CN117162485A - 用于增材制造的光学系统、设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的光学系统、设备和方法，包括光学单元与升降装置，该光学单元被配置为产生作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融的激光束，并控制激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；该升降装置被配置为控制光学单元在z轴方向上进行升降，以促使激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。本发明能够使光斑不同高度上实现精准聚焦，降低散焦效应的发生，并适应不同打印需求。

Description

用于增材制造的光学系统、设备和方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种用于增材制造的光学系统、设备和方法。

背景技术

在传统的增材制造中，光学系统的焦点高度通常是固定的，适用于特定的打印平台或打印层次。然而，实际的增材制造应用中，为了满足不同的打印需求，不同的打印层次可能需要不同的焦点高度位置，以确保光斑在所需的高度位置上能够准确聚焦。

例如现有技术中可以通过场镜调节激光束的焦距以改变焦点在z轴所处高度位置，在调焦过程中，场镜可能引入光束的散焦效应，导致光束在一定距离内无法保持聚焦，从而导致焦点不在所需的高度位置上，降低了打印质量。并且在调焦过程中，场镜可能引入光学畸变，使光束在聚焦点附近发生不正常的光学效应，从而可能导致不均匀的能量分布和失真。

因此，现有技术中亟需一种能够自动调整焦点在z轴所处高度位置的光学系统，使光斑能够在不同高度上实现精准聚焦，以满足不同打印需求，提高打印质量，减少操作人员的工作负担，同时降低光学畸变和散焦效应对打印质量的不利影响。

发明内容

为了能够根据不同的打印需求自动调整焦点高度位置，本发明第一方面提供了一种用于增材制造的光学系统，包括：光学单元，被配置为产生作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融的激光束，并控制所述激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；升降装置，被配置为控制所述光学单元在z轴方向上进行升降，以促使所述激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。

优选地，所述不同高度的材料为同一层次，或者不同层次。

优选地，该光学系统还包括控制单元，用于根据所述三维对象在不同层次的打印需求控制所述升降装置升降，以自动调整焦点在材料上的高度位置。

优选地，所述打印需求包括上一层材料与下一层材料在以下至少一种的因素不同：层厚、打印路径偏差、材料特性、层间隙、打印速度。

优选地，所述打印平台为两个，分别为第一打印平台与第二打印平台，其中，所述第一打印平台与第二打印平台具有在z轴上不同的高度。

优选地，所述升降装置被进一步配置为在z轴上升降所述光学单元，使焦点以第一位置投射在所述第一打印平台的材料上，以第二位置投射在所述第二打印平台的材料上，其中，所述第一位置与第二位置具有在z轴上不同的高度。

优选地，所述至少一打印平台设置在一打印舱内，所述光学单元设置在所述打印舱的舱顶，所述光学单元发射的激光束透过所述舱顶的开口射入至所述打印舱内。

优选地，所述舱顶在所述升降装置的控制下沿z轴升降运动，以逐渐靠近或远离所述打印平台。

优选地，所述第一打印平台承载的材料被所述激光束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被高能X射线透射过所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；所述第二打印平台承载的材料被所述激光束逐层扫描以构建所述三维对象。

优选地，所述第一打印平台的宽度最小为所述熔池的宽度，最大为2mm。

由此可见，本发明实际上提供了一种能够自动调整焦点高度位置的光学系统，使光斑能够在不同高度上实现精准聚焦，适应不同打印需求，从而提高了打印质量。同时，本发明还提高了生产效率，减少了操作人员的工作负担，降低了光学畸变和散焦效应的发生，有助于保持光束的准确聚焦。

本发明第二方面提供了一种增材制造设备，包括用于承载材料的至少一打印平台以及前文描述的光学系统。

优选地，该增材制造设备包括高能X射线装置，用于发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

本发明第三方面提供了一种用于光学系统的控制方法，所述光学系统包括光学单元与升降装置，所述方法包括：控制所述光学单元产生的激光束作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融，并控制所述激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；控制所述升降装置带动所述光学单元在z轴方向上进行升降，以促使所述激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的光学系统作用在一个打印平台上的示意图；

图2是本发明一实施例的光学单元的结构示意图；

图3是本发明一实施例的不同高度的材料应用在不同层次的示意图；

图4是本发明一实施例的不同高度的材料应用在同一层次的示意图；

图5是本发明一实施例的光学系统作用在两个打印平台上的示意图；

图6、7、8分别是本发明一实施例的增材制造设备的结构示意图；

图9是本发明一实施例的第一打印平台的一种装配示意图；

图10是本发明一实施例的送料机构的结构及应用示意图；

图11是本发明一实施例的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一实施例，光学系统10呈现出如图1-2所示的结构。该光学系统10由光学单元11、升降装置12以及控制装置13等部件构成。

光学单元11被配置为产生激光束11a，并作用在打印平台21承载的材料21a上以对其进行烧结或熔融，在3D打印过程中，光学单元11控制激光束11a沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象。该光学单元11主要由激光器111、准直器112、振镜113以及场镜114等部件构成。其中，激光器111能够产生激光束11a，激光束11a从激光器111发出后，进入准直器112进行准直，以确保激光束11a的直线传播；而振镜113用于控制激光束11a的方向，可以通过调整其角度来改变激光束11a的位置，从而使其精确地照射到打印平台21上；场镜114则用于对激光束11a进行成形和聚焦，其可以调整激光束11a的横截面形状和焦距，以满足具体的打印需求。这些部件相互配合，将激光器111生成的激光束11a精确导向到打印平台21上，从而实现了激光束11a的精确照射和扫描。

升降装置12被配置为控制光学单元11在z轴方向上进行升降，以促使激光束11a的焦点在不同高度的材料21a上进行投射，即当光学单元11发射的激光束11a需要在不同高度的材料21a上进行投射时，升降装置12可以根据需要自动升降光学单元11，以确保焦点处在准确位置上。不同的打印需求可能需要在不同的高度位置上进行焦点的投射，例如，在一层打印完成后，可能需要将焦点高度上移以适应下一层的打印需求，或者在不同部分的材料21a上进行精确的焦点调整。升降装置12通过控制光学单元11的位置，使其能够在整个打印过程中保持焦点的准确投射，从而确保了打印质量的一致性。

光学单元11与升降装置12之间的自动控制通过控制装置13实现，控制装置13是一个智能化的控制系统，具有能够监测、分析和响应打印需求的能力。

示例性的，实际操作中，控制装置13会首先获取来自与三维对象（模型）对应的打印需求信息，该打印需求信息可能包括不同层次的打印要求，例如材料的高度分布、打印路径、速度等等。根据获取的打印需求信息，控制装置13会计算出每一层所需的焦点高度位置，计算完成后，控制装置13将与光学单元11和升降装置12进行通信，并根据计算出的焦点高度位置控制升降装置12自动调整光学单元11的位置，从而使光学单元11的焦点精确地投射到所需的材料高度上。该过程是动态的，即根据打印过程中不同层次的要求进行实时优化和调整。

通过控制装置13的自动化控制，能够高效地满足不同打印需求，无需人工干预，从而提高了增材制造的生产效率和打印质量的一致性。控制装置13的智能化使其能够快速响应变化的需求，确保焦点高度在整个打印过程中保持准确，从而实现了精确的激光焦点控制。

根据本发明的一实施例，不同高度的材料21a应用在不同层次时如图3所示，在打印平台21的最上层（当前层）为第n层时，激光束11a在某一扫描位置的焦点位于P1位置，P1接近第n层顶端的位置。随着打印的进行，当第n层打印完成后，打印平台21会被驱动下降一层，以在最上方承载新的材料层n+1，此时，为了适配第n+1层，激光束11a在某一扫描位置的焦点位置需要调整，即通过升降装置12实现该焦点高度的调整。升降装置12根据控制装置13的指令，自动调整激光束11a在第n+1层的焦点高度，将其移动到P2位置，P2位于第n+1层接近于中间的位置，随着焦点的调整完成，3D打印过程继续进行，激光束11a会在第n+1层的P2位置上形成焦点，进行打印。该过程会随着每一层的打印而重复，保证激光束11a的焦点高度始终与当前打印层的所需高度相匹配（在每一层所处的高度可能一样，也可能不一样），无需手动调整，从而提高了打印质量和生产效率。

其中，当第n层与第n+1的厚度一致时，第n层中的P1在第n+1层中对应的位置减去P2的位置，所产生的距离，即为升降装置12下降的距离。

根据本发明的一实施例，不同高度的材料21a应用在同一层次时如图4所示。当激光束11a扫描到位置q1时，控制装置13会自动调整激光束11a在q1的纵轴方向上的焦点位置，将焦点精确地投射在q1下方的P3处。此时P3的位置代表了焦点在第n层中所处的高度位置。随着激光束11a的继续向右扫描到位置q2，控制装置13再次自动调整激光束11a的焦点位置，将焦点精确地投射在q2的纵轴方向上的位置P4处。与P3相比，P4位于第n层的高度位置有所不同，以适应第n层的位置q2。如此，本实施例实现了在同一层次中具有不同高度材料时焦点高度的自动调整，确保了焦点在同一层不同位置的准确投射。

在一些实施例中，控制单元13在根据三维对象在不同层次的打印需求控制升降装置12升降以自动调整焦点在材料21a上的高度位置时，所指的打印需求例如为上一层材料与下一层材料在以下至少一种的因素不同。

<层厚>

3D打印中，激光束的焦点位置决定了在材料上进行烧结或熔融的区域，即熔池的位置。如果焦点过高，激光束可能在材料表面之上或之下烧结，导致打印层不粘附或与其他层不紧密连接；不同层次的材料可能需要在不同的高度位置上进行烧结或熔融，如果焦点高度没有调整，则可能会导致焦点在错误的位置，使打印层的形状和结构不符合打印要求。此外，不同材料的熔融或烧结温度可能不同，如果焦点位置不正确，可能会浪费能量或导致不完全烧结。

<打印路径偏差>

打印路径偏差可能导致激光束的运动轨迹与原始设计的路径不符，在此情况下，如果焦点高度不进行微调，激光束可能在错误的位置形成光斑，导致打印不准确；尤其对于较为复杂的结构，通常需要非常高的精度，路径偏差可能会带来微小的位置差异，而这些差异可能会在打印层之间叠加，导致打印效果不符合预期要求。

<材料特性>

不同的材料可能具有不同的光学特性，因此需要在焦点高度上进行调整，以适应材料的属性。

<层间隙>

3D打印中，每一层的材料通常需要在特定的深度处进行熔融或烧结，如果层与层之间的间隙发生变化，熔融深度也会相应改变，焦点高度的调整可以确保光斑聚焦在每一层所需的深度位置，以适应不同的层间隙；且层与层之间的间隙变化还有可能导致温度和材料粘度的变化，从而影响材料的流动性和熔融行为，通过调整焦点高度，可以在不同层次中适应温度和粘度的变化，确保材料的正确处理。此外，在层间隙变化较大的情况下，如果不进行焦点高度的调整，光学单元可能会出现散焦问题，从而导致光斑无法在正确的位置聚焦。

<打印速度>

打印速度的变化可能导致材料在不同层次的沉积速度不同，如果在某一层中材料沉积速度较快，光斑需要更快地跟随材料的沉积以保持焦点在所需的高度位置；相反，如果在某一层中材料沉积速度较慢，焦点需要相应地降低以适应慢速沉积。

根据本发明的一实施例，光学系统10的结构如图5所示。光学单元11发射的激光束11a被引导到两个不同的打印平台，即第一打印平台22和第二打印平台23上，这两个打印平台在z轴上具有不同的高度，因此需要在不同的高度位置上投射激光焦点。

升降装置12能够在z轴上升降光学单元11，其作用是使焦点位置得以调整以适应不同的打印平台高度。具体来说，当需要在第一打印平台22上打印时，激光束11a的光斑焦点落在第一位置P5，在这个位置上，激光束11a的焦点被精确地投射在第一打印平台22上的材料22a上，确保了焦点与当前打印层的高度匹配。当需要在第二打印平台23上打印时，升降装置12会控制光学单元11下降以使光斑落至第二位置P6，在这个位置上，激光束11a的焦点被调整并准确地投射在第二打印平台23上的材料23a上，确保焦点与第二打印平台23的高度匹配。应理解，第一位置P5和第二位置P6具有在z轴上不同的高度。

在一个示例中，例如当激光束11a完成对第一打印平台22的最后一个打印位置（假设为P5）的扫描后，需要转移到第二打印平台23的第一个打印位置（假设为P6）进行扫描。假设这两个位置之间的高度差为10cm。在此场景下，升降装置12会控制光学单元11下降10cm，以使焦点高度能够适应第二打印平台23的高度，这就意味着光学单元11会从第一位置P5降至第二位置P6，确保焦点位于第二打印平台23的材料23a上方。随后，激光束11a的方向或在x-y平面上的位置会相应地进行微调，以确保焦点准确地投射在第二打印平台23的第一个打印位置P6上，从而能够开始在该位置上进行打印。

应理解，第一打印平台22的材料22a与第二打印平台23上的材料23a均适用于图3描述的不同高度的材料应用在不同层次或图4描述的不同高度的材料应用在同一层次时的情况。

根据本发明的一实施例，增材制造设备30的结构如图6所示。该增材制造设备30具有一打印舱24，第一打印平台22与第二打印平台23均被容纳在该打印舱24内，光学单元11设置在打印舱24的舱顶24a上方，光学单元11发射的激光束透过舱顶24a的开口射入至打印舱24内，舱顶24a在升降装置12的控制下沿z轴升降运动，以逐渐靠近或远离第一打印平台22及第二打印平台23，进而通过升降装置12控制舱顶24a的高度，实现焦点高度的精确控制，以适应不同高度的第一打印平台22与第二打印平台23。

升降装置12例如可以是液压装置、气动装置、伺服电机丝杆驱动装置等提供往复直线运动动力的驱动机构。

例如，在图6示出的结构中，升降装置12由驱动部12a与4根丝杆12b构成，这4根丝杆12b在z轴方向均匀排列，并贯穿舱顶24a，舱顶24a能够在驱动部12a的带动下沿着丝杆12b上下运动，从而带动舱顶24a上方的光学单元11在z轴上实现精确的升降运动。

应理解，该增材制造设备30还具有例如图7示出的壳体25，以将光学单元11、升降装置12的升降部分以及打印舱24均容纳在其内部。

在图6-7示出的结构中，第一打印平台22与第二打印平台23安装在打印舱24的底部，即舱底24b上。

根据本发明的一实施例，增材制造设备30的结构如图8所示。打印舱24的舱底24b分别设置有舱口24b-1、24b-2及24b-3，第一打印平台22设置在舱口24b-1上，第二打印平台232设置在舱口24b-2上。

舱口24b-1的下方设置有供料器26a，舱口24b-2的下方设置有成形缸27，舱口24b-3的下方设置有供料器26b。供料器26a的下方设置有丝杠运动单元28a，成形缸27的下方设置有丝杠运动单元28b，供料器26b的下方设置有丝杠运动单元28c。在将第一打印平台22安装在舱口24b-1上时，其下方的供料器26a与丝杠运动单元28a不工作；在将第一打印平台22从舱口24b-1上拆卸后，舱口24b-1作为第二打印平台23的一个材料供给口，使供料器26a在丝杠运动单元28a的驱动下从与供料器26b相反的供料方向对第二打印平台23供料（应理解，供料器26b在丝杠运动单元28c的驱动下从与供料器26a相反的供料方向对第二打印平台23供料），在此设置下，即在供料器26a对第二打印平台23供料时，供料器26b可在刮刀（未图示）的作用下对第二打印平台23上的余料进行收集，同样的，当供料器26b对第二打印平台23供料时，供料器26a也可对第二打印平台23上的余料进行收集。

在第二打印平台23上进行零件打印时，丝杠运动单元28a驱动供料器26a内储存的材料向上运动以在舱口24b-1处溢出，通过控制设置在舱底24b上方的刮刀沿铺料方向运动以将在舱口24b-1处溢出的材料带动至第二打印平台23上方铺平，或者，丝杠运动单元28c驱动供料器26b内储存的材料向上运动以在舱口24b-3处溢出，通过控制设置在舱底24b上方的刮刀沿相反的铺料方向运动以将在舱口24b-3处溢出的材料带动至第二打印平台23上方铺平。

接着通过控制光学单元11按照预定的扫描轨迹发射激光束，对铺设在第二打印平台23上的材料进行烧结或熔融，至此完成一层材料的制造。在此之后，丝杠运动单元28b驱动安装在成形缸27内的第二打印平台23下降预设高度，以便进行下一层的材料铺设和加工。这个过程会重复，直到整个三维对象的最终成形。

作为一种选择，也可以不将第一打印平台22从舱口24b-1拆卸，仅使用供料器26b对第二打印平台23进行供料。

作为一种选择，也可以不在舱底24b设置舱口24b-3，相应的也取消供料器26b及丝杠运动单元28c的设置，在需要对第二打印平台23进行供料时，将第一打印平台22从舱口24b-1拆卸，以使用供料器26a对第二打印平台23进行供料。

参考图5所示，在一些实施例中，第一打印平台22作为一测试打印平台，主要用于实验性或测试性的打印目的，以便探索新的制造工艺、材料或参数配置。具体地，第一打印平台22被配置为接受至少一层材料22a的铺设，以便通过光学单元11发射的激光束11a扫描以在其表面形成熔池。激光束11a在材料22a表面作用的同时，第一打印平台22被来自于x轴方向的高能X射线33透射穿过熔池，进行衍射成像，以获得熔池内部组织物相的原位表征信息，从而为实验性打印过程提供了实时的材料微观结构信息，便于了解不同条件下的打印效果，进一步优化制造过程。

为了确保高能X射线33有效穿透熔池并透过第一打印平台22，一些实施例中的第一打印平台22被设置为接近于二维特征，也即在x轴方向上的宽度较窄，以最小化高能X射线33的吸收和散射，使得高能X射线33在穿越材料22a时保持足够的强度，以进行透射并进一步衍射成像。

示例性的，第一打印平台22的宽度被设置为最小为熔池的宽度，最大为2mm。

设置第一打印平台22的最小宽度为熔池的宽度确保平台可以完全覆盖整个熔池，使得平台能够允许激光束11a在其上方完成熔池的扫描形成，以及使得高能X射线33能够透射整个熔池，从而获取熔池内部组织物相的完整信息。虽然接近于二维特征的设计有助于减小吸收和散射，但平台仍然需要足够的宽度来保持结构的稳定性，以支持熔池的构建过程，在此基础上的一个优选实施方式是将第一打印平台22的最大宽度限制在2mm。

图9示出了第一打印平台22的一种装配实施例。在该实施例中，第一打印平台22的外侧设置有能够将材料限制在扫描区域内的遮挡部29a-29d，避免材料从扫描区域溢出。应理解，扫描区域是指激光束作用在第一打印平台22承载材料上的区域，其可以等于第一打印平台22表面覆盖的区域，也可以在其它情况下小于第一打印平台22表面覆盖的区域，但即便在极端情况下也不可以小于一个熔池所覆盖的面积。

示例性的，例如当扫描区域在长度（y轴）方向上小于第一打印平台22的长度时，可以仅在扫描区域外侧设置遮挡部29a与29b，而不设置宽度（x轴）方向上的29c与29d。应理解，以扫描区域为基准面，遮挡部29a-29d至少要高于扫描区域一个熔池的高度，或者一层材料的高度。

为了确保高能X射线在扫描区域的顺利透射，遮挡部29a-29d在高于扫描区域的部分设置为透明材质。

在一示例中，遮挡部29a-29d的底部部分（低于扫描区域的部分）由非透明、高密度材料构成，例如金属或陶瓷；遮挡部29a-29d的顶部部分（高于扫描区域的部分）由透明材料构成，通常是便于高能X射线较佳透射的材质，同时具有耐高温性质，例如玻璃碳、氧化铝陶瓷玻璃、高硼硅玻璃等。

在另一示例中，遮挡部29a-29d的整体均由透明材料构成。

根据本发明的一实施例，在遮挡部29a-29d的外部设置有压盘31，其主要作用是提供额外的稳定支撑，确保遮挡部29a-29d在3D打印过程中保持固定。通过引入压盘31的设置可以有效减轻设备振动和材料运动等因素对遮挡部29a-29d的影响，有助于确保第一打印平台22在3D打印过程中始终保持在正确的位置，进而确保高能X射线的顺利透射，进行原位监测和衍射成像。

根据本发明的一实施例，第一打印平台22的一侧设置有进出风场32。材料的烧结或熔融过程中会产生烟雾颗粒物，并在第一打印平台22的附近集聚，设置进出风场32能够将这些集聚的烟雾颗粒物吹散，保持工作环境的清洁。此外，集聚的烟雾颗粒物可能会对高能X射线的穿透性造成干扰，降低其效率，通过设置进出风场32，可以有效排除这些干扰因素，确保高能X射线能够顺利穿透，以进行准确的监测和成像。在具体的结构设置中，可将进出风场32布置在遮挡部29b一侧压盘31的上方，进出风场32在面对第一打印平台22的一侧设置有多个进风孔，以产生流速均匀的风场，从而排除集聚在第一打印平台22附近的烟雾颗粒物。

根据本发明一实施例，为了配合高能X射线的工作，本申请的增材制造设备还具有一高能X射线装置，用于发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得熔池内组织物相的原位表征。

根据本发明的一实施例，送料机构的结构如图10所示。在第一打印平台22的高度方向上设置有送料机构，该送料机构由铺料部124、储料部126以及送料部125等部件构成。送料部125沿z轴方向穿入储料部126，并在旋转状态下携带储料部126内的至少一部分材料通过储料部126与送料部125之间的间隙向下运动，使其散落在第一打印平台22上。铺料部124用于移动地对第一打印平台22上的材料进行均匀铺设。

储料部126具有一接收材料的开口。其中，该开口可以设置为完全敞开状态，使材料能够自由进入；也可以设置为半敞开状态，使材料在一定限制下进入；甚至在某些情况下，该开口可以设置为仅保留一个能供材料顺利进入的通孔即可。相应的，也可以在该开口上设置一能被启闭的密封盖，从而避免材料在高速运转状态下从储料部126中溢出。

送料部125被设置为沿z轴方向穿入储料部126，优选与储料部126的纵向轴线重合。送料过程中的送料部125被控制为旋转状态，并在该旋转状态的作用下携带着储料部126内的至少一部分材料到储料部126与送料部125之间的间隙中，并随着送料部125的旋转向下运动。在此过程中，材料最终从该间隙中脱离，并逐渐散落在第一打印平台22上。其中，该间隙具有一定的几何形状和尺寸，以至少保证材料的最小物理构成单元（例如材料的颗粒）能够在该间隙内自由流动。

铺料部124用于在第一打印平台22上移动铺料，以对散落在第一打印平台22上的材料进行均匀铺设，从而形成可供进一步制造的材料层。

在一些实施例中，送料部125被设置为由螺杆125a以及用于驱动螺杆125a旋转的旋转驱动装置125b构成。螺杆125a的一端与旋转驱动装置125b连接，另一端从储料部126中穿过并向下延伸了一段距离，螺杆125a的延伸段起到了输送和推动材料的作用，当旋转驱动装置125b启动时能够驱动螺杆125a旋转，使得螺杆125a在旋转状态下将储存在储料部126内的材料带动向下运动。

在一些实施例中，储料部126被设置为由料仓126a与漏料筒126b构成。料仓126a与漏料筒126b被设计成一体成型或者通过其它连接方式紧密连接在一起，形成一个整体式的储料部126。

在储料部126中，料仓126a内储存有材料，漏料筒126b从料仓126a底部起始，向下延伸至少一段距离，以将送料部125的螺杆125a从料仓126a底部起始向下延伸的部分包裹在内，即漏料筒126b的高度至少等于螺杆125a在料仓126a下方的高度，以便于控制材料的输送。漏料筒126b的设计有助于引导和定向螺杆125a携带的材料，通过漏料筒126b与送料部125之间的间隙，材料可以受到一定的控制，确保沿特定路径向下运动。

在一些实施例中，铺料部124与送料部125分离设置，铺料部124由单独的动力源进行移动驱动以在第一打印平台22上移动铺料。

在一些实施例中，铺料部124与送料部125被集成设置，例如可以通过一安装座连接在一起。在此配置下，送料部125负责向第一打印平台22输送和供应材料，铺料部124则负责对第一打印平台22上的材料进行均匀地铺设，并且，铺料部124间隔地设置在送料部125的附近。

示例性的，铺料部124被设置为由两个刮刀构成，分别为刮刀124a与124b，刮刀124a与刮刀124b分别位于送料部125的两侧，例如刮刀124a位于送料部125的左侧，刮刀124b位于送料部125的右侧。

在一些实施例中，漏料筒126b的底部作为铺料部124使用，以在一次操作中完成送料和铺设任务。应理解，漏料筒126b的底部具有材料的释放口以及具有一定尺寸的边缘部分，即漏料筒126b的底部不仅充当材料的释放口，还具有一定尺寸的边缘部分，这一部分可以用来控制和分布材料在第一打印平台22上。

根据本发明的一实施例，提供一种呈现出如图11所示流程的控制方法40。该控制方法40用于对前述的光学系统10进行控制，且该控制方法40的执行步骤由S41与S42构成。

S41：控制光学单元产生的激光束作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融，并控制激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；

S42：控制升降装置带动光学单元在z轴方向上进行升降，以促使激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。

在一些实施例中，所述材料为同一层次，或者不同层次。

在一些实施例中，该控制方法40还包括：根据所述三维对象在不同层次的打印需求控制所述升降装置升降，以自动调整焦点在材料上的高度位置。

在一些实施例中，所述打印需求包括上一层材料与下一层材料在以下至少一种的因素不同：层厚、打印路径偏差、材料特性、层间隙、打印速度。

该控制方法40的具体实施流程与前文描述的光学系统10的操作过程具有一致性，在此不进行赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“示例性的”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

附图标记列表

10 光学系统

11 光学单元

111 激光器

112 准直器

113 振镜

114 场镜

12 升降装置

12a 驱动部

12b 丝杆

13 控制装置

21 打印平台

22 第一打印平台

23 第二打印平台

21a、22a、23a 材料

24 打印舱

24a 舱顶

24b 舱底

24b-1、24b-2、24b-3 舱口

25 壳体

26a、26b 供料器

27 成形缸

28a、28b、28c 丝杠运动单元

29a、29b、29c、29d 遮挡部

30 增材制造设备

31 压盘

32 进出风场

33 高能X射线

124 铺料部

124a、124b 刮刀

125 送料部

125a 螺杆

125b 旋转驱动装置

126 储料部

126a 料仓

126b 漏料筒

40 控制方法。

Claims (16)

1.一种用于增材制造的光学系统，其特征在于，包括：

光学单元，被配置为产生作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融的激光束，并控制所述激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；

升降装置，被配置为控制所述光学单元在z轴方向上进行升降，以促使所述激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述不同高度的材料为同一层次，或者不同层次。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，还包括：

控制单元，用于根据所述三维对象在不同层次的打印需求控制所述升降装置升降，以自动调整焦点在材料上的高度位置。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，

所述打印需求包括上一层材料与下一层材料在以下至少一种的因素不同：

层厚、打印路径偏差、材料特性、层间隙、打印速度。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述打印平台为两个，分别为第一打印平台与第二打印平台，其中，所述第一打印平台与第二打印平台具有在z轴上不同的高度。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，

所述升降装置被进一步配置为在z轴上升降所述光学单元，使焦点以第一位置投射在所述第一打印平台的材料上，以第二位置投射在所述第二打印平台的材料上，其中，所述第一位置与第二位置具有在z轴上不同的高度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述至少一打印平台设置在一打印舱内，所述光学单元设置在所述打印舱的舱顶，所述光学单元发射的激光束透过所述舱顶的开口射入至所述打印舱内。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

所述舱顶在所述升降装置的控制下沿z轴升降运动，以逐渐靠近或远离所述打印平台。

9.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，

所述第一打印平台承载的材料被所述激光束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被高能X射线透射过所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；

所述第二打印平台承载的材料被所述激光束逐层扫描以构建所述三维对象。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，

所述第一打印平台的宽度最小为所述熔池的宽度，最大为2mm。

11. 一种增材制造设备，其特征在于，包括：

至少一打印平台，用于承载材料；以及

权利要求1-10任一项所述的光学系统。

12.根据权利要求11所述的增材制造设备，其特征在于，还包括：

高能X射线装置，用于发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

13.一种用于光学系统的控制方法，所述光学系统包括光学单元与升降装置，其特征在于，所述方法包括：

控制所述光学单元产生的激光束作用在至少一打印平台承载的材料上以对其进行烧结或熔融，并控制所述激光束沿预设轨迹运动，以逐层构建三维对象；

控制所述升降装置带动所述光学单元在z轴方向上进行升降，以促使所述激光束的焦点在不同高度的材料上进行投射。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，

所述材料为同一层次，或者不同层次。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述三维对象在不同层次的打印需求控制所述升降装置升降，以自动调整焦点在材料上的高度位置。

16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，

所述打印需求包括上一层材料与下一层材料在以下至少一种的因素不同：

层厚、打印路径偏差、材料特性、层间隙、打印速度。