用于按需喷滴三维（3D）物体打印的光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种3D物体打印机。该3D物体打印机有利地结合了改善该3D物体打印机的操作和输出的一个或多个光学系统和光学设备，该3D物体打印机包括例如激光加热系统或光学监测系统。提供了光学结构和系统的各种布置以将诸如激光束、照明光束、反射光束等光束引导至该3D物体打印机的制作环境中或引导出该3D物体打印机的该制作环境。这些光学结构和系统克服了3D物体打印机的结构约束和空间约束，否则这些约束可能妨碍该激光加热系统或该光学监测系统的有效操作。测系统的有效操作。测系统的有效操作。

【技术实现步骤摘要】
用于按需喷滴三维(3D)物体打印的光学系统


[0001]本文公开的设备和方法涉及三维(3D)物体打印机，并且更具体地涉及用于激光辅助按需喷滴3D金属物体打印机的光学系统。

技术介绍

[0002]除非本文另有说明，否则在本节中描述的材料不因包含在本节中而被承认是现有技术。
[0003]三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制作三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材工艺，其中增材制造设备喷射构建材料的滴液或挤出构建材料的带，以在先前沉积的层的顶部上形成零件的连续层。这些技术中的一些使用喷射可UV固化材料的喷射器，该可UV固化材料诸如光聚合物或弹性体，而其他的则是熔融塑料材料以产生热塑性材料，该热塑性材料被挤出以形成连续的热塑性材料层。这些技术用于构造具有各种形状和特征的三维物体。这种增材制造方法与传统物体形成技术不同，该传统物体形成技术主要依赖于通过减成法(诸如切割或钻孔)从工件上去除材料。
[0004]最近，已经开发出一些3D物体打印机，该3D物体打印机从一个或多个喷射器喷射熔融金属滴液以形成3D金属物体。这些打印机具有固体金属源，诸如线材卷、宏观尺寸的球粒或金属粉末，并且将固体金属馈送到打印机的加热接收器中，在该加热接收器中固体金属被熔融并且熔融金属填充该接收器。接收器由非导电材料制成，电线围绕该接收器包裹以形成线圈。电流通过线圈以产生电磁场，该电磁场致使接收器的喷嘴处的熔融金属滴液从接收器内的熔融金属分离并且从喷嘴被推射出去。平台被配置为通过控制器在平行于平台平面的X
‑<br/>Y平面中移动，该控制器操作致动器，使得从喷嘴喷射的熔融金属滴液在平台上形成物体的金属层。该控制器操作另一个致动器以改变喷射器或平台的位置，以在喷射器与形成中的金属物体的现有层之间维持适当的距离。这种类型的金属滴液喷射打印机被称为磁流体动力学(MHD)打印机。
[0005]虽然磁流体动力学打印已取得很大进展，但由常规磁流体动力学打印系统制作的零件通常在构建强度、粘附性、孔隙度、表面光洁度、裂缝、断裂、Z高度误差等方面表现出不一致性。鉴于上述情况，通常实施二次或印后工艺，诸如机加工和修整，以解决由常规磁流体动力学打印系统制作的零件中的不一致性。然而，这些印后工艺大幅降低了生产率并且对应地增加了经由磁流体动力学打印制作零件的成本。

技术实现思路

[0006]公开了一种用于制作零件的增材制造设备。该增材制造设备包括台板，该台板具有被配置为在该零件的制作期间对该零件进行支撑的表面。该增材制造设备还包括喷射器头部，该喷射器头部被布置在该台板的该表面上方。该喷射器头部被配置为朝向该台板的该表面喷射熔融构建材料的液滴以制作该零件。该增材制造设备包括光学系统，该光学系统具有至少一个结构，该结构被配置为在(i)位于该台板与该喷射器头部之间的制作环境
中的第一位置与(ii)第二位置之间对光进行重定向。
[0007]还公开了一种用于使用增材制造设备制作零件的方法。该方法包括：使用喷射器头部朝向台板喷射熔融构建材料的液滴，以在位于该台板与该喷射器头部之间的制作环境内制作零件。该方法还包括：在该制作环境内的第一位置与该制作环境外部的至少一个第二位置之间对光进行重定向。该重定向包括该光的至少一次反射。光源和光传感器中的至少一者定位在该至少一个第二位置处。该光包括以下中的至少一者：(i)由该光源生成并且被重定向到该零件和该液滴中的至少一者上的光；(ii)从该零件和该液滴中的至少一者反射并且被重定向到该光传感器上的光；和(iii)来自该零件和该液滴中的至少一者并且被重定向到该光传感器上的热发射光。该方法还包括：使用该光源和该光传感器中的至少一者来执行以下中的至少一者：控制该零件和该液滴中的至少一者的至少一个特性以及监测该零件和该液滴中的至少一者的至少一个特性。
附图说明
[0008]该增材制造设备的前述方面和其他特征在以下描述中进行了说明，该描述结合附图进行。
[0009]图1示出了结合了激光加热系统和光学监测系统的示例性3D物体打印机的横截面图。
[0010]图2A和图2B示出了光学监测系统的示例性布置和部件。
[0011]图3示出了光学设备的布置，其中光束在光学设备和目标位置之间具有直接光学路径，但是带有高入射角。
[0012]图4A和图4B示出了具有成角度的端面的第一示例性透明杆。
[0013]图5A示出了具有平坦侧表面的透明杆的横截面。
[0014]图5B示出了图5A的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性椭圆光束足迹。
[0015]图6A示出了具有曲率半径不同的侧表面的透明杆的横截面。
[0016]图6B示出了图6A的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性圆形化光束足迹。
[0017]图7示出了图4A和图4B的旋转不同导致光束入射角不同的透明杆。
[0018]图8A和图8B示出了结合了图4A和图4B的透明杆的3D物体打印机的第一示例性实施方案的截面图。
[0019]图9A和图9B示出了具有成角度的端面的第二示例性透明杆。
[0020]图10A和图10B示出了结合了图9A和图9B的透明杆的3D物体打印机的第二示例性实施方案。
[0021]图11A、图11B和图11C示出了具有通过透明接头连接的多个透明杆的示例性光学系统。
[0022]图12A和图12B示出了具有成角度的端面的示例性反射杆。
[0023]图13A示出了反射杆的变型，其中成角度的端面具有圆柱形形状。
[0024]图13B示出了图12A和图12B的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性椭圆光束足迹。
[0025]图13C示出了图13A的反射杆在非零入射角处可能出现的示例性圆形化光束足迹。
[0026]图14示出了图12A和图12B的旋转不同导致光束入射角不同的反射杆。
[0027]图15A和图15B示出了结合了图12A和图12B的反射杆的3D物体打印机的第三示例性实施方案的横截面图。
[0028]图16示出了结合了光学系统的嵌入在隔热罩内的杆的3D物体打印机100的第四示例性实施方案。
[0029]图17A和图17B示出了具有准直器的示例性光源。
[0030]图18A示出了用于将光源与透明杆耦合的第一布置。
[0031]图18B示出了用于将光源与透明杆耦合的第二布置。
[0032]图19A示出了用于将光源与光学系统耦合的第三布置。
[0033]图19B示出了用于将光源与透明杆耦合的第四布置。
[0034]图20A示出了用于将光源与反射杆耦合的第五布置。
[0035]图20B示出了用于将光源与反射杆耦合的第六布置。
[0036]图21示出了使用增材制造设备制作零件的方法的流程图。
具体实施方式
[0037]为了促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中例示并且在以下书面说明书中描述的实施方案。应当理解，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制作零件的增材制造设备，所述增材制造设备包括：台板，所述台板具有被构造成在所述零件的制作期间支撑所述零件的表面；喷射器头部，所述喷射器头部被布置在所述台板的所述表面上方，所述喷射器头部被构造成朝向所述台板的所述表面喷射熔融构建材料的液滴以制作所述零件；和光学系统，所述光学系统具有至少一个结构，所述至少一个结构被构造成在(i)位于所述台板与所述喷射器头部之间的制作环境中的第一位置与(ii)第二位置之间对光进行重定向。2.根据权利要求1所述的增材制造设备，还包括：光源，所述光源被布置在所述第二位置处并且被构造成输出所述光，所述光由所述光学系统从所述光源朝向所述第一位置重定向。3.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源是被构造成输出激光束的激光器，所述激光束由所述光学系统从所述激光器朝向所述第一位置重定向。4.根据权利要求3所述的增材制造设备，还包括：激光加热系统，所述激光加热系统被构造成在所述零件的所述制作期间使用所述激光器来加热所述零件的一部分。5.根据权利要求2所述的增材制造设备，还包括：监测系统，所述监测系统被构造成使用所述光源对所述零件和所述熔融构建材料的所喷射的液滴中的至少一者的至少一个特性进行测量。6.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源经由准直器与所述至少一个结构耦合。7.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源经由透镜与所述至少一个结构耦合。8.根据权利要求1所述的增材制造设备，还包括：光传感器，所述光传感器被布置在所述第二位置处并且被构造成从所述第一位置接收反射光和热发射光中的至少一者，所述反射光和所述热发射光中的所述至少一者由所述光学系统从所述第一位置朝向所述第二位置重定向。9.根据权利要求8所述的增材制造设备，其中所述光传感器是(i)照相机和(ii)高温计中的一者，所述照相机被构造成基于所述反射光生成所述第一位置的至少一个图像，所述高温计被构造成基于所述热发射光测量所述第一位置处的温度。10.根据权利要求8所述的增材制造设备，还包括：监测系统，所述监测系统被构造成使用所述光传感器对所述零件和所述熔融构建材料的所喷射的液滴中的至少一者的至少一个特性进行测量。11.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述第二位置在所述制作环境的外部。12.根据权利要求1所述的增材制造设备，所述光学系统还包括：第一透明杆，所述第一透明杆具有第一端和第二端，所述光在所述第一端和所述第二端之间沿所述第一透明杆的纵轴方向行进通过所述第一透明杆。13.根据权利要求12所述的增材制造设备，其中光源和光传感器中的一者耦合到所述第一透明杆的所述第一端。14.根据权利要求12所述的增材制造设备，其中所述第一透明杆的所述第二端具有成
角度的端面，所述成角度的端面相对于所述第一透明杆的纵向轴线成角度，所述成角度的端面的所述角度被构造成引起所述光的全内反射，使得所述光在所述第一端与所述成角度的端面之间行进并且在所述成角度的端面与所述第二端的邻近所述成角度的端面的侧表面之间行进。15.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述成角度的端面相对于所述第一透明杆的所述纵向轴线的所述角度为约45度，使得所述光以基本上直角反射。16.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述第一透明杆具有旋转，使得所述成角度的端面被取向成以下中的一者：(i)使所述光朝向所述第一位置反射以及(ii)接收已经从第一位置反射的所述光中。17.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述第二端的所述侧表面具有与所述第二端的另一个侧表面的曲率半径不同的曲率半径，并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：