CN116237541A - 一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，包括：依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域；根据零件切片图像的分布位置，将面光源曝光区域划分为第一区域、第二区域及第三区域；设定第一区域、第二区域及第三区域的图像灰度值；其中，第一区域为投影图像的暗区部分，第二区域为投影图像的亮区部分中的图像搭接区域，第三区域为投影图像的亮区部分中的图像非搭接区域。该基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺的目的是解决面曝光搭接区域能量输入过大而出现过烧、塌陷、气孔的问题。

Description

一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺

技术领域

本发明涉及激光粉末床增材制造技术领域，具体涉及一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺。

背景技术

激光选区熔化是一种由数据驱动、逐层累加材料成形实体零件的先进制造技术，与传统的减材制造相比，该技术可成形轻量化、复杂结构和多材料梯度结构，工艺流程短、材料浪费少，且无需模具，支持个性化和定制化加工，已广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车等领域。该技术是利用激光烧结预先铺设在成形区域的粉末，使之熔化沉积的多种物理场相互耦合、高度动态的复杂过程。传统激光选区熔化系统主流的加工方式是控制激光束对粉末原料的表面进行逐点扫描，按照切片图像完成“由点-到线-再到面”的粉末层熔融，被扫描区域的粉末薄层产生光聚合反应而熔化，形成零件的一个薄层。

为了提高激光选区成形效率和质量，基于面曝光的激光选区熔化成形方式越来越多的关注。用面光源代替传统的点光源，可以跳过“由点-到线-再到面”成形过程，由面光源在粉末床上曝光既可以一次成形切片图像；另一方面，由于是面光源整体曝光，其熔化粉末时熔池热传递更加稳定，成形质量可以进一步得到提高。

基于面曝光的激光选区熔化成形技术依赖于面激光光源及光阀技术的发展，受限于熔融能量、面光源均质质量、光阀耐受等因素的限制，面光源和光阀的尺寸无法做到很大，在大零件成形过程中仍需要通过面光源的图像搭接来扩大成形面积，由于搭接区域粉末要经历两次面光源的曝光熔融，因此搭接区域粉末极易因为能量输入过大而出现过烧、塌陷、气孔等质量问题。

因此，发明人提供了一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，解决了面曝光搭接区域能量输入过大而出现过烧、塌陷、气孔的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，包括以下步骤：

依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域；

根据所述零件切片图像的分布位置，将面光源曝光区域划分为第一区域、第二区域及第三区域；

设定所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域的图像灰度值；

其中，所述第一区域为投影图像的暗区部分，所述第二区域为所述投影图像的亮区部分中的图像搭接区域，所述第三区域为所述投影图像的亮区部分中的图像非搭接区域。

进一步地，所述依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域，具体为：

根据零件切片图像规划面光源曝光路径，确定相邻的面光源曝光面搭接区域宽度为设定值。

进一步地，所述设定所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域的图像灰度值，具体为：

设定所述第一区域的图像灰度值为0、所述第二区域的图像灰度值为1～254及所述第三区域的图像灰度值为255。

进一步地，所述第二区域的图像灰度值为150～200。

进一步地，面光源的曝光平均功率为150w～300w，曝光时间为100～250μs。

进一步地，铺粉的层厚为30μm。

进一步地，激光器的波长为1064nm。

进一步地，面光源为正方形匀质光斑。

(3)有益效果

综上，本发明通过调整投影图像各像素点灰度值，动态调整光阀相应区域的光电效应强度，控制面光源经透射光阀后的偏振特性，最终实现面光源任意局部区域有效熔融能量的调控，控制搭接区域单次熔融能量，有效提高了面光源搭接区域的成形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于面曝光的激光选区熔化成形装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种相邻面光源曝光面之间存在图像搭接区域的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种面光源曝光区域的划分示意图。

图中：

1-二极管激光阵列匀质光单元；2-光寻址光阀成像单元；3-光源偏转成像单元；4-二极管激光阵列；5-匀光模组；6-投影器；7-切片图像；8-二向色镜；9-光寻址光阀；10-偏振棱镜；11-黑箱；12-投影光的暗区部分；13-投影透镜系统；14-反射镜；15-X轴调整镜片；16-Y轴调整镜片；17-场镜；18-成形平台；19-熔融粉末层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。

图1是本发明实施例提供的一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：

S100、依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域；

S200、根据零件切片图像的分布位置，将面光源曝光区域划分为第一区域、第二区域及第三区域；

S300、设定第一区域、第二区域及第三区域的图像灰度值；

其中，第一区域为投影图像的暗区部分，第二区域为投影图像的亮区部分中的图像搭接区域，第三区域为投影图像的亮区部分中的图像非搭接区域。

在上述实施方式中，利用光寻址光阀液晶材料光电效应易受光照强度影响的特性，通过调整投影图像灰度值，使得投影光亮度发生变化，进而促使液晶材料透射能力在光电效应的作用下动态变化。

该搭接方法充分利用了光寻址光阀液晶材料的光电效应特性。经投影光照射后，光阀被分为两个区域，投影光覆盖的部分为亮区，投影光未照射到的部分为暗区。在亮区部分，光阀液晶材料在投影光照射下其光电效应将被激活，液晶材料分子将重新有序排列，使得光矢量沿分子长轴方向和垂直分子长轴方向上的折射率不同。在未被投影光照射的暗区，光阀液晶材料的光电效应将无法被激活。

基于以上光寻址光阀的光电特性，光阀在亮区和暗区部分展现出不同的光学特性，使得激光面光源通过相应区域后其偏振特性也产生相应变化。激光面光源通过光阀亮区部分的光被调整为P偏振光，面光源通过光阀暗区部分的光则被调整为S偏振光。即，经过光寻址光阀后，面光源用于熔融粉末的有效激光全部转换为P偏振光，其余不需要熔融区域的面光源全部转换为S偏振光。由于面光源中的P偏振光分量将用于粉末熔融，因此在本发明中将P偏振光输出能量称为有效熔融能量。

光阀液晶材料的光电效应强度直接受投影光照强度影响。投影光光照强度越高，激发的液晶材料光电效应强度越高，经过该亮区部分的面光源转化成P偏振光的强度越高，转化成S偏振光的强度越低，即面光源用于粉末熔融的有效熔融能量越大。反之，投影光亮度低，光电效应强度低，面光源经光阀后转化成P偏振光的强度低，转化成S偏振光的强度高，即透过光阀亮区部分的面光源有效熔融能量小。

投影光强度直接受投影图像灰度值影响，投影图像灰度值为[0,255]之间的数值，投影图像灰度值越大，投影光强度越高；投影图像灰度值越小，投影光亮度越低。

基于以上光寻址光阀特性，本发明通过调整投影图像各像素点灰度值，控制相应部分区域的投影光照亮度，动态调整光阀相应区域的光电效应强度，进而影响面光源经透射光阀后的偏振特性，最终实现对面光源局部区域有效熔融能量的调控。

相邻面光源曝光面之间存在图像搭接区域。如图3所示，①、②、③为面光源曝光区域，相邻曝光区域之间的重叠部分A、B为面曝光的搭接区域。搭接区域要经历相邻面光源两次曝光熔融，该部分极易因为能量输入过大而产生工艺缺陷。通过调整投影图像各像素点灰度值，控制搭接区域面光源输出的有效熔融能量，有效避免了图像搭接区域能量输入过大的问题。

根据切片图像的分布位置，可以将面光源曝光区域分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分。如图4所示为例，1为待加工零件的单层切片图像，该切片图像被规划分布在3个面光源曝光区域①、②、③中。面光源曝光区域分成三部分，具体如下：

Ⅰ部分为投影图像暗区部分；

Ⅱ部分为投影图像亮区部分中的图像搭接区域；

Ⅲ部分为投影图像亮区部分中的图像非搭接区域。

作为一种可选的实施方式，步骤S100中，依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域，具体为：

根据零件切片图像规划面光源曝光路径，确定相邻的面光源曝光面搭接区域宽度为设定值。

作为一种可选的实施方式，步骤S300中，设定第一区域、第二区域及第三区域的图像灰度值，具体为：

设定第一区域的图像灰度值为0、第二区域的图像灰度值为1～254及第三区域的图像灰度值为255。

在上述实施方式中，设定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分曝光区域的图像灰度值。根据光寻址光阀液晶材料光电特性，投影图像像素点的灰度值越大，投影光越强，光阀液晶材料光电效应越强，面光源经光阀后转化成P偏振光的强度高，其输出的有效熔融能量越大。因此，对于面光源不同曝光区域像素点灰度值的设定原则如下：

Ⅰ部分为投影图像暗区部分，该部分为切片图像以外的部分，该部分不需要面曝光熔融，因此将该区域的像素点灰度值设定为0，使得该区域投影光强度最低，光阀光电效应未被激活，面光源在该区域的P偏振光转化率为0，面光源在该区域的S偏振光转化率为100％，该区域内面光源输出的有效熔融能量为0。

Ⅱ部分为投影图像亮区部分中的图像搭接区域，该区域内粉末要经历相邻面光源两次曝光熔融，为避免该区域熔融能量过大造成质量缺陷，应适当调整该区域内单次面光源曝光的输出能量。因此，该区域切片图像灰度值设定为0至255之间的某个固定值，具体数值依据不同材料粉末的工艺实验结果而定，以降低该区域内面光源的有效熔融能量。

Ⅲ部分为投影图像亮区部分中的图像非搭接区域，该区域内粉末只经历面光源一次曝光熔融，因此将该区域的像素点灰度值设定为255，使得该区域投影光强度最高，光阀光电效应激活强度最大，面光源在该区域的P偏振光转化率为100％，面光源在该区域的S偏振光转化率为0，该区域内面光源输出的有效熔融能量最大。

如图2所示，该激光选区熔化成形装置可以包括沿激光光路依次分布的二极管激光阵列匀质光单元1、光寻址光阀成像单元2和光源偏转成像单元3；其中，

二极管激光阵列匀质光单元1用于发射多组激光并将其匀化成面光源，光寻址光阀成像单元2用于将面光源分为S偏振光、P偏振光，光源偏转成像单元3用于动态调整S偏振光的投影位置以扩大激光选区熔化的成形区域。

二极管激光阵列匀质光单元1包括二极管激光阵列4及匀光模组5，二极管激光阵列4输出的多组激光经匀光模组5匀化成面光源。

具体地，二极管激光阵列4发射出的4束激光会聚后经匀光模组5处理后进入光寻址光阀成像单元2。

其中，光寻址光阀成像单元2包括投影器6、二向色镜8、光寻址光阀9及偏振棱镜10，投影器6用于将切片图像7投影至光寻址光阀9，二向色镜8用于分别透射面光源及反射投影器6的投影光源至光寻址光阀9，光寻址光阀9用于将面光源的投影切片分为P偏振光、S偏振光，偏振棱镜10用于透射P偏振光。

具体地，经投影光照射后，光寻址光阀成像单元2中的光寻址光阀9被分为两个区域，投影器6投影光覆盖的部分为亮区；投影光未照射到的部分为暗区。光阀亮区部分的在光电效应的作用下根据投影光的分布，动态调整液晶材料分子有序排列，使得光矢量沿分子长轴方向和垂直分子长轴方向上的折射率不同。光阀液晶材料分子重新分布后，二极管激光面光源通过光阀亮区部分的光被调整为P偏振光，面光源通过光阀暗区部分的光则被调整为S偏振光。即，经过光寻址光阀9后，需要投影的切片图像全部转换为P偏振光，其余不需要的投影部分全部转换为S偏振光。

其中，光寻址光阀成像单元2还包括黑箱11，黑箱11用于作为一种可选的实施方式，投影器6用于通过切片图像7的投影光将光寻址光阀9分为明、暗两个区域。其中，黑箱11的设置是用于吸收面光源中投影图像以外部分的无用光。

其中，光源偏转成像单元3包括投影透镜系统13、反射镜14及成形平台18，投影透镜系统13用于增加面光源投影面的光程长度，反射镜14用于将面光源反射至成形平台18上放置的待熔融粉末层19。

实施例1

该实施例中熔融的金属粉末为AlSi10Mg，选用二极管激光阵列作为面光源，激光器波长1064nm，面光源大小为15mm*15mm的正方形匀质光斑，激光器输出的最大平均功率为500W。投影光为选用波长为472nm的投影激光，将要成形的切片图像投影至光阀。如图3所示，1为要成形零件的单层切片图像，其轮廓大小为12mm*41mm。该切片图像被规划到3个面光源的曝光区域内，相邻曝光区域存在搭接部分，面光源曝光局部区域能量控制步骤如下：

S1、根据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻面光源曝光面搭接区域宽度为1mm；

S2、根据切片图像的分布位置，可以将面光源曝光区域分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分；

S3、设定面光源曝光平均功率为150w～300w，曝光时间为100～250μs。

铺粉层厚为30μm；

S4、设定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分曝光区域的图像灰度值，具体如下：

Ⅰ部分为投影图像暗区部分，该部分投影图像灰度值设定为0；

Ⅱ部分为投影图像亮区部分中的图像搭接区域，该部分投影图像灰度值设定为150～200；

Ⅲ部分为投影图像亮区部分中的图像非搭接区域该部分投影图像灰度值设定为255。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：

依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域；

根据所述零件切片图像的分布位置，将面光源曝光区域划分为第一区域、第二区域及第三区域；

设定所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域的图像灰度值；

其中，所述第一区域为投影图像的暗区部分，所述第二区域为所述投影图像的亮区部分中的图像搭接区域，所述第三区域为所述投影图像的亮区部分中的图像非搭接区域。

2.根据权利要求1所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，所述依据零件切片图像规划面光源曝光路径，设定相邻的面光源曝光面搭接区域，具体为：

根据零件切片图像规划面光源曝光路径，确定相邻的面光源曝光面搭接区域宽度为设定值。

3.根据权利要求2所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，所述设定所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域的图像灰度值，具体为：

设定所述第一区域的图像灰度值为0、所述第二区域的图像灰度值为1～254及所述第三区域的图像灰度值为255。

4.根据权利要求3所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，所述第二区域的图像灰度值为150～200。

5.根据权利要求1所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，面光源的曝光平均功率为150w～300w，曝光时间为100～250μs。

6.根据权利要求1所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，铺粉的层厚为30μm。

7.根据权利要求1所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，激光器的波长为1064nm。

8.根据权利要求1所述的基于面曝光的激光选区熔化成形图像的搭接工艺，其特征在于，面光源为正方形匀质光斑。

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