（2）水平放置，用于将激光器（1）中发射的激光进行扩束；扩束器（2）扩束之后的激光，进入到匀化装置（11）；
由匀化装置（11）匀化后的激光光束，依次经过第一反射镜（12）、DMD数字微镜（10）和第二反射镜（9）；物镜（8）接收第二反射镜（9）反射而来的激光光束，将激光图形放大，进而投影于成型平台（5）的成型平面上；
所述第一反射镜（12）与水平面呈45°夹角，第一反射镜（12）的镜面中心与匀化装置（11）的出光中心对齐，以使激光光束45°反射；
所述DMD数字微镜（10）的放置与水平面夹角为33°，DMD数字微镜（10）的镜面中心与第一反射镜（12）的镜面中心位于同一水平轴上；
所述第二反射镜（9）与水平面夹角为45°，位于DMD数字微镜（10）的右侧方，用于反射从DMD数字微镜（10）反射而来的激光光束；
所述第二反射镜（9）的镜面中心与DMD数字微镜（10）的镜面中心处于同一水平轴上；
所述物镜（8）垂直于水平面，并置于第二反射镜（9）的下方，接收第二反射镜（9）反射而来的激光光束；
所述成型机构还包括储粉缸（4）、铺粉车（3）和废粉收集罐（6）。
2.根据权利要求1所述基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置，其特征在于：所述匀化装置（11）包括两组微透镜阵列和一个傅里叶透镜。
3.根据权利要求2所述基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置，其特征在于：所述DMD数字微镜（10）的侧下方，还设置有一激光接收器（13）；激光接收器（13）与水平面夹角为-45°，用于接收或者吸收从DMD数字微镜（10）反射而来的激光；
所述激光接收器的表面形状为圆形，若激光接收器平面中心与DMD微镜的距离为H，则激光接收器半径可算得：
。
4.一种权利要求3所述基于DMD微镜组的低熔点金属打印装置的打印方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、向储粉缸（4）中装入要打印的原料低熔点粉末；
S2、对待成型零件的三维模型数据进行处理，包括位置摆放和支撑添加，对处理后的零件进行模型切片分层并输出所对应的图形文件；
S3、确定激光器（1）的功率以及激光照射时间，并将激光功率、激光照射时间以及输出的图形文件数据导入打印装置的计算机系统中，计算机系统根据图形文件，控制DMD数字微镜的运转，输出对应的激光图形；
S4、关闭成型仓的舱门，往成型仓内充入惰性保护气体直至仓内氧含量低于2.0 ppm，开始打印零件；
S5、储粉缸（4）上升一个层厚高度，成型平台（5）下降一个层厚高度，铺粉车（3）铺设一个层厚的粉末材料；物镜（8）接收第二反射镜（9）反射而来的激光光束，计算机系统控制DMD微镜的运行，反射出所需的激光图形，激光图案照射在成型平台（5）的粉末材料平面上，完成一层零件的成型；
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