一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统及打印方法

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统及打印方法。

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，而金属3D打印(SLM)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。

使用金属粉做3D打印，金属粉被激光的快速加热融化过程中，会产生融化的液态金属飞溅物，在飞溅途中固化，落在打印零件的表面，使得打印零件表面粗糙、内部出现缺陷，如图1所示。飞溅颗粒的产生主要来源于金属粉末熔化为液体的过程，在SLM金属3D打印中，激光作为能量源被金属材料吸收后产生熔池，因此熔化金属的效率不仅与激光功率有关，也与金属材料对激光的吸收率有关。SLM金属3D打印设备通常使用的是1080nm的红外激光，金属材料原子内自由电子谐振频率与该波长激光器的频率接近，此时激光吸收率会很低，反射率很高高。我们常见的纯铜，纯金，纯银，纯铝等，反射率趋近100％，因此采用这个波长的激光器做此类材料的金属烧结反射率并不高。金属对激光吸收率受外界环境的影响，其中最明显的是温度，金属材料对激光的反射是由于源自内部的电子谐振，而当温度升高时，电子谐振发生变化，金属的电阻率提高，导电率下降。此时使用1080nm波长激光的吸收率会明显增加，对于一般材料而言，理论上温度越高，激光吸收率就会越强。以金属铜为例，根据公开资料显示其对红外1064nm激光的吸收率曲线如图2所示，可以看出，随着熔化温度的从0增长到1400K的过程中，铜对红外光的吸收缓慢的从5％涨到10％左右；当铜达到熔点(1400K)之后，铜对红外波段激光的吸收率会从10％阶跃式的升至17％左右，然后随着温度继续升高，吸收率会缓慢增长。吸收率的骤变会导致短时间内金属材料吸收的激光功率急剧变大，金属粉末熔化的过程更加剧烈，使得一些熔化的材料以飞溅的形式排出。

为了防止飞溅的颗粒对打印零件质量造成影响，通常在金属3D打印中会添加水平风场，使用风将飞溅颗粒吹走，但是风场吹走颗粒受到许多条件制约：风场风速太小，飞溅颗粒无法被风带走；风场风速太大，容易将打印工作面铺好的金属粉给吹走；如打印工作腔太大，风场容易成为紊流，加之飞溅颗粒需要被吹动的距离边长，无论设置何种参数，均无法将飞溅颗粒从工作腔全部吹走。为了改善金属3D零件打印的颗粒飞溅，另一种方式是给打印工作底板加热，使其工作温度达到200～500℃，以减小加热金属粉到熔点所需的能量，从而降低激光束加热金属粉到熔点的时间占比，提高光点熔化金属粉为液态的时间占比，进而减小颗粒飞溅的情况。该方法会对设备造成影响，工作底板的温度会传递到设备工作腔的其余部分，引起工作腔热胀冷缩，使得打印尺寸出现变化和漂移。并且由于工作腔的构成不规则，打印尺寸的变化也不规则，严重影响打印质量。综上所述，上述两种防止、改善金属3D零件打印的颗粒飞溅的方案均存在局限性。

发明内容

本发明提供了一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统及打印方法，以减轻或解决金属3D打印过程中液态金属飞溅物造成打印零件质量缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统，其包括激光器和设置在激光器发射的激光束光路上的成像模块、振镜模块和打印工作面，所述的激光器和振镜单元之间设有光路整形模块，所述的光路整形模块包括角度调节环、安装于角度调节环内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜、第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的角度调节环配有驱动电机，驱动电机用于旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。

优选地，所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直，用于向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个方向拉伸，且第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱镜的扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块设置于第二准直透镜与振镜模块之间，所述的多通道光栅光头设置于角度调节环内，用于沿着第一鲍威尔棱镜拉伸激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束，所述的动态对焦模块和变焦模块配有控制器，对各条形光束进行实时动态补偿调节。

优选地，所述的成像模块为设置在振镜模块的光路前方的成像透镜。

优选地，所述的成像模块为设置在振镜模块的光路后方的场镜。

一种基于上述减轻金属飞溅的金属3D打印系统的3D打印方法，其包括以下步骤：

步骤1.启动激光器，激光器向光路整形模块射出发散性的激光束；

步骤2.激光束依次透过光路整形模块中的第一准直透镜、偏心设置的第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜将激光束调整为平行光束，所述的第一鲍威尔棱镜向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，且扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜将扩散后的激光束再次调节为平行光束；

步骤3.透过光路整形模块的激光束经过成像模块的聚焦以及振镜模块的反射后照射至打印工作面上的金属粉末层；

步骤4.根据打印文件规划扫描路径，振镜模块根据扫描路径改变激光束照射至金属粉末层的位置，与此同时，驱动电机旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且使得能量较高的一端位于扫描方向的前端。

优选地，所述步骤4中，驱动电机旋转角度调节环的角度为：

公式中，a1和b1分别表示任意一条扫描向量的起始点的横坐标和纵坐标，a2和b2分别表示任意一条扫描向量的终点的横坐标和纵坐标，β为相对于角度调节模块的初始状态，角度调节模块的调整角度。

优选地，所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直；所述的多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块设置于第二准直透镜与振镜模块之间，动态对焦模块和变焦模块配有控制器；

所述步骤2中，所述的第一准直透镜将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸；所述的第二鲍威尔棱镜向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个扩散方向拉伸，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱镜的扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜将扩散后的激光束再次调节为平行光束；所述的多通道光栅光头沿着第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束；所述的动态对焦模块和变焦模块对各条形光束进行实时动态补偿调节。

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.本发明涉及的减轻金属飞溅的金属3D打印系统设有光路整形模块，光路整形模块包括角度调节环、安装于角度调节环内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜、第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜，其中，第一鲍威尔棱镜与激光束偏心设置，用于沿一个方向扩散激光束，并使得扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱，第一准直透镜和第二准直透镜分别对第一鲍威尔棱镜扩散前后的激光束调节呈平行光束，金属3D打印时，通过角度调节环调节第一鲍威尔棱镜扩散激光的方向，使之与扫描方向相同且能量较高的一端位于扫描方向的前端，对某个打印位置处的金属粉末进行融化时，随着激光束与待烧结的金属粉末作用，金属粉末温度逐渐升高，同时激光能量也逐步降低，直至金属粉末熔化时，激光能量降到最低，通过激光束能量分布曲线与温度上升时金属粉末对激光吸收率的曲线进行补偿，在金属粉末在熔化时，降低液态金属对激光的吸收功率，使液态金属熔化后的反应不再剧烈，减少金属液滴的飞溅情况。

2.本发明涉及的减轻金属飞溅的金属3D打印系统涉及的光路整形模块还可以包括第二鲍威尔棱镜和多通道光栅光头，其中，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直，用于向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个方向拉伸，且第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜联合扩散后的截面为矩形截面，再通过多通道光栅光头沿着第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束，形成多条能量逐渐降低的条形激光束，能够减少金属液滴的飞溅情况的同时，提高打印效率。

附图说明

图1是现有金属3D打印产生飞溅物的原理图；

图2是金属铜对红外1064nm激光的吸收率曲线图；

图3是实施例1中涉及的前聚焦的减轻金属飞溅的金属3D打印系统结构图；

图4是实施例1中涉及的金属3D打印系统的光路整形模块的结构图；

图5是激光束经过偏心设置的第一鲍威尔棱镜后光强分布；

图6是激光束经过偏心设置的第一鲍威尔棱镜前后的能量分布详图；

图7是实施例1中涉及的后聚焦的减轻金属飞溅的金属3D打印系统结构图；

图8是激光器输入的激光束的高斯能量分布图；

图9是经过偏心的第一鲍威尔棱镜后光束的高斯能量分布图；

图10是经过不同偏心量的第一鲍威尔棱镜后光束的高斯能量分布图；

图11是角度调节环旋转时激光束的扩散方向随之变化的示意图；

图12是打印工作面的光斑的与激光扫描方向的关系图；

图13是实施例2中涉及的减轻金属飞溅的金属3D打印系统结构图；

图14是实施例2中省略角度调节环的光路整形模块的主视图；

图15是实施例2中省略角度调节环的光路整形模块的俯视图。

附图标记：1-激光器，2-光路整形模块，21-第一准直透镜，22-第一鲍威尔棱镜，23-第二鲍威尔棱镜，24-第二准直透镜，25-多通道光栅光头，26-动态对焦模块，27-变焦模块，28-角度调节环，3-成像模块，4-振镜模块，5-打印工作面。

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

参照附图3所示，本实施例涉及的一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统包括激光器1和设置在激光器1发射的激光束光路上的光路整形模块2、成像模块3、振镜模块4和打印工作面5。参照附图4所示，所述的光路整形模块2包括角度调节环28、安装于角度调节环28内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜21、第一鲍威尔棱镜22和第二准直透镜24；所述的第一准直透镜21用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜22用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜22与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱，激光束经过偏心设置的第一鲍威尔棱镜22后光强分布如图5和图6所示；所述的第二准直透镜24用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的角度调节环28配有驱动电机(图中未画出)，驱动电机用于旋转角度调节环28，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。

本实施例中，可以采用前聚焦系统，即成像模块3为设置在振镜模块4的光路前方的成像透镜，成像透镜为凸透镜，如图1所示；也可以采用后聚焦系统，即成像模块3为设置在振镜模块4的光路后方的场镜，如图7所示。

基于减轻金属飞溅的金属3D打印系统的3D打印方法，其包括以下步骤：

步骤1.启动激光器1，激光器1向光路整形模块2射出发散性的激光束，激光束的高斯能量分布如图8所示；

步骤2.如图4所示，激光束依次透过光路整形模块2中的第一准直透镜21、偏心设置的第一鲍威尔棱镜22和第二准直透镜24；所述的第一准直透镜21将激光束调整为平行光束，所述的第一鲍威尔棱镜22向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，且扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱，其能量分布如图9所示，当然，第一鲍威尔棱镜22的偏心量不同，能量分布也不同，激光束穿过另一偏心量的第一鲍威尔棱镜22后的能量分布如图10所示，具体的偏心量可根据实际打印需求进行调整；所述的第二准直透镜24将扩散后的激光束再次调节为平行光束；由图9和图10可知，扩散后的激光束光强较强的一端，其最前端存在光强逐渐增大的部分，但该部分长度相比于扩散后激光束截面长度而言极短，可以忽略不计；光强逐渐减弱的过程中，光强并不是一直减弱的，而是波动的，这里，扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱是指总的的趋势是逐渐减弱的；

步骤3.透过光路整形模块2的激光束经过成像模块3的聚焦以及振镜模块4的反射后照射至打印工作面5上的金属粉末层；

步骤4.根据打印文件规划扫描路径，振镜模块4根据扫描路径改变激光束照射至金属粉末层的位置，与此同时，驱动电机旋转角度调节环28，激光束的扩散方向随之发生变化，如图11所示，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且使得能量较高的一端位于扫描方向的前端，如图12所示，驱动电机旋转角度调节环28的角度为：

公式中，a1和b1分别表示任意一条扫描向量的起始点的横坐标和纵坐标，a2和b2分别表示任意一条扫描向量的终点的横坐标和纵坐标，β为相对于角度调节模块的初始状态，角度调节模块的调整角度。通过角度模块实时调整光斑的能量分布方向，可以满足激光在打印工作面内沿着任意方向扫描时，均能实现光斑中能量高的一端与扫描方向相同。

如此，对某个打印位置处的金属粉末进行融化时，随着激光束与待烧结的金属粉末作用，金属粉末温度逐渐升高，同时激光能量也逐步降低，直至金属粉末熔化时，激光能量降到最低，通过激光束能量分布曲线与温度上升时金属粉末对激光吸收率的曲线进行补偿，在金属粉末在熔化时，降低液态金属对激光的吸收功率，使液态金属熔化后的反应不再剧烈，减少金属液滴的飞溅情况。

实施例2

参照附图13所示，本实施例涉及的一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统包括激光器1和设置在激光器1发射的激光束光路上的光路整形模块2、成像模块3、振镜模块4和打印工作面5。参照附图14和15所示，所述的光路整形模块2包括角度调节环28、安装于角度调节环28内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜21、第一鲍威尔棱镜22、第二鲍威尔棱镜23和第二准直透镜24，以及设置在第二准直透镜24光路后侧的多通道光栅光头25、动态对焦模块26和变焦模块27；所述的第一准直透镜21用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜22用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜22与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱，激光束经过偏心设置的第一鲍威尔棱镜22后光强分布如图5和图6所示；所述的第二鲍威尔棱镜23与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜23与第一鲍威尔棱镜22相互垂直，用于向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个方向拉伸，且第二鲍威尔棱镜23与第一鲍威尔棱镜22扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜22和第二鲍威尔棱镜23联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱镜22的扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜24用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的多通道光栅光头25设置于角度调节环内，其与第一鲍威尔棱镜同步转动，用于始终沿着第一鲍威尔棱镜22拉伸激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束，多通道光栅光头25中每个通道光栅均可单独控制开关，所述的动态对焦模块26为一块调焦透镜，调焦透镜为凸透镜；所述的变焦模块27采用变焦透镜，变焦透镜为一块凹透镜；所述的动态对焦模块26和变焦模块27配有控制器，控制装置为音圈电机和控制电路(图中均未画出)，所述的动态对焦模块26和变焦模块27均通过音圈电机驱动，音圈电机由控制电路控制，动态对焦模块26和变焦模块27配合对各条形光束进行实时动态补偿调节。所述的角度调节环28配有驱动电机，驱动电机用于旋转角度调节环28，将条形光束的长度方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。

基于减轻金属飞溅的金属3D打印系统的3D打印方法，其包括以下步骤：

步骤1.启动激光器1，激光器1向光路整形模块2射出发散性的激光束，激光束的高斯能量分布如图8所示；

步骤2.如图13所示，激光束依次透过光路整形模块2中的第一准直透镜21、偏心设置的第一鲍威尔棱镜22、第二鲍威尔棱镜23、第二准直透镜24、多通道光栅光头25、动态对焦模块26和变焦模块27；所述的第一准直透镜21将激光束调整为平行光束，所述的第一鲍威尔棱镜22向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，且扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱，其能量分布如图9所示，当然，第一鲍威尔棱镜22的偏心量不同，能量分布也不同，激光束穿过另一偏心量的第一鲍威尔棱镜22后的能量分布如图10所示，具体的偏心量根据实际打印需求确认；所述的第二鲍威尔棱镜23向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个扩散方向拉伸，第二鲍威尔棱镜23与第一鲍威尔棱镜22扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜22和第二鲍威尔棱镜23联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱镜22的扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜24将扩散后的激光束再次调节为平行光束；所述的多通道光栅光头25沿着第一鲍威尔棱镜22扩散激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束；所述的动态对焦模块26和变焦模块27对各条形光束进行实时动态补偿调节；

步骤3.透过光路整形模块2的激光束经过成像模块3的聚焦以及振镜模块4的反射后照射至打印工作面5上的金属粉末层；

步骤4.根据打印文件规划扫描路径，振镜模块4根据扫描路径改变激光束照射至金属粉末层的位置，与此同时，驱动电机旋转角度调节环28，激光束的扩散方向随之发生变化，将各条形光束的长度方向调整至与扫描方向相同，且使得能量较高的一端位于扫描方向的前端，驱动电机旋转角度调节环28的角度为：

公式中，a1和b1分别表示任意一条扫描向量的起始点的横坐标和纵坐标，a2和b2分别表示任意一条扫描向量的终点的横坐标和纵坐标，β为相对于角度调节模块的初始状态，角度调节模块的调整角度；

扫描过程中，各条形光束的扫描长度可能不同，对此，可根据扫描路径，通过多通道光栅光头25调节各通道的开关，以满足不同扫描长度的需求。

相比于实施例1，本实施例实现多激光束同时打印，打印效率更高。

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。