CN116984631A - 一种集成式多激光定向扫描的3d打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法，包括包括打印仓模块、构建仓模块、铺粉模块、循环过滤模块、控制模块和光学模块；所述光学模块的数量至少为一个，且每个所述光学模块包括至少两组激光标准单元；所述激光标准单元相互并列设置且整体封装而成；每组所述激光标准单元对所述打印平台均实现激光全覆盖；本申请通过系统实现了更高温度预热；采取精确定向加热，减少热影响区，进而降低加热引发的不利影响，有效地解决了残余应力问题；加速加热升温速度，消除冷却等待；针对熔池实际状态的实现动态加热；加热实施动态精细控制；加热打印两不误；提高了系统稳定性；拼接策略更灵活；提高生产效率，使可加工粉末材料范围更广。

Description

一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法

技术领域

本发明涉及激光熔化增强材料制造技术领域，具体涉及一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法。

背景技术

选区激光熔化成形技术（也称SLM技术），是金属材料增材制造中的一种主要技术途径，该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。

SLM工艺是一种快冷快热的加工过程，对于金属材料，受激光照射熔化后快速冷却，其内部往往伴随内应力，这种应力的存在会造成零件变形，内外裂纹甚至开裂；传统的主流解决方案是对打印平台底部电加热，提高粉末床温度，减少温度梯度，弱化热应力的影响结果，具体的实施方式是将打印基板安装在一个可以加热的平台上，打印前通过平台预热提高基板的工作温度；但是存在以下缺陷：电加热不均匀；电加热会引发基板变形，特别是厚度普遍较大的钛合金基板；加热和冷却过程均需要花费时间，造成取件等待时间长；电加热随着打印不断进行，热源距离打印面越来越远，加热的效果在递减弱化；电加热存在漏电风险，存在操作安全隐患；电加热属于整体加热，可加热温度有限，市场普遍最高200℃；整体电加热容易造成粉末结块，导致打印平台运动不畅甚至卡缸，打印精度无法得到保证。

扫描振镜作为控制激光选区扫描的核心光学元件，其通过高速变换镜片角度，将激光快速反射到打印平面的指定位置，随着SLM设备的发展，设备打印尺寸越来越大，打印效率要求越来越高，单台SLM设备的激光数量不断增加，依据公开报道，目前单台SLM设备最多使用16路激光打印；目前，市场上多激光打印的方式主要分为两种，第一种为固定区域打印，即每个激光负责整个幅面的一部分，采用多激光拼接方式最终实现全幅面打印，以静态聚焦居多；第二种为全域打印，即每个激光可以覆盖整个打印区域，从而实现更高效打印和搭接设置更灵活，但每个扫描头独立存在；也存在以下缺陷：A、第一种方式二维扫描头空间体积大，造成多个扫描振镜重叠区小，要实现更大重叠区，则需要增大整个光学系统的工作高度，但这对于振镜扫描精度达到0.05mm甚至更高非常不利；现有的扫描策略受硬件限制较多；B、现有第二种方式每个扫描头独立存在，整体拼接精度严重依赖后期设备装配，校准难度大，多激光系统聚焦平面难共面，系统刚性差，振镜扫描精度稳定性差，容易存在搭接精度快速丢失；光斑大小单一，无法更高效生产；波长单一，限制打印材料。

基于上述现有的问题，研发涉及了一款集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法，有效地解决了残余应力问题，解决了打印材料范围限制问题，提高了生产的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统，包括打印仓模块、构建仓模块、铺粉模块、循环过滤模块、控制模块和光学模块；

所述打印仓模块用于提供打印的惰性环境，以及铺粉运动的空间；

所述构建仓模块内部设有可升降的打印平台，配合打印仓模块、铺粉模块及光学模块进行产品的打印加工；

所述铺粉模块为所述构建仓模块中的打印平台铺设一层定量厚度的粉末；

所述循环过滤模块对所述打印仓模块、构建仓模块及光学模块加工生产的烟尘进行过滤；

所述控制模块与所述打印仓模块、构建仓模块、铺粉模块、循环过滤模块和光学模块进行连接，并控制其工作运行；

所述光学模块的数量至少为一个，且每个所述光学模块包括至少两组激光标准单元；所述激光光学模块除激光器以外相互并列设置且整体封装而成；每组所述激光标准单元对所述打印平台均实现激光全覆盖。

优选地一种方案，所述激光标准单元包括激光器、准直镜、扫描振镜和聚焦镜；

所述激光器用于发射加工所需的激光束；

所述准直镜用于对激光器发射的发散激光束进行发散角压缩，使其达到平行激光束传输；

所述扫描振镜将准直镜传输的平行激光束进行反射；

所述聚焦镜将扫描振镜反射后的平行激光束聚焦为熔化金属粉末的光斑；

所述激光器、准直镜、扫描振镜和聚焦镜依次按序从上至下设置。

优选地一种方案，所述光学模块的激光标准单元将通过扫描振镜得到的重叠区作为3D打印设备的打印区域。

优选地一种方案，所述激光器为单模激光器或单模/多模可在线切换激光器。

优选地一种方案，所述激光器的光束空间分布为高斯分布、平顶分布或M形分布中的一种。

优选地一种方案，所述光学模块的激光标准单元中，至少有一组激光器的激光波长为特殊波段，其余组激光器的激光波长为常规波段。

优选地一种方案，所述聚焦镜为F-theta平面场镜或动态聚焦镜。

优选地一种方案，所述光学模块包括预热模块和打印模块，且所述预热模块具有所述打印模块的打印功能。

优选地一种方案，所述预热模块通过激光器作用于打印平台铺设的粉末表面，粉末吸收激光能量升温进行定向局部加热。

优选地一种方案，所述预热模块中聚焦镜聚焦的光斑尺寸与所述打印模块中聚焦镜聚焦的光斑尺寸相同或不同。

一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，包括如下步骤：

S1，在铺粉模块中装入原材料粉末后，控制模块控制铺粉模块为构建仓模块中的打印平台铺设一层定量厚度的粉末，并控制打印仓模块启动提供惰性保护气体；

S2，控制模块控制光学模块进行加工，选择相应的预热模块和打印模块进行运作启动；

S3，光学模块根据打印产品的材质及数据参数选择控制预热模块和打印模块中相应的激光标准单元进行启动；

S4，预热模块控制相应的激光标准单元对打印平台上的粉末进行预热，打印模块控制相应的激光标准单元对预热的粉末进行打印，预热模块和打印模块同步运行，且分别通过控制光斑尺寸来进行加工；

S5，当构建仓模块中的打印平台上一层扫描打印结束后，控制模块控制打印平台下降一个层厚；

S6，重复步骤S1-S5，直到打印完成。

优选地一种方案，在步骤S1-S5中，循环过滤模块全程开启对产品加工的过滤保护。

优选地一种方案，在步骤S4中，预热模块和打印模块的光斑尺寸通过聚焦镜来进行控制；预热模块和打印模块的光斑之间的距离通过调整激光的出光时间来实现。

优选地一种方案，在步骤S4中，预热模块中的激光标准单元和打印模块中的激光标准单元根据材料及产品选择性开启。

由于上述技术方案的运用，本申请与现有技术相比的有益效果在于：

本申请提供的一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统及方法，通过系统实现了更高温度预热；采取精确定向加热，减少热影响区，进而降低加热引发的不利影响，有效地解决了残余应力问题；加速加热升温速度，消除冷却等待；针对熔池实际状态的实现动态加热；加热实施动态精细控制；加热打印两不误。

另外，本申请实现了更紧凑的多激光扫描系统布局，减小扫描系统空间尺寸过大带来的不利影响；光学模块整体封装，提高多激光聚焦一致性，提高了系统稳定性；所有激光可覆盖整个打印幅面，拼接策略更灵活；实现大小光斑组合使用，提高了生产效率；通过多波段设置使可加工粉末材料范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统的结构示意图；

图2为本发明的光学模块中四组激光标准单元全覆盖光路示意图；

图3为本发明的一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法的流程示意图；

其中：1、打印仓模块；2、构建仓模块；3、铺粉模块；4、循环过滤模块；5、控制模块；6、光学模块；7、打印平台；8、激光标准单元；9、激光器；10、准直镜；11、扫描振镜；12、聚焦镜；13、预热模块；14、打印模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

请参见图1和图2，本申请提供一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统，包括打印仓模块1、构建仓模块2、铺粉模块3、循环过滤模块4、控制模块5和光学模块6；

所述打印仓模块1用于提供打印的惰性环境，以及铺粉运动的空间；

所述构建仓模块2内部设有可升降的打印平台7，配合打印仓模块1、铺粉模块3及光学模块6进行产品的打印加工；

所述铺粉模块3为所述构建仓模块2中的打印平台7铺设一层定量厚度的粉末，粉末根据产品参数数据进行设置；

所述循环过滤模块4对所述打印仓模块1、构建仓模块2及光学模块6加工生产的烟尘进行过滤；

所述控制模块5与所述打印仓模块1、构建仓模块2、铺粉模块3、循环过滤模块4和光学模块6进行连接，并控制其工作运行；

所述光学模块6的数量至少为一个，且每个所述光学模块6包括至少两组激光标准单元8；所述激光标准单元8相互并列设置且整体封装而成；每组所述激光标准单元8对所述构建仓模块2中的打印平台7均实现激光全覆盖；所述光学模块6包括预热模块13和打印模块14，且所述预热模块13具有所述打印模块14的打印功能，预热模块13是通过激光作用于粉床表面，粉末吸收激光能量会升温，实现定向预热，即指的其实是局部加热，这相比加热板式的大面加热而言的，因为激光光斑大小有限，所以可以实现局部加热，通过扫描振镜11实现预热模块13和打印模块14的同步；打印模块14和预热模块13的光路相同，唯一不同是聚焦光斑大小，光斑大小是由光路整体设计而定的，激光的移动是依靠扫描振镜11实现的，扫描振镜11将激光从顶部反射到打印平面，扫描振镜11可以偏转，不同偏转角度激光会到达不同位置；所述预热模块13通过激光器9作用于打印平台7铺设的粉末表面，粉末吸收激光能量升温进行定向局部加热；所述预热模块13中聚焦镜12聚焦的光斑尺寸与所述打印模块14中聚焦镜12聚焦的光斑尺寸相同或不同；

所述激光标准单元8包括激光器9、准直镜10、扫描振镜11和聚焦镜12；

所述激光器9用于发射加工所需的激光束；所述激光器9为单模激光器9或单模/多模可在线切换激光器9，根据需要进行选择；所述激光器9的光束空间分布为高斯分布、平顶分布或M形分布中的一种；

所述准直镜10用于对激光器9发射的发散激光束进行发散角压缩，使其达到平行激光束传输；

所述扫描振镜11将准直镜10传输的平行激光束进行反射；

所述聚焦镜12将扫描振镜11反射后的平行激光束聚焦为熔化金属粉末的光斑；所述聚焦镜12为F-theta平面场镜或动态聚焦镜12；

所述激光器9、准直镜10、扫描振镜11和聚焦镜12依次按序从上至下设置；

所述光学模块6的激光标准单元8通过扫描振镜11得到的重叠区作为3D打印设备的打印区域；

所述光学模块6的激光标准单元8中，至少有一组激光器9的激光波长为特殊波段，比如激光波长为532nm，能够用于铜合金材料的加工，铜合金对532nm的激光波长吸收率比较高；比如激光波长为515nm、355nm等非常规波长；其余组激光器9的激光波长为常规波段，如激光波长为1060-1080nm，应用于常规材料的加工；通过这样的设计搭配，使设备系统可以加工的材料范围扩展。

进一步的对整个系统进行如下说明：

使用情况一：

整个光学系统中，预热模块13和打印模块14成对存在，即一半光学模块6中的激光标准单元8作为预热激光，另外一半光学模块6中的激光标准单元8作为打印激光，预热激光靠前预热，打印激光滞后打印，时间差可以根据打印需要进行调整，加热功率恒定，预热激光不限于服务于一个打印激光。

使用情况二：

一半光学模块6中的激光标准单元8作为预热激光，另外一半光学模块6中的激光标准单元8作为打印激光，预热激光和打印激光成对存在，预热激光滞后预热，打印激光提前打印，时间差可调，加热功率恒定，预热激光不限于服务于一个打印激光。

使用情况三：

一半光学模块6中的激光标准单元8作为预热激光，另外一半光学模块6中的激光标准单元8作为打印激光，预热激光和打印激光成对存在，预热激光滞后预热，打印激光提前打印，时间差可调，加热功率恒定，预热激光固定服务于一个打印激光。

使用情况四：

所有光学模块6中的激光标准单元8同时打印，无预热，使用预热模块13具有打印模块14的打印功能。

使用情况五：

加工中，设备的熔池温度通过高速红外相机采集并反馈给控制模块5，预热模块13中激光器9的功率实时进行调整。

使用情况六：

基于打印构件的温度场分布，采用预热模块13独立预热，打印模块14独立打印的策略进行产品的加工。

本申请提供的一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统，实现了更高温度预热，解决了传统预热方案中给基板整体底部加热，但加热不均匀，最大加热温度有限，而且有副作用的问题；采取精确定向加热，减少热影响区，进而降低加热引发的不利影响，有效地解决了残余应力问题；加速加热升温速度，消除冷却等待，预热和打印时同时进行的，不分先后，解决了现有设备需要先预热才能打印的问题；针对熔池实际状态的实现动态加热，加热实施动态精细控制，加热打印两不误。

实施例二

请参见图3，本申请提供一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，包括如下步骤：

S1，在铺粉模块3中装入原材料粉末后，控制模块5控制铺粉模块3为构建仓模块2中的打印平台7铺设一层定量厚度的粉末，并控制打印仓模块1启动提供惰性保护气体；

S2，控制模块5控制光学模块6进行加工，选择相应的预热模块13和打印模块14进行运作启动；

S3，光学模块6根据打印产品的材质及数据参数选择控制预热模块13和打印模块14中相应的激光标准单元8进行启动；

S4，预热模块13控制相应的激光标准单元8对打印平台7上的粉末进行预热，打印模块14控制相应的激光标准单元8对预热的粉末进行打印，预热模块13和打印模块14同步运行，且分布通过控制光斑尺寸来进行加工；具体的，预热模块13和打印模块14的光斑尺寸通过聚焦镜12来进行控制，预热模块13和打印模块14的光斑之间的距离通过调整激光的出光时间差来实现，预热模块13的光斑记为预热光斑，打印模块14的光斑记为打印光斑，以方便后续具体讲解，这一步骤中分为2种加工方式，方式一：预热光斑在打印光斑之前，方式二：预热光斑在打印光斑之后；这2种方式中，两个光斑之间的距离依靠固定时间差调节，两个光斑的前后关系通过时间参数正负调节，大于0，预热光斑在前，小于0，打印光斑在前；

预热模块13中的激光标准单元8和打印模块14中的激光标准单元8根据材料及产品选择性开启，在打印平台7的中间重叠区作为产品最终打印区域，在激光标准单元8进行加工时，可以选择其中任意1组加工，也可以选择2/3/4组同时加工；高效率模式下，采用多组激光同时加工；高精度模式下，采用多组激光交替加工；当需要进行特殊材料加工时，如铜合金材料，对常规波段1060-1080nm的波长吸收率很低，但是铜合金对激光波长532nm的吸收率比较高，这时将光学模块6的激光标准单元8中具有特殊波段的一组激光器9开启，其激光波长设置为532nm，其余关闭，对铜合金材料进行加工；特殊波段还可以是激光波长为515nm、355nm等非常规波长，根据不同材料进行自主选择；

S5，当构建仓模块2中的打印平台7上一层扫描打印结束后，控制模块5控制打印平台7下降一个层厚；

S6，重复步骤S1-S5，直到打印完成。

为了更好的起到生产保护，在步骤S1-S5中，循环过滤模块4全程开启对产品加工的过滤保护，防止加工烟尘影响产品和设备。

本申请实现了更紧凑的多激光扫描系统布局，减小扫描系统空间尺寸过大带来的不利影响；光学模块6整体封装，提高多激光聚焦一致性，提高了系统稳定性；所有激光可覆盖整个打印幅面，拼接策略更灵活；实现大小光斑组合使用，提高了生产效率；通过多波段设置使可加工粉末材料范围更广。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，包括打印仓模块、构建仓模块、铺粉模块、循环过滤模块、控制模块和光学模块；

所述打印仓模块用于提供打印的惰性环境，以及铺粉运动的空间；

所述构建仓模块内部设有可升降的打印平台，配合打印仓模块、铺粉模块及光学模块进行产品的打印加工；

所述铺粉模块为所述构建仓模块中的打印平台铺设一层定量厚度的粉末；

所述循环过滤模块对所述打印仓模块、构建仓模块及光学模块加工生产的烟尘进行过滤；

所述控制模块与所述打印仓模块、构建仓模块、铺粉模块、循环过滤模块和光学模块进行连接，并控制其工作运行；

所述光学模块的数量至少为一个，且每个所述光学模块包括至少两组激光标准单元；所述激光光学模块除激光器以外相互并列设置且整体封装而成；每组所述激光标准单元对所述打印平台均实现激光全覆盖。

2.如权利要求1所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述激光标准单元包括激光器、准直镜、扫描振镜和聚焦镜；

所述激光器用于发射加工所需的激光束；

所述准直镜用于对激光器发射的发散激光束进行发散角压缩，使其达到平行激光束传输；

所述扫描振镜将准直镜传输的平行激光束进行反射；

所述聚焦镜将扫描振镜反射后的平行激光束聚焦为熔化金属粉末的光斑；

所述激光器、准直镜、扫描振镜和聚焦镜依次按序从上至下设置。

3.如权利要求2所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述光学模块的激光标准单元将通过扫描振镜得到的重叠区作为3D打印设备的打印区域。

4.如权利要求2所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述激光器为单模激光器或单模/多模可在线切换激光器。

5.如权利要求4所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述激光器的光束空间分布为高斯分布、平顶分布或M形分布中的一种。

6.如权利要求2所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述光学模块的激光标准单元中，至少有一组激光器的激光波长为特殊波段，其余组激光器的激光波长为常规波段。

7.如权利要求2所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述聚焦镜为F-theta平面场镜或动态聚焦镜。

8.如权利要求2所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述光学模块包括预热模块和打印模块，且所述预热模块具有所述打印模块的打印功能。

9.如权利要求8所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述预热模块通过激光器作用于打印平台铺设的粉末表面，粉末吸收激光能量升温进行定向局部加热。

10.如权利要求9所述的集成式多激光定向扫描的3D打印系统，其特征在于，所述预热模块中聚焦镜聚焦的光斑尺寸与所述打印模块中聚焦镜聚焦的光斑尺寸相同或不同。

11.一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在铺粉模块中装入原材料粉末后，控制模块控制铺粉模块为构建仓模块中的打印平台铺设一层定量厚度的粉末，并控制打印仓模块启动提供惰性保护气体；

S2，控制模块控制光学模块进行加工，选择相应的预热模块和打印模块进行运作启动；

S3，光学模块根据打印产品的材质及数据参数选择控制预热模块和打印模块中相应的激光标准单元进行启动；

S4，预热模块控制相应的激光标准单元对打印平台上的粉末进行预热，打印模块控制相应的激光标准单元对预热的粉末进行打印，预热模块和打印模块同步运行，且分布通过控制光斑尺寸来进行加工；

S5，当构建仓模块中的打印平台上一层扫描打印结束后，控制模块控制打印平台下降一个层厚；

S6，重复步骤S1-S5，直到打印完成。

12.如权利要求11所述的一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，其特征在于，在步骤S1-S5中，循环过滤模块全程开启对产品加工的过滤保护。

13.如权利要求11所述的一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，其特征在于，在步骤S4中，预热模块和打印模块的光斑尺寸通过聚焦镜来进行控制；预热模块和打印模块的光斑之间的距离通过调整激光的出光时间差来实现。

14.如权利要求11所述的一种集成式多激光定向扫描的3D打印方法，其特征在于，在步骤S4中，预热模块中的激光标准单元和打印模块中的激光标准单元根据材料及产品选择性开启。