3D打印过程中检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，及3D打印系统制造方法及图纸

所公开的是在3D打印过程中使用飞秒激光束检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，以及用于该装置的3D打印系统。从与3D打印激光源同轴设置的飞秒激光源辐射激光束，以检查打印物体的状态。由飞秒激光源产生的激光束被分离成泵浦激光束和探测激光束。由3D打印激光源辐射的打印激光束或泵浦激光束辐射到打印物体上，以产生超声波。为了测量超声波，将探测激光束辐射到打印物体上。检测被打印物体反射的探测激光束。通过分析经反射的探测激光束来检查打印物体的质量。打印物体的质量。打印物体的质量。

Method and device for checking printing quality of 3D printing object in 3D printing process, and 3D printing system

【技术实现步骤摘要】
3D打印过程中检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，及3D打印系统


[0001]本专利技术涉及一种三维(3D)打印技术，更具体地，涉及3D打印过程中使用飞秒激光束检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，以及具有该装置的3D打印系统。

技术介绍

[0002]众所周知，3D打印是一种生产三维物体的制造技术。对于三维物体的3D打印，它的处理方式是基于3D模型数据处理信息逐层堆叠。3D打印技术的优点是便于实现复杂的形状、产品内部形成的形状等。由于这些优势，3D打印技术作为一种高附加值的技术受到了人们的关注，它可以方便地制造各种产品，如各种工业零件和医疗材料。
[0003]可以通过将3D产品的形状分为若干个具有均匀或可变厚度的2D横截面，并形成要逐一堆叠的2D横截面来执行3D打印过程。已知的3D打印方法有多种，诸如材料挤出法、材料喷射法、粘结剂喷射法、片材层压法、大桶光聚合法、粉末床熔合法、定向能量沉积(DED)法等。其中，DED法是一种将激光能量施加到金属粉末或金属丝材料上进行熔化和融合的方法，与其他方法相比，DED法可以使用便宜的商品材料，在现有的三维形状上形成叠片，并且与其他方法相比具有卓越的机械性能，因此被广泛使用。
[0004]在根据DED方法的3D打印中，当将从激光源辐射的激光束辐射到基板上时形成熔池，并且将金属粉末提供到熔池上以形成叠片。
[0005]在3D打印结构中，不可避免地会出现粗糙度为几微米或更高的粗糙表面。在进行3D打印过程的成形室中，可能会产生诸如灰尘和/或运动产生的振动等不良环境。由3D打印过程形成的打印物品的物理特性和存在缺陷的相关信息是决定3D打印质量的重要因素。但是，能够应用于3D打印过程的测量技术非常有限。这是由于打印结构表面的粗糙度、成形室内部的恶劣环境以及数据采集和处理速度的限制。尤其是在3D打印过程中，还没有开发出通过实时分析测量获得的信息来检查打印质量的技术。

技术实现思路

[0006]为了解决上述现有技术的问题，本专利技术的实施例提供一种能够在3D打印过程中使用飞秒激光束测量打印物体的打印状态的方法，该方法具有高的空间测量分辨率，并能实时检查打印物体的打印质量。
[0007]此外，本专利技术的实施例是提供一种用于实现该方法的装置和具有该装置的3D打印系统。
[0008]在一个方面，本专利技术的一些实施例提供了检查3D打印物体的打印质量的方法。该检查方法包括通过将3D打印激光源产生的打印激光束辐射到提供到打印物体的基体材料上，进行3D打印过程；通过飞秒激光源产生飞秒激光束，以在进行3D打印过程中，实时进行打印物体物理特性的估算和打印物体缺陷的检测。将飞秒激光源产生的飞秒激光束分离成泵浦激光束和探测激光束；通过由3D打印激光源辐射的打印激光束激发打印物体或通过将
分离的泵浦激光束辐射到打印物体上来产生超声波；将探测激光束辐射到打印物体的凝固区域，以测量超声波。检测由打印物体反射的探测激光束，将其转换为电信号；并且通过分析经转换的电信号的振幅和相位，检查打印物体的打印质量，包括估算打印物体的物理特性和检测打印物体的缺陷。在该检查方法中，打印激光束以及与由飞秒激光束分离的泵浦激光束和探测激光束相互同轴对准并施加到打印物体上。此外，在3D打印过程中，使用飞秒激光束实时检查3D打印物体的打印质量。
[0009]在实施例中，在产生的超声波中，泵浦激光束可以辐射到与打印激光束间隔预定距离的打印物体的凝固区域，以产生超声波。
[0010]在实施例中，探测激光束和泵浦激光束可以辐射到打印物体相同的点上。
[0011]在实施例中，打印激光束、泵浦激光束以及飞秒激光束可以同轴地形成。
[0012]在实施例中，可以利用打印物体的表面反射波St引起的第一输出信号和打印物体的底部反射波Sr引起的第二输出信号之间的时间差来估算打印物体的物理特性。
[0013]在实施例中，物理特性可以包括打印物体的打印厚度和弹性模量中的至少一个。
[0014]在实施例中，打印物体的物理特性可以通过检测在打印物体中产生的超声波的传播速度的变化来估算。
[0015]在实施例中，检测超声波在打印物体中产生的传播速度的变化，可以通过分析由超声波引起的输出信号的相位差来进行。
[0016]在实施例中，通过检测超声波传播速度的变化来估算的物理特性可以包括弹性模量和/或残余应力。
[0017]在实施例中，检测超声波在打印物体中产生的传播速度的变化，可以通过检测超声波的对称模式和非对称模式的到达时间的变化来进行。
[0018]在实施例中，打印物体的缺陷的检测可以通过检测打印物体的裂缝和打印物体内部的空洞中的至少一个来进行。
[0019]在实施例中，打印物体缺陷的检测可以通过检测由打印物体中的裂缝和空洞中的至少一个产生的附加反射波Sr'引起的输出信号来进行。
[0020]在实施例中，通过调整光路长度，辐射到凝固区域的探测激光束在时间上可以比泵浦激光束延迟，辐射到凝固区域的泵浦激光束可以是以预定频率调制的信号。
[0021]在实施例中，在超声波的产生时，泵浦激光束可以辐射到与打印激光束相同的点上，以产生超声波。
[0022]在实施例中，在超声波的产生时，打印激光束可以作为泵浦激光束来产生超声波。
[0023]在实施例中，飞秒激光束的分离可以包括：使用第一分束器将飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；将分离的第一飞秒激光束调制成泵浦激光束；通过调整分离的第二飞秒激光束的光路长度来生成探测激光束；并且调整泵浦激光束的光路，使泵浦激光束与探测激光束和打印激光束同轴。
[0024]在实施例中，打印物体缺陷的检测可以通过检测由超声波引起的输出信号的非线性来进行。
[0025]在实施例中，检测由超声波引起的输出信号的非线性，可以通过检测打印物体同时被低频和高频超声波激发时产生的非线性调制信号来进行。
[0026]在实施例中，基于由超声波引起的输出信号的非线性检测到的缺陷可能是打印物
体的表面裂缝。
[0027]在其他方面，本专利技术的一些实施例提供了一种用于在3D打印过程中使用飞秒激光束检查打印物体的打印质量的装置。该装置包括3D打印激光源、飞秒激光源、第一分束器、电/声光调制器、时间延迟单元、第一光学单元、第二光学单元、光检测器、锁相放大器和控制单元。3D打印激光源被配置为通过产生用于3D打印的打印激光束以辐射到基体材料上来进行3D打印过程。飞秒激光源与3D打印激光源同轴设置，并被配置为产生飞秒激光束。第一分束器被配置为将由飞秒激光源产生的飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束。电/声光调制器被配置为将由第一分束器分离的第一飞秒激光束调制成用于激发打印物体的泵浦激光束。时间延迟单元被配置成为通过调整由第一分束器分离的第一飞秒激光束的光路长度，来延迟输出用于检查打印物体的打印质量的探测激光束。第一光学单元被配置为调整从3D打印激光源辐射的打印激光束或从电/声光学调制器输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.检查3D打印物体的打印质量的方法，其包括：通过将3D打印激光源产生的打印激光束辐射到提供给所述打印物体的基体材料上，进行3D打印过程；通过飞秒激光源产生飞秒激光束，以在进行所述3D打印过程中，实时进行所述打印物体的物理特性的估算和所述打印物体的缺陷的检测；将所述飞秒激光源产生的所述飞秒激光束分离成泵浦激光束和探测激光束；通过由所述3D打印激光源辐射的所述打印激光束激发所述打印物体或通过将分离的所述泵浦激光束辐射到所述打印物体上来产生超声波；将所述探测激光束辐射到所述打印物体的凝固区域，以测量所述超声波；检测由所述打印物体反射的所述探测激光束，将所述探测激光束转换为电信号；并且通过分析被转换的电信号的振幅和相位，检查所述打印物体的打印质量，包括估算所述打印物体的物理特性以及检测所述打印物体的缺陷，其中所述打印激光束以及与由所述飞秒激光束分离的所述泵浦激光束和所述探测激光束相互同轴对准，并施加到所述打印物体上，并且其中，在所述3D打印过程中，使用所述飞秒激光束实时检查所述3D打印物体的打印质量。2.如权利要求1所述的方法，在产生所述超声波时，将所述泵浦激光束辐射到与所述打印激光束间隔预定距离的所述打印物体的所述凝固区域，以产生所述超声波。3.如权利要求2所述的方法，其中所述探测激光束和所述泵浦激光束辐射到所述打印物体的相同点上。4.如权利要求1所述的方法，其中所述打印激光束、泵所述浦激光束和所述飞秒激光束同轴形成。5.如权利要求1所述的方法，其中利用所述打印物体的表面反射波St引起的第一输出信号和所述打印物体的底部反射波Sr引起的第二输出信号之间的时间差来估算所述打印物体的物理特性。6.如权利要求5所述的方法，其中所述物理特性包括所述打印物体的打印厚度和弹性模量中的至少一个。7.如权利要求1所述的方法，其中所述打印物体的物理特性通过检测在所述打印物体中产生的所述超声波的传播速度的变化来估算。8.如权利要求7所述的方法，其中检测所述超声波在所述打印物体中产生的传播速度的变化，通过分析由所述超声波引起的输出信号的相位差来进行。9.如权利要求7所述的方法，其中通过检测所述超声波传播速度的变化来估算的物理特性包括弹性模量和/或残余应力。10.如权利要求7所述的方法，其中检测所述超声波在所述打印物体中产生的传播速度的变化，通过检测所述超声波的对称模式和非对称模式的到达时间的变化来进行。11.如权利要求1所述的方法，其中所述打印物体的缺陷的检测通过检测所述打印物体的裂缝和所述打印物体内部的空洞中的至少一个来进行。12.如权利要求11所述的方法，其中所述打印物体的缺陷的检测通过检测由所述打印物体中的所述裂缝和所述空洞中的至少一个产生的附加反射波Sr'引起的输出信号来进
行。13.如权利要求1所述的方法，其中通过调整光路长度，辐射到所述凝固区域的所述探测激光束在时间上比所述泵浦激光束延迟，并且辐射到所述凝固区域的所述泵浦激光束是以预定频率调制的信号。14.如权利要求1所述的方法，其中在所述超声波的产生时，所述泵浦激光束辐射到与所述打印激光束相同的点上，以产生所述超声波。15.如权利要求1所述的方法，其中在所述超声波的产生时，所述打印激光束作为所述泵浦激光束来产生所述超声波。16.如权利要求1所述的方法，其中所述飞秒激光束的分离包括：使用第一分束器将所述飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；将分离的所述第一飞秒激光束调制成所述泵浦激光束；通过调整分离的所述第二飞秒激光束的光路长度来生成所述探测激光束；并且调整所述泵浦激光束的光路，使所述泵浦激光束与所述探测激光束和所述打印激光束同轴。17.如权利要求11所述的方法，其中通过检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙勋，刘沛沛，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：