3D打印激光均匀扫描的光路控制方法技术

本发明专利技术涉及增材制造领域，公开了一种实现3D打印激光均匀扫描的光路控制方法。该光路控制方法，包括内部扫描和轮廓扫描，内部或者轮廓扫描时，在扫描线的前端和后端分别设置延长线；将激光对应点的加速阶段设置在扫描线前端的延长线上，激光对应点在延长线移动时，激光处于闭光状态，激光对应点处于均速阶段并进入扫描线时，激光开始出光进行扫描，在激光匀速完成扫描线后，激光闭光，激光对应点在扫描线后端的延长线上完成减速阶段。本发明专利技术的光路控制方法将激光对应点的加速阶段和减速阶段分别设置于扫描线的前后两端的延长线上，激光在扫描线上扫描时处于匀速状态，在避免扫描线起始端和结束端“火柴头”效应的同时，也防止了扫描区域的缺失。描区域的缺失。描区域的缺失。

【技术实现步骤摘要】
3D打印激光均匀扫描的光路控制方法


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，具体是一种实现3D打印激光均匀扫描的光路控制方法。

技术介绍

[0002]增材制造又俗称3D打印，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。相比传统制造技术，增材制造具有能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料等优点。而金属增材制造由于能够直接制造结构致密、冶金结合的高精度金属零件，成为了目前最热门的制造技术。
[0003]其中金属增材制造的代表技术激光选区熔化的成型过程如下：铺粉装置在成型缸上铺上一层金属粉末，激光束在计算机控制下出光和闭光，根据成型件截面形状信息，在两块扫描振镜的偏转控制下，激光束会对粉末床进行扫描，使扫描区域内的粉末熔化，得到成型件的单层形状；接着成型缸下降一个层厚的距离，铺粉装置重新铺粉，继续进行下一层的成型；如此逐层叠加，最终获得特定几何形状的金属零件。
[0004]其中一个零件的扫描成型的过程中，每一层都会分为内部区域和轮廓区域两部分，激光束需要对这两个区域进行扫描填充。激光扫描是一个快速变化的动态过程，会存在激光出光、激光加速、激光匀速运动、激光减速和激光闭光等多个过程；激光出光和闭光需要和振镜的偏转相互配合，才能获得理想的扫描填充过程。
[0005]因为一段扫描线的起始段和结束段有激光加速和减速过程的存在，加速和减速段的能量密度高于匀速段，使整段扫描线的能量密度不均匀；更高的能量密度带来更宽的熔道宽度，在扫描线的两端形成“火柴头”效应，使零件边缘产生凸起，影响零件的致密度和表面质量。
[0006]现有的激光扫描光路控制方法是采用激光延迟来缓解两端火柴头效应，扫描线起点和扫描振镜运动起点为重合，通过设置激光延迟出光和延迟闭光的时间，来尽可能减少起始段和结束段能量不均匀的情况，缓解“火柴头”效应。这种扫描光路控制方法存在以下问题：
[0007]1、激光延迟依靠经验设置，因而多数情况下，只能缓解“火柴头”效应，而无法完全消除“火柴头”效应。
[0008]2、由于存在激光延迟时间，理论起始点和实际扫描线起始点之间总会存在扫描缺失的情况，造成轮廓和内部区域搭接部分有小孔缺陷；
[0009]3、当扫描零件的轮廓部分时，由于存在激光延迟，轮廓的拐角处会存在细节缺失，最终影响零件外表面的精度；
[0010]4、不同的扫描速度对应的激光延迟时间也会有所不同，因此当打印参数发生变化和调整时，激光延迟参数也需要改变，而具体改变的数据则需要进行大量试验和经验积累，这对于参数优化和材料开发来说，效率较低。

技术实现思路

[0011]基于上述现有技术的问题，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，有效提高激光扫描的均匀性，避免扫描线起始端和结束端“火柴头”效应。
[0012]本专利技术公开的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，包括内部扫描和轮廓扫描，内部或者轮廓扫描时，在扫描线的前端和后端分别设置延长线；将激光对应点的加速阶段设置在扫描线前端的延长线上，激光对应点在扫描线前端的延长线移动时，激光处于闭光状态，激光对应点处于均速阶段并进入扫描线时，激光开始出光进行扫描，在激光匀速完成扫描线后，激光闭光，激光对应点在扫描线后端的延长线上完成减速阶段。
[0013]优选地，根据激光匀速扫描的速度和激光对应点的加速及减速阶段的加速度建立延长线长度公式和激光出光时间公式，将延长线长度公式和激光出光时间公式写入激光控制系统中，激光匀速扫描的速度和激光对应点加速度发生调整时，自动执行新的延长线长度和激光出光时间。
[0014]优选地，设定激光匀速扫描的速度为V，激光对应点在加速和减速阶段做匀加速运动，加速度为a，扫描线前端和后端的延长线均为V2/2a，激光对应点在扫描线前端的延长线从0加速运动V/a时间后，激光开始出光进入扫描线进行匀速扫描，扫描线完成后，激光闭光，激光对应点在扫描线后端的延长线上经过V/a时间后速度减为零。
[0015]优选地，在扫描前，先获取得到轮廓熔道的宽度D1和内部扫描线熔道宽度D2，设置实际轮廓扫描线中心相对于理论轮廓向内偏移D1/2的距离，内部扫描线的起点和终点相对于理论轮廓向内偏移D1/2+D2/4的距离。
[0016]优选地，内部扫描时，同一层面的同一扫描区域内的内部扫面线相平行；在同一扫描区域内，相邻的内部扫描线的扫描方向相反，激光扫描完成一条内部扫描线后闭光，激光对应点经该条内部扫描线后端的延长线减速后，空跳至相邻的下一条内部扫描线前端的延长线上加速，再进入下一条内部扫描线进行激光出光扫描。
[0017]优选地，内部扫描时，相邻两层的内部扫描线中，上下位置对应的内部扫描线在同一层面上的投影相交。
[0018]优选地，在上下位置对应的内部扫描线中，第n+1层内部扫描线的扫描方向相比第n层顺时针或逆时针旋转α角度，其中，n为大于或等于1的整数，0
°
＜α＜180
°
。
[0019]优选地，α同时满足如下要求：
[0020](1)α≥10
°
且α≤170
°
；
[0021](2)180
°
或360
°
除以α所得的余数大于或等于5
°
并且该余数与α的差值也大于或等于5
°
；
[0022](3)180
°
或360
°
除以(180
°
－α)所得的余数大于或等于5
°
并且该余数与(180
°
－α)的差值也大于或等于5
°
。
[0023]优选地，每层轮廓扫描线包括至少两个拐点，以拐点为界，划分出与拐点数量一致的轮廓分段扫描线，以一个拐点为扫描起点，激光扫描完成一条轮廓分段扫描线后闭光，激光对应点经该条轮廓分段扫描线后端的延长线减速后，空跳至相邻的下一条内部扫描线前端的延长线上加速，再进入下一条轮廓分段扫描线进行激光出光扫描。
[0024]优选地，轮廓扫描时，相邻两层的轮廓扫描线的起点及终点相互错开。
[0025]优选地，每层轮廓扫描线包括至少两个拐点，轮廓扫描线的起点和终点设置于拐点上，第n+1层轮廓扫描线的起始和终止点相比第n层顺时针或者逆时针移动一个拐角，其中，n为大于或等于1的整数。
[0026]本专利技术的光路控制方法将激光对应点的加速阶段和减速阶段分别设置于扫描线的前后两端的延长线上，激光在扫描线上扫描时处于匀速状态，在避免扫描线起始端和结束端“火柴头”效应的同时，也防止了扫描区域的缺失；保证了成型零件的表面质量和内部致密度，在打印参数发生变化和调整时，只需进行理论计算即可调整光路控制参数，可以有效提高工作效率。本专利技术可用于激光选区熔化、激光选区烧结等3D打印的激光光路控制。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，包括内部扫描和轮廓扫描，其特征在于，内部或者轮廓扫描时，在扫描线的前端和后端分别设置延长线；将激光对应点的加速阶段设置在扫描线前端的延长线上，激光对应点在扫描线前端的延长线移动时，激光处于闭光状态，激光对应点处于均速阶段并进入扫描线时，激光开始出光进行扫描，在激光匀速完成扫描线后，激光闭光，激光对应点在扫描线后端的延长线上完成减速阶段。2.如权利要求1所述的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，其特征在于：根据激光匀速扫描的速度和激光对应点的加速及减速阶段的加速度建立延长线长度公式和激光出光时间公式，将延长线长度公式和激光出光时间公式写入激光控制系统中，激光匀速扫描的速度和激光对应点加速度发生调整时，自动执行新的延长线长度和激光出光时间。3.如权利要求1或2所述的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，其特征在于：设定激光匀速扫描的速度为V，激光对应点在加速和减速阶段做匀加速运动，加速度为a，扫描线前端和后端的延长线均为V2/2a，激光对应点在扫描线前端的延长线从0加速运动V/a时间后，激光开始出光进入扫描线进行匀速扫描，扫描线完成后，激光闭光，激光对应点在扫描线后端的延长线上经过V/a时间后速度减为零。4.如权利要求1所述的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，其特征在于：在扫描前，先获取得到轮廓熔道的宽度D1和内部扫描线熔道宽度D2，设置实际轮廓扫描线中心相对于理论轮廓向内偏移D1/2的距离，内部扫描线的起点和终点相对于理论轮廓向内偏移D1/2+D2/4的距离。5.如权利要求1所述的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，其特征在于，内部扫描时，同一层面的同一扫描区域内的内部扫面线相平行；在同一扫描区域内，相邻的内部扫描线的扫描方向相反，激光扫描完成一条内部扫描线后闭光，激光对应点经该条内部扫描线后端的延长线减速后，空跳至相邻的下一条内部扫描线前端的延长线上加速，再进入下一条内部扫描线进行激光出光扫描。6.如权利要求1或6所述的3D打印激光均匀扫描的光路控制方法，其特征在于，内部扫描时，相邻两层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿诚，钟林森，邹善方，吴利苹，张志霄，
申请(专利权)人：成都天齐增材智造有限责任公司，
类型：发明
国别省市：