CN116786840B - 一种匀速移动的dmd面阵3d金属打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，属于3D打印机技术领域，打印时，打印头匀速移动并向打印工作面发射第一激光束、第二激光束和第三激光束，第三激光束用于将金属粉末从常温加热至熔点温度，第二激光束用于对加热至熔点的金属粉末保温，第一激光束通过DMD器件反射后垂直投影至打印工作面上，用于融化金属粉末；发射第一激光束的第一激光器为脉冲激光器，脉冲时间宽度根据打印头匀速移动速度计算获得，打印头匀速移动过程中，每到下一个打印成像位置，第一激光器打开激光脉冲进行曝光打印。本发明避免了打印头内部各光学器件在加速、减速过程中出现位置松动等问题，保证第一激光束的能量处于DMD器件能够承受的范围内。

Description

一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法。

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。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，而SLM3D打印机的作用是利用金属粉末在激光束热作用下熔化经冷却凝结并组层堆积的制造零件。金属3D打印通常使用单束激光聚焦成为一个细小光斑进行3D打印，打印效率低。

在光固化领域，除了使用SLA单个激光斑进行3D打印，还会使用DMD面阵曝光进行3D打印。使用UV光，通过DMD反射成像投影至液体的感光胶表面，通过DMD变换控制图像来固化感光胶打印3D零件。比如，申请公布号为CN109228348A的中国专利公开的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置及方法，装置包括控制系统，DMD倾斜扫描系统和位移平台，其中，所述的DMD倾斜扫描系统固定于位移平台之上，DMD倾斜扫描系统、位移平台均由所述的控制系统控制，控制系统首先控制位移平台做好曝光准备，其次控制DMD倾斜扫描系统生成倾斜点阵列，最后控制位移平台扫描倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面。

在光固化领域使用DMD可以大幅度提高打印效率，并且由于DMD反射单元的每个像素边长约为5～6um，经过透镜成像后，其像素尺寸也较小，因此使用DMD的光固化3D打印设备，相比单个光斑扫描打印的SLA设备，不仅拥有高的打印效率，还有更高的打印精度。但是，由于DMD为面阵光源，无法通过振镜的反射镜偏转，来实现在整个打印幅面进行图像打印，因为，在其光束通过振镜反射镜后，振镜角度如果发生偏转，DMD的平面经过不同角度反射后与激光打印工作面的夹角也会随时发生变化，即使光路中有F-Theta场镜，也无法实现DMD的成像面与打印工作面重合，如图1所示。因此，使用DMD面阵曝光进行3D打印时，只能在水平面上使用导轨和直线电机，带动着打印头进行水平移动来进行全幅面的打印，为了能够满足金属烧结的工艺要求以及实现较高的打印效率，打印头模块移动的频次可能高达每秒十几次到几十次，每次移动均需要对整个打印头模块进行加速，移动到位后减速静止，并精确停留在下一个打印位置，而且频率要超过10HZ，对于重达数公斤的打印头模块，其电机驱动能力要求极为苛刻，并且过于大的加速度也会让打印头内部的各光学器件出现位置松动等问题；其次，使用DMD面阵反射激光进行3D打印时，金属粉末熔化需要的激光束能量太高，DMD器件无法承受这么高的激光能量，DMD器件的寿命不长，导致维护成本较高。

发明内容

本发明提供了一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，以解决现有基于DMD器件的3D打印装置存在的打印过程中打印头无法连续匀速运动、DMD器件无法承受高能量激光导致的DMD器件寿命短的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其包括以下步骤：通过驱动装置匀速移动打印头，打印头匀速移动过程中，向打印工作面发射第一激光束、第二激光束和第三激光束；所述的第三激光束为线形激光束，用于将金属粉末从常温加热至熔点温度；所述的第二激光束为面阵激光束，用于对加热至熔点的金属粉末保温；所述的第一激光束通过DMD器件反射后垂直投影至打印工作面上，用于融化金属粉末；

所述第一激光束由第一激光器发出，第一激光器为脉冲激光器，当打印头在打印工作面上保持匀速移动过程中，打印头每到下一个打印成像位置时，第一激光器打开激光脉冲进行曝光打印，第一激光器的脉冲时间宽度为：

其中，τ为脉冲时间宽度，v打印头移动速度，δ为允许打印的图案误差。

优选地，所述的第一激光束和第二激光束投影至打印工作面上形成的光斑均为面阵光斑，第二激光束在打印工作面上形成的光斑尺寸大于第一激光束在打印工作面上形成的光斑尺寸，且第二激光束和第一激光束在打印工作面上形成的面阵光斑的中心重合，所述的第三激光束投影至打印工作面上形成的光斑为线型光斑，线型光斑位于第二激光束在打印工作面上形成的面阵光斑的运动方向的前方，且线型光斑紧贴第二激光束在打印工作面上形成的面阵光斑，线型光斑的宽度与第二激光束投影至打印工作面上形成的面阵光斑的宽度相同。

优选地，所述的第一激光束、第二激光束和第三激光束的功率分别为：

P1＝ρ·v·h·J·S1，

P3·t0＝ncρSh(T1-T0)，

其中，S1为第一激光束横截面面积，S为激光束的横截面面积，h为金属粉末厚度，ρ为金属的密度，c为金属比热，v为打印头移动速度，T1为金属粉末的温度，T0为当前的环境温度以及金属粉末起始温度，J为金属熔解热，P1为第一激光束的功率，P2为第二激光束的功率，P3为第三激光束的功率，n为金属对激光的吸收率，t0激光加热该区域金属粉末的时间。

优选地，所述的第一激光束垂直射到打印工作面上，所述的第二激光束和第三激光束均倾斜射到打印工作面上。

优选地，所述的第二激光束由第二激光器发出并通过成像镜头聚焦至打印工作面上，所述的第三激光束由第三激光器发出并通过成像镜头聚焦至打印工作面上。

优选地，所述的第二激光束和第三激光束是通过光束整形模块对第二激光器发出的激光进行分束和整形获得的，光束整形模块包括用于将第二激光器发出的激光分束成第二激光束和第三激光束的分光镜、用于将第二激光束整形为截面为面阵光斑的鲍威尔棱镜组、用于反射第三激光束并将第三激光束的方向调整至与第二激光束平行的反射镜，以及用于将第三激光束整形为线型光束的鲍威尔棱镜；所述的第二激光束和第三激光束通过一个成像镜头聚焦至打印工作面上。

优选地，所述的驱动装置包括X轴导轨和Y轴导轨，Y轴导轨安装于X轴导轨上，并与X轴导轨滑动连接，所述的打印头安装于Y轴导轨，并与Y轴导轨滑动连接。

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.本发明涉及的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法将用于融化金属粉末的第一激光器设置为脉冲激光器，且通过打印头的移动速度设定脉冲激光器的脉冲时间宽度，以确保DMD面阵3D金属打印装置的打印头在保持匀速移动的情况下完成扫描打印，避免打印头内部各光学器件在加速、减速过程中出现位置松动等问题，提高了打印头的使用寿命，减少打印头的维护成本。

2.本发明涉及的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法在移动打印头的过程中，向打印工作面发射第一激光束、第二激光束和第三激光束；第三激光束为线形激光束，用于将金属粉末从常温加热至熔点温度，这里的熔点温度是指无限接近金属粉末熔点但尚未熔化为液态的温度；第二激光束为面阵激光束，用于对加热至该温度的金属粉末保温；第一激光束通过DMD器件反射后垂直投影至打印工作面上，用于融化金属粉末；如此，可降低第一激光束的能量，使得第一激光束的能量处于DMD器件能够承受的范围内，保证DMD器件的使用寿命。

附图说明

图1是DMD面阵3D金属打印无法通过改变振镜角度进行扫描的原理图；

图2是DMD面阵3D金属打印的结构示意图；

图3是实施例1中涉及的打印头的结构示意图；

图4是三束激光束投影至打印工作面上时形成的组合光斑位置关系图；

图5是线型激光光斑以匀速扫描过金属粉末时金属粉末的温度分布变化图；

图6是面阵激光光斑以匀速扫描过金属粉末时金属粉末的温度分布变化图；

图7是第二激光束和第三激光束形成的组合光斑以匀速扫描金属粉末时，金属粉末的温度分布变化；

图8是第一激光束、第二激光束和第三激光束的功率密度对比图；

图9是实施例2中涉及的打印头的结构示意图；

图10是实施例2中打印头形成第二激光束和第三激光束的原理图。

图示说明：1-打印头，10-第一激光器，11-第一激光束，12-第二激光器，13-第二激光束，14-第三激光器，15-第三激光束，16-DMD器件，17-成像镜头，18-光束振镜模块，181-分光镜，182-鲍威尔棱镜组，183-反射镜，184-鲍威尔棱镜，2-打印工作面，3-驱动装置，31-X轴导轨，32-Y轴导轨，4-振镜。

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

本发明涉及的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法是基于图2所示的打印装置实现的，该打印装置包括打印工作面2、设置于打印工作面2上方的驱动装置3和打印头1，驱动装置3包括X轴导轨31和Y轴导轨32，Y轴导轨32滑动连接于X轴导轨31上，打印头1滑动连接于Y轴导轨32，该结构属于常规技术，X轴导轨31如何驱动Y轴导轨32、Y轴导轨32如何驱动打印头1等具体方案，本实施例不再详细阐述。

参照附图2和3所示，本发明涉及的一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其包括以下步骤：通过驱动装置3匀速移动打印头1，所示的打印头1包括第一激光器10、第二激光器12和第三激光器14，第一激光器10、第二激光器12和第三激光器14分别配置一个成像镜头17，其中，第一激光器10和与其配合的成像镜头17之间设置有DMD器件16，第一激光器10为脉冲激光器，脉冲时间宽度为：

其中，τ为脉冲时间宽度，v打印头1移动速度，δ为允许打印的图案误差。

打印过程中，打印头1在打印工作面2上保持匀速移动，每到下一个打印成像位置时，第一激光器10打开激光脉冲，进行曝光打印。脉冲激光器激光打开时间的占空比很低，每个激光脉冲持续的时间很短，因此，在第一激光器10烧结打印时，尽管打印头1处在匀速运动状态，但其在第一激光器10打开激光烧结打印的这个脉冲时间内移动量很小，对打印图像造成的误差可以忽略。

打印头1匀速移动过程中，向打印工作面2发射第一激光束11、第二激光束13和第三激光束15，所述的第三激光束15通过成像镜头17聚焦成为线形激光束，倾斜射到打印工作面2上；所述的第二激光束13通过成像镜头17聚焦成为面阵激光束，倾斜射到打印工作面2上；所述的第一激光束11通过DMD器件16反射后再通过成像镜头17聚焦成为面阵激光束，并垂直投影至打印工作面2上。上述第一激光束11和第二激光束13投影至打印工作面2上形成的光斑均为面阵光斑，第二激光束13在打印工作面2上形成的光斑尺寸大于第一激光束11在打印工作面2上形成的光斑尺寸，且第二激光束13和第一激光束11在打印工作面2上形成的面阵光斑的中心重合，所述的第三激光束15投影至打印工作面2上形成的光斑为线型光斑，线型光斑位于第二激光束13在打印工作面2上形成的面阵光斑的运动方向的前方，且线型光斑紧贴第二激光束13在打印工作面2上形成的面阵光斑，线型光斑的宽度与第二激光束13投影至打印工作面2上形成的面阵光斑的宽度相同，由于第三激光束15用于将金属粉末加热至熔点温度(无限接近金属粉末熔点但尚未熔化为液态的温度)，因此将第三激光束聚焦成线型光束，可将第三激光束的能量聚集在一条线上，使得第三激光束能够迅速对金属粉末进行升温。三束激光束投影至打印工作面2上后，形成如图4所示的组合光斑。

金属3D打印使用激光将金属粉末在极短的时间内，由常温加热到金属熔点，将其熔化为液态，激光光点扫描过后，液态金属凝固，便成为了打印完成的金属零件。以最常用的316L不锈钢材料为例，其比热为0.502J/g.℃，其溶解热为33.6J/g，熔点约为1400℃，激光光点将不锈钢粉末材料由常温(如20℃)加热至熔点并且熔化为液态，以1g金属粉末使用的能量为例，将粉末由常温加热到熔点需要692.76J，将粉末由固态熔化为液态则需要33.6J能量，激光在3D金属打印中，用于加热金属粉末的能量占比超过95％，由此可见金属3D打印，能量消耗最大的部分是用于将金属粉末加热。本实施例在打印头1匀速移动过程中，第三激光束15用于将金属粉末从常温加热至接近金属粉末熔点但尚未熔化为液态的温度，第二激光束13用于对加热至该温度的金属粉末保温，第一激光束11用于融化金属粉末。

使用辅助加热的激光光斑给金属粉末加热，随着金属粉末的温度升高，金属粉末也开始向外传播散发热量，散热传导的情况比较复杂，有通过金属粉末固体间传热，也有通过空气对流传热，但是无论固体传热还是空气对流传热，其传热速度均与金属粉末与环境的温差成正比，假定此系数为k，热量损失的功率Q与当前金属粉末的温度T、环境温度T0以及金属粉末的散热面积S的关系式如下：

Q＝kS(T-T0)，

假定激光束的横截面面积为S，金属粉末厚度为h，金属的密度为ρ，金属比热为c，打印速度为v，金属粉末的温度为T，当前的环境温度以及金属粉末起始温度为T0，金属熔解热为J，激光束功率为P，金属对激光的吸收率为n，激光加热该区域金属粉末的时间为t0，则第一激光器10和第二激光器12的总功率P与粉末的温度有如下关系：

该公式的前半部分为激光加热金属粉末时，金属粉末的温度上升关系式，后半部分为金属粉末温度升高，开始向环境进行热量散发。由此式可以得到常规的线型激光光斑和面阵激光光斑以匀速扫描金属粉末时，金属粉末的温度分布变化如图5和图6所示。通过第二激光束13和第三激光束15整形出的组合激光光斑，其能量分布包含一个高功率密度的线型光斑(第三激光束15光斑)和相对低能量密度的面阵光斑(第二激光束13光斑)。第三激光束15的光斑用于加热金属粉末，第二激光束13的光斑用于保持金属粉末的温度不再降低，假定第二激光束13的光斑激光能量为P2，第三激光束15的光斑能量为P3，当前需要加热维持的金属粉末温度为T1，该温度略低于金属粉末熔点，则有如下关系式：

第二激光束13和第三激光束15的功率分别为：

P3·t0＝ncρSh(T1-T0)，

其中，S1为第一激光束11横截面面积，S为激光束的横截面面积，h为金属粉末厚度，ρ为金属的密度，c为金属比热，v为打印头1移动速度，T1为金属粉末的温度，T0为当前的环境温度以及金属粉末起始温度，J为金属熔解热，P1为第一激光束11的功率，P2为第二激光束13的功率，P3为第三激光束15的功率，n为金属对激光的吸收率，t0激光加热该区域金属粉末的时间。

此时，第二激光束13和第三激光束15形成的组合光斑以匀速扫描金属粉末时，金属粉末的温度分布变化如图7所示，使用此方法，可以实现在匀速扫描时，激光光斑能在某个特定的区域内，使金属粉末的温度保持一个相对较高的温度T1，该区域的面积与第二激光束13光斑尺寸相等，并大于第一激光束11的光斑。

上述第一激光束11的光斑用于融化金属粉末，第一激光束11的功率P1为：

P1＝ρ·v·h·J·S1，

其中，S1为第一激光束11横截面面积，ρ为金属的密度，v为打印头1移动速度，h为金属粉末厚度，J为金属熔解热。

最终，第一激光束11、第二激光束13和第三激光束15的功率密度对比图如图8所示(该图仅表示三个组成光斑的能量密度分布，不表示激光光斑的相对位置关系)；由此可知，采用此方法可降低第一激光束11的能量，使之在DMD器件16能够承受的范围内。

实施例2

本实施例与实施例1相比，仅打印头1的结构不同，参照附图9所示，本实施例中，打印头1包括第一激光器10和第二激光器12，第一激光器10和第二激光器12分别配置一个成像镜头17，其中，第一激光器10和与其配合的成像镜头17之间设置有DMD器件16，第一激光器10为脉冲激光器，脉冲时间宽度的计算公式与实施例1相同。第一激光器10和与其配合的成像镜头17之间设置有光束整形模块18，第二激光束13和第三激光束15是通过光束整形模块18对第二激光器12发出的激光进行分束和整形获得，参照附图10所示，光束整形模块18包括用于将第二激光器12发出的激光分束成第二激光束13和第三激光束15的分光镜181、用于将第二激光束13整形为截面为面阵光斑的鲍威尔棱镜组182、用于反射第三激光束15并将第三激光束15的方向调整至与第二激光束13平行的反射镜183，以及用于将第三激光束15整形为线型光束的鲍威尔棱镜184；所述的第二激光束13和第三激光束15通过一个成像镜头17聚焦至打印工作面2上。本实施例的打印方法及原理均与实施例1相同，本实施例不再阐述。

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 (5)

1.一种匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其特征在于：其包括以下步骤：通过驱动装置匀速移动打印头，打印头匀速移动过程中，向打印工作面发射第一激光束、第二激光束和第三激光束；所述的第三激光束为线形激光束，用于将金属粉末从常温加热至无限接近金属粉末熔点但尚未熔化为液态的温度；所述的第二激光束为面阵激光束，用于对加热至无限接近金属粉末熔点但尚未熔化为液态的温度的金属粉末保温；所述的第一激光束通过DMD器件反射后垂直投影至打印工作面上，用于融化金属粉末；

所述第一激光束由第一激光器发出，第一激光器为脉冲激光器，当打印头在打印工作面上保持匀速移动过程中，打印头每到下一个打印成像位置时，第一激光器打开激光脉冲进行曝光打印，第一激光器的脉冲时间宽度为：

，

其中，τ为脉冲时间宽度，v打印头移动速度，δ为允许打印的图案误差；

所述的第一激光束和第二激光束投影至打印工作面上形成的光斑均为面阵光斑，第二激光束在打印工作面上形成的光斑尺寸大于第一激光束在打印工作面上形成的光斑尺寸，且第二激光束和第一激光束在打印工作面上形成的面阵光斑的中心重合，所述的第三激光束投影至打印工作面上形成的光斑为线型光斑，线型光斑位于第二激光束在打印工作面上形成的面阵光斑的运动方向的前方，且线型光斑紧贴第二激光束在打印工作面上形成的面阵光斑，线型光斑的宽度与第二激光束投影至打印工作面上形成的面阵光斑的宽度相同；所述的第一激光束、第二激光束和第三激光束的功率分别为：

，

，

，

其中，S1为第一激光束横截面面积，S2为激光束的横截面面积，h为金属粉末厚度，ρ为金属的密度，c为金属比热，v为打印头移动速度，T1为金属粉末的温度，T0为当前的环境温度以及金属粉末起始温度，J为金属熔解热，P1为第一激光束的功率，P2为第二激光束的功率，P3为第三激光束的功率，n为金属对激光的吸收率，t0为激光加热该区域金属粉末的时间，金属粉末向外传播散发热量的传热速度与金属粉末与环境的温差成正比，其系数为k，且满足：

，

其中，S3为金属粉末的散热面积，Q为热量损失的功率，T1为金属粉末的温度，T0为当前的环境温度以及金属粉末起始温度。

2.根据权利要求1所述的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其特征在于：所述的第一激光束垂直射到打印工作面上，所述的第二激光束和第三激光束均倾斜射到打印工作面上。

3.根据权利要求1所述的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其特征在于：所述的第二激光束由第二激光器发出并通过成像镜头聚焦至打印工作面上，所述的第三激光束由第三激光器发出并通过成像镜头聚焦至打印工作面上。

4.根据权利要求1所述的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其特征在于：所述的第二激光束和第三激光束是通过光束整形模块对第二激光器发出的激光进行分束和整形获得的，光束整形模块包括用于将第二激光器发出的激光分束成第二激光束和第三激光束的分光镜、用于将第二激光束整形为截面为面阵光斑的鲍威尔棱镜组、用于反射第三激光束并将第三激光束的方向调整至与第二激光束平行的反射镜，以及用于将第三激光束整形为线型光束的鲍威尔棱镜；所述的第二激光束和第三激光束通过一个成像镜头聚焦至打印工作面上。

5.根据权利要求1所述的匀速移动的DMD面阵3D金属打印方法，其特征在于：所述的驱动装置包括X轴导轨和Y轴导轨，Y轴导轨安装于X轴导轨上，并与X轴导轨滑动连接，所述的打印头安装于Y轴导轨，并与Y轴导轨滑动连接。