CN116174747A - 一种多通道激光3d打印装置及其扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的一种多通道激光3D打印装置及其扫描方法，属于3D打印机技术领域，打印装置包括：运动机构，用于安装打印头、Y轴振镜和X轴振镜，并带动打印头、Y轴振镜和X轴振镜沿着Y轴的方向匀速移动；打印头，用于向Y轴振镜发射用于扫描的多通道激光；Y轴振镜，用于将多通道激光反射至X轴振镜处，并且在X轴振镜进行一轮扫描的过程中使反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同；X轴振镜，用于将多通道激光反射至打印工作面上，并沿着X轴匀速扫描。本发明用Y轴振镜使反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，使得打印头的平移不再需要停顿，整机打印有效时间占比接近100%。
Description
技术领域
本发明属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种多通道激光3D打印装置及其扫描方法。
背景技术
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。本申请人的专利名称为一种线阵式激光3D打印装置及方法、授权公布号为CN113579468B的发明专利公开了一种可以将单束激光变成多束可独立调制开关、以线阵排列的激光束。该发明可以将单独一束激光最高分割为256个独立通道，可应用于SLA、SLS、SLM等打印领域。在SLM打印领域使用中，SLM单通道激光功率要求很高，常规为单通道为500W，市面上具有一定经济性的激光器功率通常不超过10KW，此功率以上价格非常昂贵，即SLM受制于激光器，可实用的通道数通常不超过20路，按照每通道光斑100um计算，20通道光束总宽度为2mm，此宽度的光束在使用常规的振镜扫描方式，不同通道的焦点偏差有限，不影响实际使用。即如图1所示，3D打印常规可用景深L为1.5mm，以常用的500mm工作距离，打印幅面300mm为例，振镜扫描最大角度a的值约为23约左右，按上图计算得20通道的3D金属打印机SLM的各通道焦点最大差值为
=0.84mm，小于SLM打印所允许的误差。
但对于SLA、SLS，激光功率需求则不需要这么大，因此可以将激光束调制分割为标准256通道，同样按照100um光斑计算，256通道光束总宽度为25.6mm，按照上述计算方式，则使用振镜进行全幅面打印时，各通道的焦点差值最大值约为
=10.7mm，这个值已经远远超过激光的景深范围，即在SLA、SLS打印中，使用了256通道独立可调方式的线阵激光扫描，不能使用常规的振镜系统进行3D打印，需要开发新的打印方案。
针对上述问题，目前常用的方法是采用将振镜系统与直线运动相结合的方式，来实现高达256通道的多通道激光系统打印。
振镜系统与直线运动相结合，目前已有的专利有以下几种方法：
第一种方式是：对于单激光束振镜扫描系统，为了拓展振镜系统扫描的范围，以及减少振镜系统在扫描区域边缘光束变形，通常会在振镜系统之上再加入平移装置，两者结合进行扫描，比如授权公告号为CN201120406282U公开的移动式振镜装置、申请公布号为CN112775443A公开的一种单激光大幅面振镜移动式3D打印装置及方法等。该方案的想关专利均是将振镜系统移动到某个固定区域，然后固定平移的XY轴，开始用振镜系统扫描打印该工作区域，待该工作区域扫描打印完成后，再由XY轴振镜移动至下一个区域，按照如上流程进行扫描打印。然而，该方法对于多通道激光不适合用，XY振镜大角度平面扫描时，过大的倾斜角会让不同通道光束的焦点出现很大偏差，严重影响打印质量。
第二种方式是：对于线阵的激光束，采用单轴振镜对X轴扫描，单轴振镜单次扫描完成后，平台再移动一个步进量，再使用单轴振镜进行下一次扫描。比如申请公布号为CN105034373 A公开的一维激光扫描振镜移动快速 3D 成型装置及方法和申请公布号为CN105033253 A公开的一维激光扫描振镜移动烧结粉末快速 3D 成型设备及方法。参照附图2所示，以上述256通道为例，光学打印头移动25.6mm停下来，使用单轴振镜进行扫描打印，完成后光学打印头再移动25.6mm，进行下一周期打印。该方法存在的缺陷是：使用单振镜扫描与打印头平移的组合，打印头的移动需要走到位，停止后再使用单振镜进行打印，打印头的运动路径如图3所示，打印头为了配合单轴振镜扫描，需要不断停顿，打印头的速度变化如图4所示，对于一个集成了多通道系统的打印头，整个打印头重量约为20KG，即使使用200N的电机驱动，其完成加减速的极限时间也需要0.2s左右，以打印幅面300*300mm，扫描速度1000mm/s来计算，扫描时间为0.3s，即整机打印时间中有40%时间是没有进行扫描打印的，整体有效打印时间占比约60%，效率比较低下。
第三种方式是：对于多通道打印最常规的方式为走之字形，不需要振镜系统，仅仅靠平移激光打印头进行打印，该方案在诸如3D砂模打印中使用喷头打印时最常使用。常规的喷头通常有1024通道，一次使用3~4只喷头，则一次可以使用约4000多通道，相比于光学调制的256路通道，多出十几倍，因此采用打印头平移的方式对于喷头打印效率尚可，对于激光打印，则效率要低很多，如图5所示。该方法打印头的平移速度如图6所示，在该方案中，Y方向平移与方案2一样需要0.2s的移动等待时间，X方向移动则需要0.3~0.4s打印头才能掉头回来，继续运动打印，整体打印有效时间占比不足50%，打印效率更为低下。
更重要的，随着激光器技术发展，可以使用的激光器功率增大，扫描速度可以进一步加快，则扫描时间进一步缩短，等待打印头运动加减速的时间会进一步加长，有效扫描时间占比则会进一步降低。打印头运动不连续，导致以上三种方案的打印效率未来不具备可增长性。
发明内容
本发明提供了一种多通道激光3D打印装置及其扫描方法，以解决多通道线阵列扫描打印打印头平移不连续导致的有效扫描时间占比低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种多通道激光3D打印装置，其包括：
运动机构，用于安装打印头、Y轴振镜和X轴振镜，并带动打印头、Y轴振镜和X轴振镜沿着Y轴的方向匀速移动；
打印头，用于向Y轴振镜发射用于扫描的多通道激光；
Y轴振镜，用于将多通道激光反射至X轴振镜处，并且在X轴振镜进行一轮扫描的过程中使反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同；
X轴振镜，用于将多通道激光反射至打印工作面上，并沿着X轴匀速扫描。
优选地，所述的Y轴振镜通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，进而使得多通道激光沿着Y轴的反方向匀速扫描。
优选地，所述的Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度。
优选地，所述的X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。
本发明还涉及一种基于上述多通道激光3D打印装置的扫描方法，其包括以下步骤：
S1.运动机构带动打印头、Y轴振镜和X轴振镜沿着Y轴的方向同步匀速移动；
S2.打印头向Y轴振镜发射用于扫描的多通道激光；
S3. Y轴振镜将多通道激光反射至X轴振镜处，在X轴振镜进行一轮扫描的过程中，通过Y轴振镜将反射的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同；
S4. X轴振镜将多通道激光反射至打印工作面上，并沿着X轴匀速扫描。
优选地，所述步骤S3中，Y轴振镜通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，进而使多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描。
优选地，所述的步骤S3中，Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度。
优选地，所述的步骤S3中，Y轴振镜匀速转动的过程中，通过以下公式补偿多通道激光射入X轴振镜的入射角的变化量：
公式中，θ y 为多通道激光射入X轴振镜时在Y轴方向上的补偿量，θ x 为多通道激光射入X轴振镜时在X轴方向上的补偿量，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离。
优选地，所述的步骤4中，通过匀速转动X轴振镜使得经X轴振镜反射后多通道激光在打印工作面上沿着X轴匀速扫描，X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。
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.本发明涉及的多通道激光3D打印装置增设了Y轴振镜，在扫描过程中，Y轴振镜将多通道激光反射至X轴振镜处，并且在X轴振镜进行一轮扫描的过程中使反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同，如此，打印头的平移不再需要停顿，整机打印有效时间占比接近100%；随着将来可用激光器功率增加，可以提高打印头的平移速度，且不存在任何障碍；不需要对其进行加速减速动作，对驱动、电机、导轨等，工作状态更稳定，寿命更长。
2.本发明涉及的多通道激光3D打印装置的扫描方法还可以通过补偿算法补偿因Y轴振镜向Y轴反方向扫描过程中引起的射入X轴振镜的入射角的变化量，进而使得X轴振镜进行一轮扫描时，扫描路径是完全沿着X轴方向的。
附图说明
图1是3D打印常规可用景深的计算原理图；
图2是采用单轴振镜对X轴扫描的原理图；
图3是采用单轴振镜对X轴扫描时打印头的运动路径图；
图4是采用单轴振镜对X轴扫描时打印头的速度变化图；
图5是多通道打印之字形扫描的原理图；
图6是多通道打印之字形扫描时打印头的速度变化图；
图7是本发明涉及的基于多通道激光3D打印装置的扫描方法的原理图；
图8是采用单轴振镜对X轴扫描且打印头不停断的情况下的扫描路径图；
图9是本发明基于多通道激光3D打印装置的扫描方法振镜系统的实际扫描路径及打印头的运动轨迹；
图10是打印头运动轨迹及振镜系统扫描轨迹结合后的等效扫描路径及打印头运动速度展示图。
标注说明：1-打印头，2-Y轴振镜，3-X轴振镜，4-多通道激光。
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7所示，本发明涉及的一种多通道激光3D打印装置包括运动机构（图中未画出）、打印头1、Y轴振镜2和X轴振镜3。所述的运动机构用于安装打印头1、Y轴振镜2和X轴振镜3，并带动打印头1、Y轴振镜2和X轴振镜3沿着Y轴的方向匀速移动；所述的打印头1用于向Y轴振镜2发射用于扫描的多通道激光4；所述的Y轴振镜2，用于将多通道激光4进行一次反射，经过一次反射的多通道激光4射入X轴振镜3处，并且在X轴振镜3进行一轮扫描的过程中，通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，使一次反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，并且控制扫描速度与打印头1的移动速度相同；所述的X轴振镜3用于对多通道激光4进行第二次反射，经过第二次反射的多通道激光4投影至打印工作面上，通过匀速旋转X轴振镜3的方式使得多通道激光4沿着X轴匀速扫描。
为了确保经过Y轴振镜2反射的多通道激光4沿着Y轴的反方向匀速扫描的扫描速度与打印头1的移动速度相同，所述的步骤S3中，Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度。
上述多通道激光3D打印装置的工作原理为：
对于多通道激光束，当采用单轴振镜对X轴扫描时，如果打印头以V2的速度匀速移动，单轴振镜旋转使得多通道激光束经过反射并沿着X轴以速度V1匀速扫描，则打印光束运动轨迹如图8所示，打印光束运动轨迹与X轴方向存在倾斜角，且倾斜角的表达式为
。
因此，需要矫正此倾斜角，本发明通过Y轴振镜来矫正此倾斜角，即在X轴振镜3进行一轮扫描的过程中，通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，使一次反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，在打印头不移动的情况下，Y轴振镜和X轴振镜配合下，振镜扫描轨迹如图9所示，当打印头1沿着Y轴匀速移动时，与打印光束运动轨迹配合，实际的打印光束运动国际如图10所示，是沿着X轴扫描的，且打印头的速度始终不变，进而提高整机打印有效时间占比。
基于上述所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法包括以下步骤：
S1.运动机构带动打印头1、Y轴振镜2和X轴振镜3沿着Y轴的方向同步匀速移动；
S2.打印头1向Y轴振镜2发射用于扫描的多通道激光4；
S3. Y轴振镜2将多通道激光4反射至X轴振镜3处，在X轴振镜3进行一轮扫描的过程中，Y轴振镜2通过匀速转动的方式不断改变多通道激光4与Y轴振镜3的入射角和反射角，进而使多通道激光4沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，为确保扫描速度与打印头2的移动速度相同，Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度；
S4. X轴振镜3将多通道激光反射至打印工作面上，通过匀速转动X轴振镜3使得经X轴振镜3反射后多通道激光在打印工作面上并沿着X轴匀速扫描，X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。步骤S3中，由于Y轴振镜2的入射角和反射角均不断地变化，经过Y轴振镜2反射后的多通道激光4射入X轴振镜3的入射角也发生了变化，但是相对于通过X轴振镜3使得多通道激光4沿着X轴匀速扫描的扫描速度远大于通过Y轴振镜2使得多通道激光4沿着Y轴反方向匀速扫描的扫描速度，故经过Y轴振镜2反射后的多通道激光4射入X轴振镜3的入射角的变化量可忽略不计。
实施例2
本实施例在实施例1的基于多通道激光3D打印装置的扫描方法的基础上，进一步增加了补偿方法，用于补偿步骤S3中产生的射入X轴振镜的入射角的变化量，其具体步骤为：
S1.运动机构带动打印头1、Y轴振镜2和X轴振镜3沿着Y轴的方向同步匀速移动；
S2.打印头1向Y轴振镜2发射用于扫描的多通道激光4；
S3. Y轴振镜2将多通道激光4反射至X轴振镜3处，在X轴振镜3进行一轮扫描的过程中，Y轴振镜2通过匀速转动的方式不断改变多通道激光4与Y轴振镜3的入射角和反射角，进而使多通道激光4沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，为确保扫描速度与打印头2的移动速度相同，Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度；
由于Y轴振镜2的入射角和反射角均不断地变化，经过Y轴振镜2反射后的多通道激光4射入X轴振镜3的入射角也发生了变化，假设振镜旋转时XY轴的转动角度分别为θ x 、θ y ，当前打印的坐标为（x,y），通过以下的坐标转换关系式即可对角度变化量进行补偿：
S4. X轴振镜3将多通道激光反射至打印工作面上，通过匀速转动X轴振镜3使得经X轴振镜3反射后多通道激光在打印工作面上并沿着X轴匀速扫描，X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。
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 (9)
1.一种多通道激光3D打印装置，其特征在于：其包括：
运动机构，用于安装打印头、Y轴振镜和X轴振镜，并带动打印头、Y轴振镜和X轴振镜沿着Y轴的方向匀速移动；
打印头，用于向Y轴振镜发射用于扫描的多通道激光；
Y轴振镜，用于将多通道激光反射至X轴振镜处，并且在X轴振镜进行一轮扫描的过程中使反射后的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同；
X轴振镜，用于将多通道激光反射至打印工作面上，并沿着X轴匀速扫描。
2.根据权利要求1所述的多通道激光3D打印装置，其特征在于：所述的Y轴振镜通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，进而使得多通道激光沿着Y轴的反方向匀速扫描。
3.根据权利要求2所述的多通道激光3D打印装置，其特征在于：所述的Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度。
4.根据权利要求2所述的多通道激光3D打印装置，其特征在于：所述的X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。
5.一种基于权利要求1所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1.运动机构带动打印头、Y轴振镜和X轴振镜沿着Y轴的方向同步匀速移动；
S2.打印头向Y轴振镜发射用于扫描的多通道激光；
S3. Y轴振镜将多通道激光反射至X轴振镜处，在X轴振镜进行一轮扫描的过程中，通过Y轴振镜将反射的多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描，扫描速度与打印头的移动速度相同；
S4. X轴振镜将多通道激光反射至打印工作面上，并沿着X轴匀速扫描。
6.根据权利要求5所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法，其特征在于：所述步骤S3中，Y轴振镜通过匀速转动的方式不断改变多通道激光与Y轴振镜的入射角和反射角，进而使多通道激光沿着Y轴的反方向进行匀速扫描。
7.根据权利要求5所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法，其特征在于：所述的步骤S3中，Y轴振镜转动的角速度为：
公式中，D为X轴振镜和Y轴振镜的间距，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，V x 和V y 分别为扫描速度V在x、y方向的速度分量，
为Y轴振镜对的扫描角速度。
8.根据权利要求7所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法，其特征在于：所述的步骤S3中，Y轴振镜匀速转动的过程中，通过以下公式补偿多通道激光射入X轴振镜的入射角的变化量：
公式中，θ y 为多通道激光射入X轴振镜时在Y轴方向上的补偿量，θ x 为多通道激光射入X轴振镜时在X轴方向上的补偿量，x为当前扫描位置的横坐标，y为当前扫描位置的纵坐标，L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离。
9.根据权利要求5所述的多通道激光3D打印装置的扫描方法，其特征在于：所述的步骤4中，通过匀速转动X轴振镜使得经X轴振镜反射后多通道激光在打印工作面上沿着X轴匀速扫描，X轴振镜转动的角速度为：
公式中， L为Y轴振镜到打印工作面的垂直距离，x为当前扫描位置的横坐标，V x 为扫描速度V在x方向的速度分量，
为X轴振镜对的扫描角速度。
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