CN220638924U - 一种椭圆光斑可变线宽扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种椭圆光斑可变线宽扫描装置，属于3D打印机技术领域，其包括激光器、设置在激光器发射的激光的光路上的椭圆光斑成型调节机构、XY轴振镜、聚焦镜和打印工作面；所述的椭圆光斑成型调节机构包括凹柱面透镜、凸柱面透镜和镜筒，凹柱面透镜和凸柱面透镜按照激光光路方向依次固定于镜筒内，且凹柱面透镜和凸柱面透镜平行间隔设置，凹柱面透镜最薄位置所在的直线与凸柱面透镜最厚位置所在的直线的方向相同；所述的镜筒配有用于驱动其按照轴心旋转的驱动机构。该装置不使用光学变焦系统，而是使用固定的光斑即可实现不同粗细的线条扫描打印，减少了变焦机构，结构更为简单，对于3D打印来说工艺参数更加方便灵活调节。
Description
技术领域
本实用新型属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种椭圆光斑可变线宽扫描装置。
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。3D打印技术基础技术成熟之后，开始向更高效率及更高精度的方向发展。
为了能够提高打印效率又不降低精度，可以采用的方式是可变光斑系统，轮廓线打印时使用小光斑进行精确打印，填充线打印时使用大光斑，提高激光功率，增加填充线间距，减少填充线数量，从而提高打印效率。基于此，授权公告号为CN215867306U的中国专利公开了一种3D打印机调焦装置，包括外壳，其包括依次设置于外壳内部的光源、聚焦镜组、调焦透镜组以及将扩散的光束调整为平行光束或聚焦光束的光束调整透镜组；所述的光源、聚焦镜组、调焦透镜组和光束调整透镜组的中心位于同一条直线上；所述的光源、聚焦镜组和光束调整透镜组均与外壳固定，调焦透镜组与外壳滑动连接；所述的调焦透镜组包括两个相同的第一凹透镜，第一凹透镜的两面均为凹面。该方案中延续了光学系统的客观规律，一个组镜片负责改变倍率大小，另外一组镜片负责补偿焦距变化值，实现光斑大小变化。
但是，采用上述装置时，如果要实现倍率实时动态改变，就需要使用高频的直线电机来驱动镜片，如使用音圈电机分别驱动两片镜片，由两片镜片分别做高频运动，相互配合来完成倍率变化。这种结构在实际使用中，这种方案有很大局限性：1、打印中焦点失焦，两个镜片均可能是原因，找出具体哪个镜片问题比较困难；2、初始安装时调试倍率，由于两个镜片均能影响焦距和倍率，因此准确的倍率必须依赖于准确的焦距，由于3D打印光路中的成像光束数值孔径很小，常规值为NA0.01左右，导致其焦点处的高斯光束瑞利距离很长，在调制夹具中很难找到其精确的焦点，焦点的偏差会导致倍率的值也出现偏差，因此在初装机时焦距对倍率的准确值会造成影响；3、需要两台音圈电机配合驱动两片镜片，对音圈电机移动镜片的精度要求极高，故障率高，光斑大小调节不灵活。综上所述，对于此类可变光斑系统，要求光路对于打印光斑进行大小调节，因此光路系统会更加复杂，对于打印可靠性要求极高的3D打印，无疑会增加故障率。
实用新型内容
本实用新型提供了一种椭圆光斑可变线宽扫描装置，以解决现有通过改变光斑大小改变打印线宽的方法存在的焦距对倍率不准确、对设备精度要求高、光斑大小调节不灵活、故障率高等问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：
本实用新型涉及一种椭圆光斑可变线宽扫描装置，其包括激光器、设置在激光器发射的激光的光路上的椭圆光斑成型调节机构、XY轴振镜、聚焦镜和打印工作面；所述的椭圆光斑成型调节机构包括凹柱面透镜、凸柱面透镜和镜筒，凹柱面透镜和凸柱面透镜按照激光光路方向依次固定于镜筒内，且凹柱面透镜和凸柱面透镜平行间隔设置，凹柱面透镜最薄位置所在的直线与凸柱面透镜最厚位置所在的直线的方向相同；所述的镜筒配有用于驱动其按照轴心旋转的驱动机构。
优选地，所述的聚焦镜为成像透镜，成像透镜设置于椭圆光斑成型调节机构和XY轴振镜之间。
优选地，所述的聚焦镜为FTheta场镜，FTheta场镜设置于XY轴振镜和打印工作面之间。
优选地，所述的凹柱面透镜的凹面面向激光器一侧。
优选地，所述的凸柱面透镜的凸面背向激光器一侧。
采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本实用新型涉及的椭圆光斑可变线宽扫描装置通过椭圆光斑成型调节机构将截面为圆形的激光光束调整为截面为椭圆形的激光光束，再根据所需打印线宽旋转镜筒，使得椭圆形激光光束的角度发生改变，进而匹配打印线宽，不使用光学变焦系统，而是使用固定的光斑即可实现不同粗细的线条扫描打印，减少了变焦机构，结构更为简单，对于3D打印来说工艺参数更加方便灵活调节。
2.本实用新型涉及的椭圆光斑可变线宽扫描装置通过椭圆光斑成型调节机构将截面为圆形的激光光束调整为截面为椭圆形的激光光束，即将圆形光斑的沿着一条直径进行了拉伸，使得光斑的面积更大，有助于提高打印效率。
附图说明
图1是一种形式的椭圆光斑可变线宽扫描装置的结构示意图；
图2是另一种形式的椭圆光斑可变线宽扫描装置的结构示意图；
图3是椭圆光斑成型调节机构的结构示意图；
图4是将截面为圆形的平行激光转化为截面为椭圆形的平行激光的原理图；
图5是投影至打印工作面上的椭圆光斑的形状图；
图6是椭圆光斑实际扫描线宽示意图；
图7是扫描过程中扫描路径变化时椭圆光斑角度变化示意图。
图8是扫描过程中扫描宽度变化时椭圆光斑角度变化示意图。
附图标记：1-激光器，11-激光，2-椭圆光斑成型调节机构，21-凹柱面透镜，22-凸柱面透镜，23-镜筒，3-XY轴振镜，41-成像透镜，42-FTheta场镜，5-打印工作面。
具体实施方式
为进一步了解本实用新型的内容，结合实施例对本实用新型作详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
参照附图1和2所示，本实用新型涉及一种椭圆光斑可变线宽扫描装置包括激光器1、设置在激光器1发射的激光的光路上的椭圆光斑成型调节机构2、XY轴振镜3、聚焦镜和打印工作面5。其中，所述的椭圆光斑成型调节机构2如附图3所示，包括凹柱面透镜21、凸柱面透镜22和镜筒23，凹柱面透镜21和凸柱面透镜22按照激光光路方向依次固定于镜筒23内，凹柱面透镜21的凹面面向激光器1一侧，凸柱面透镜22的凸面背向激光器1一侧，且凹柱面透镜21和凸柱面透镜22平行间隔设置，凹柱面透镜21最薄位置所在的直线与凸柱面透镜22最厚位置所在的直线方向相同；所述的镜筒23配有用于驱动其按照轴心旋转的驱动机构，用于带动镜筒23旋转的驱动机构可采用任意一种驱动机构，由于驱动机构非本实用新型所要保护的内容，此处不详细说明，需要说明的是，凡是采用任何一种方式带动镜筒23旋转的结构均属于本实用新型的保护范畴。
上述椭圆光斑可变线宽扫描装置中的聚焦镜可以是成像透镜41，成像透镜41设置于椭圆光斑成型调节机构2和XY轴振镜3之间，如图1所示；上述椭圆光斑可变线宽扫描装置中的聚焦镜还可以为FTheta场镜42，FTheta场镜42设置于XY轴振镜3和打印工作面4之间，如图2所示。
上述椭圆光斑可变线宽扫描装置的扫描方法为：激光器1发射截面为圆形的激光11，激光11垂直射入凹柱面透镜21，凹柱面透镜21将激光沿其中一条直径的方向将激光11拉伸，形成截面为椭圆形的发散激光，该截面为椭圆形的发散激光透过凸柱面透镜22后，形成截面为椭圆形的平行激光，如图4所示。该椭圆平行激光经过聚焦镜的聚焦以及XY轴振镜3的反射使得该激光垂直射入打印工作面5，并在打印工作面5上形成椭圆光斑，该椭圆光斑的长轴为A，短轴为B，如图5所示；通过XY轴振镜旋转反射激光束实现扫描，扫描原理与普通的XY振镜扫描原理相同。扫描时，椭圆光斑长轴与扫描方向的夹角为θ，则扫描线宽D的计算公式为：如图6所示。在设备调试初始值时，使用椭圆光斑调节机构调节激光束方向，根据上面公式，计算当前需要打印的扫描线条粗细D对应的光斑偏转角度θ，将其设备初始值。在打印图案线条中的任意一条向量时，假定激光束当前扫描的文件路径的向量起始点和终点坐标分别为(a1,b1)(a2,b2)，则椭圆光斑成型调节机构2的旋转角度调节量β的计算公式如为：/>根据此变换关系式，根据打印文件生成椭圆光斑调节机构的电机旋转角度文件，对椭圆光斑成型调节机构2进行角度实时调节打印，如图7所示；对于打印中，需要改变扫描线粗细时，根据需要扫描的线条直径D1，计算椭圆光斑长轴与扫描方向的夹角θ1，驱动机构旋转椭圆光斑成型调节机构2的角度至θ1即可，如图8所示。
以上结合实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.一种椭圆光斑可变线宽扫描装置，其特征在于：其包括激光器、设置在激光器发射的激光的光路上的椭圆光斑成型调节机构、XY轴振镜、聚焦镜和打印工作面；所述的椭圆光斑成型调节机构包括凹柱面透镜、凸柱面透镜和镜筒，凹柱面透镜和凸柱面透镜按照激光光路方向依次固定于镜筒内，且凹柱面透镜和凸柱面透镜平行间隔设置，凹柱面透镜最薄位置所在的直线与凸柱面透镜最厚位置所在的直线的方向相同；所述的镜筒配有用于驱动其按照轴心旋转的驱动机构。
2.根据权利要求1所述的椭圆光斑可变线宽扫描装置，其特征在于：所述的聚焦镜为成像透镜，成像透镜设置于椭圆光斑成型调节机构和XY轴振镜之间。
3.根据权利要求1所述的椭圆光斑可变线宽扫描装置，其特征在于：所述的聚焦镜为FTheta场镜，FTheta场镜设置于XY轴振镜和打印工作面之间。
4.根据权利要求1所述的椭圆光斑可变线宽扫描装置，其特征在于：所述的凹柱面透镜的凹面面向激光器一侧。
5.根据权利要求1所述的椭圆光斑可变线宽扫描装置，其特征在于：所述的凸柱面透镜的凸面背向激光器一侧。
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