一种多激光并行扫描3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印机技术领域，具体而言，涉及一种多激光并行扫描3D打印方法。

背景技术

增材制造中的粉末床激光熔化即3D金属打印选择性激光熔化成形SLM技术，已成为精度最高、最为重要的3D金属打印技术。激光束按各层数字模型路径依次扫描平铺的金属粉末，形成平面结构，层层叠加形成3维结构。

对于SLM技术中，目前全世界均采用高斯分布的激光束，比如申请公布号为CN113649595A的发明专利申请公开的用于金属SLM打印的环形光斑光学系统及打印方法包括激光器，激光器通过光纤连接准直器，激光器射出的高斯光束通过准直器准直，准直后的高斯光束通过可变倍扩束镜调整光斑尺寸，光束整形单元包括第一圆锥透镜和第二圆锥透镜，调整光斑尺寸后的高斯光束依次通过第一圆锥透镜和第二圆锥透镜整形，整形后的光束依次通过全反射镜、振镜系统和场镜形成聚焦的光斑到达工作平台。

传统的SLM技术中，熔化金属粉末的熔体动力学表明，高斯光束具有过于强大的局部强度，束腰以内，轴心附近拥有大约86％的入射波功率。重复的热—冷循环恶化了以下问题：（1）熔池气化和在底层熔池的反冲压力的积累，引起飞溅、匙形孔状的熔池的产生，进而导致各种缺陷，比如：孔隙率和表面粗糙度上升；（2）柱状晶和残余应力增长，机械性能的各向异性倾向上升；（3）相对密度下降，大大降低了打印的产品的塑性、冲击韧性和疲劳寿命。综上所述，由于激光能量分布的不均性，光斑中心的能量密度远大于光斑边缘，不能实现能量的精确分配；采用高斯激光生产加工时，激光利用率低、能量损失大，随着功率的不断提高产生粉末重熔现象，大大降低打印成品的质量。

发明内容

本发明提供一种多激光并行扫描3D打印方法，以解决现有SLM技术中因高斯光束的能量分布不均匀导致打印质量下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种多激光并行扫描3D打印方法，其包括以下步骤：

S1.多个激光器同时发射激光光束，将所有激光光束的直径调整至相同直径；

S2.多束激光光束通过各自对应的振镜系统反射，并射向打印工作面；

S3.对于反射后的非垂直射入打印工作面的激光，通过边缘光斑面积补偿方法将激光光束投影到打印工作面上的光斑调整为等直径的光斑，光斑的中心点位于同一条直线，且相邻光斑的边缘接触；

S4.以相同的速度和方向平移各激光器及振镜系统，完成扫描。

优选地，所述的步骤S3中对于每一道倾斜射入打印工作面的激光光束，通过边缘光斑面积补偿方法将激光光束投影到打印工作面上的光斑调整为等直径的光斑的步骤为：

S3.1.取激光光束垂直射入打印工作面时的光斑直径为理想扫描线宽；

S3.2.对于倾斜射入打印工作面的激光光束，基于激光光束的倾斜角度以及照射到打印工作面上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿算法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同；

S3.3.通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与步骤S3.2中计算出来的两个端点位置一致。

优选地，所述的步骤S3.2中通过光斑倾斜补偿算法计算决定实际扫描线宽的两个端点的步骤为：

S3.2.1基于激光光束倾斜方向，计算激光光束射入打印工作面上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度；

S3.2.2.基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式；

S3.2.3.根据椭圆方程式求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率；

S3.2.4.寻找斜率与扫描方向相同的两个点，即为实际扫描线宽的两个端点。

优选地，所述的步骤S3.2.1计算激光光束射入打印工作面上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度的体方式为：

光束倾斜方向的向量为

。

优选地，所述的步骤S3.2.2基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式的具体方式为：

设定焦点在y轴上的椭圆为标准椭圆，其方程为：

式中，(

将

。

优选地，所述的步骤S3.2.3中根据椭圆方程式求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率的具体方式为：

基于椭圆光斑方程，对椭圆光斑上各点的

公式中，

优选地，所述的S3.2.4中寻找斜率与扫描方向相同的两个点的具体方式为：

将扫描方向向量M的斜率

联立方程（3）与方程（6），求得实际扫描线宽的两个端点坐标（

优选地，所述的步骤S3.3通过变焦系统不断地调整光斑的面积的具体步骤为：

S3.3.1.设激光光束倾斜角的余弦值的倒数为光斑大小变化比例，激光光束倾斜投影至打印工作面的实际扫描线宽与初始扫描线宽的比例为投影线宽变化比例，将光斑大小变化比例和投影线宽变化比例相乘得到光束变化比例；

S3.3.2.调整打印光路中的变焦系统与振镜的距离，使得光束直径变化符合光束变化比例，进而使光束以任意角度投影到打印工作面时，实际扫描线宽均相同。

优选地，所述的步骤4的扫描过程中，当其中一个激光器射出的激光光束扫描至轮廓线时，关闭相应的激光器，其余激光器保持打开状态继续扫描，直至所有激光器全部关闭，即完成一轮扫描。

优选地，所述的步骤4的扫描过程中，当一轮扫描的实际扫描宽度小于所有激光器射出的激光光束形成的光斑的总长度时，关闭部分激光器，使得剩余的激光器射出的激光光束形成的光斑的总长度与当前轮次的实际扫描相匹配。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明涉及的多激光并行扫描3D打印方法通过多个激光器同时发射激光光束，对每个激光器均配置振镜系统，进而将各激光光束投射到打印工作面上，且各激光光束投影到打印工作面上的光斑的中心呈一条直线，且相邻光斑的边缘接触，扫描过程中通过并排的光斑进行扫描，可以将单激光束的高斯能量分布变为平顶的均匀能量分布，对打印质量有重大提高。

2.本发明涉及的多激光并行扫描3D打印方法使用并排的光斑进行扫描，并行的多通道激光中，中间部分的激光由于两侧都有其余激光束在进行熔融金属打印扫描，因此热量不会从侧面导热散掉，因此对打印激光能量要求比常规打印低。

3.本发明涉及的多激光并行扫描3D打印方法先将激光光束的直径调整至同直径的光束，光束经过振镜反射系统反射后，对于非垂直射入打印工作面的激光光束，采用边缘光斑面积补偿方法将激光光束投影到打印工作面上的光斑调整为等直径的光斑，以维持稳定的平顶光束能量分布。

4.本发明涉及的多激光并行扫描3D打印方法通过并行的多个激光光束进行扫描，有助于提高扫描的效率。

附图说明

图1是本发明涉及的多激光并行扫描3D打印方法扫描过程原理图；

图2是步骤S1所使用的调焦装置的结构示意图；

图3是激光光束倾斜射入打印工作面形成的椭圆光斑示意图；

图4是椭圆光斑在打印平面上沿光点扫描方向移动的示意图；

图5是椭圆光斑等效扫描线宽与中部圆形等效扫描线宽相等的示意图；

图6是多个激光光束射入打印工作面的示意图；

图7是单激光能量以高斯光束形式的分布图；

图8是并行激光能量以高斯光束形式的分布图；

图9为并行扫描分组情况图；

图10为每一轮扫描过程中各激光器的开关状态变化示意图。

图中：1-激光器，2-聚焦镜组，21-第一凸透镜，3-调焦透镜组，31-第一凹透镜，32-第二凸透镜，33-第三凸透镜，41-第四凸透镜，42-第二凹透镜。

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。

本发明涉及的一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法，包括以下步骤：

参照附图1所示，本发明涉及一种多激光并行扫描3D打印方法，其包括以下步骤：

S1.多个激光器同时发射激光光束（为了更清晰的展示激光光束的光路，图一仅展示了一组激光器和振镜系统），将所有激光光束的直径调整至相同直径，

将所有激光光束的直径调整至相同直径是通过调焦装置实现的，所述的调焦装置包括聚焦镜组2、调焦透镜组3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；激光器1、聚焦镜组2、调焦透镜组3和光束调整透镜组的中心位于同一条直线上；所述的激光器1、聚焦镜组2和光束调整透镜组均与外壳固定，调焦透镜组3与外壳滑动连接；所述的调焦透镜组3包括两个相同的第一凹透镜31、一块第二凸透镜32和一块第三凸透镜33，两块第一凹透镜31相互紧贴设置，第二凸透镜32和两块第一凹透镜31的之间间距始终不变，第三凸透镜33与第二凸透镜32相对运动；聚焦镜2为两块第一凸透镜21，所述的第一凸透镜21的一面为平面，另一面为向外凸出的弧形面，两块第一凸透镜21的弧形面相对。所述的第一凹透镜31的两面均为凹面；所述的第二凸透32靠近激光器1的一面为平面，远离激光器1的一面为凸面；第三凸透镜33远离激光器1的一面为平面，靠近激光器1的一面为凸面。所述的光束调整透镜组包括第四凸透镜41和第二凹透镜42，第四凸透镜41远离激光器1的一面为平面，靠近激光器1的一面为凸面；第二凹透镜42远离激光器1的一面为平面，靠近激光器1的一面为凹面，且所述的第四凸透镜41和第二凹透镜42紧密接触。通过同时移动两块第一凹透镜31和第二凸透镜32，起到变焦的作用，通过带动第三凸透镜33移动，起到调焦的作用，使得所有激光光束的直径相同。

S2.多束激光光束通过各自对应的振镜系统反射，并射向打印工作面，参照附图3所示，经过振镜系统反射的激光光束并非全部是垂直射入打印工作面的，对于这些倾斜射入打印工作面的激光光束，会在打印工作面上形成如图3、4所示的椭圆光斑，因此对于不同入射角的激光光束，扫描的宽度均有差别；

S3.对于反射后的非垂直射入打印工作面的激光，通过边缘光斑面积补偿方法将激光光束投影到打印工作面上的光斑调整为等直径的光斑，具体方式为：

S3.1.取激光光束垂直射入打印工作面时的光斑直径为理想扫描线宽；

S3.2.对于倾斜射入打印工作面的激光光束，基于激光光束的倾斜角度以及照射到打印工作面上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿算法计算决定实际扫描线宽的两个端点，计算步骤为：

S3.2.1基于激光光束倾斜方向，计算激光光束射入打印工作面上所形成的椭圆光斑的短轴和长轴的长度，参照附图4所示，激光光束倾斜方向的向量为

；

S3.2.2.基于椭圆光斑的短轴和长轴的长度确定椭圆光斑的椭圆方程式：设定焦点在y轴上的椭圆为标准椭圆，其方程为：

式中，(

将

；

S3.2.3.根据椭圆方程式求出椭圆光斑轮廓线上各点的斜率，具体方式为：

基于椭圆光斑方程，对椭圆光斑上各点的

公式中，

S3.2.4.寻找斜率与扫描方向相同的两个点，即为实际扫描线宽的两个端点：将扫描方向向量M的斜率

联立方程（3）与方程（6），求得实际扫描线宽的两个端点坐标（

S3.3.通过调焦装置不断地调整光斑的面积，其具体步骤为：

S3.3.1.设激光光束倾斜角的余弦值的倒数为光斑大小变化比例，激光光束倾斜投影至打印工作面的实际扫描线宽与初始扫描线宽的比例为投影线宽变化比例，将光斑大小变化比例和投影线宽变化比例相乘得到光束变化比例；

S3.3.2.调整打印光路中的变焦系统与振镜的距离，使得光束直径变化符合光束变化比例，进而使光束以任意角度投影到打印工作面时，实际扫描线宽均相同。

所有激光光束调整后，光斑的中心点位于同一条直线，且相邻光斑的边缘接触，形成如图6所示的并行激光光束；

单激光能量以高斯光束形式分布如图7所示，能量集中在激光光束的轴心处；而图6所示的并行激光光束的能量以高斯光束形式分布如图8所示，为一种平顶光束的能量形式。

S4.以相同的速度和方向平移各激光器及振镜系统，完成扫描。以8激光器对打印文件的填充线进行扫描为例，参照附图9所示，将打印文件分3组扫描，打印时以组为单位，每组均采用8个并行的激光光束进行扫描；参照附图10所示，每组扫描的过程中，刚开始扫描时，8个激光器均开启，即采用8个激光光束并行扫描，当其中一个激光器射出的激光光束扫描至轮廓线时，关闭相应的激光器，其余激光器保持打开状态继续扫描，直至所有激光器全部关闭，即完成一轮扫描。参照附图9所示，最后一组扫描时，扫描的实际扫描宽度小于所有激光器射出的激光光束形成的光斑的总长度时，关闭部分激光器，使得剩余的激光器射出的激光光束形成的光斑的总长度与当前轮次的实际扫描相匹配。

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。