光全息复杂结构高速增材制造装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光全息复杂结构高速增材制造装置及方法，属于增材制造领域。选用液态光敏树脂作为成型件主体材料，通过计算机设计所需成型件的几何构型，并对所需件的几何构型进行抽样、计算并传输至空间光调制器中，激光源发射脉冲激光经过空间滤波器、准直镜后平行射入空间光调制器中，对空间光调制器中的脉冲激光进行振幅和相位调制并射出至液态光敏树脂中，经调制后脉冲激光经过聚光镜在液态光敏树脂中相互干涉形成所需成型件的实像，激光干涉引起所成实像处激光振幅增大，引发该处液态光敏树脂聚合固化，实现所需成型件的高速增材制造。提高了成型速度，采用计算全息和空间光调制器，可实现任意复杂结构物体的再现与固化。

【技术实现步骤摘要】
光全息复杂结构高速增材制造装置及方法
本专利技术涉及增材制造领域，具体涉及一种光全息复杂结构增材制造方法及装置。
技术介绍
增材制造技术是一项基于逐层累加材料的方式进行实体制造的新型技术，不同于传统加工方式的减材制造和等材制造，增材制造技术极大减少了产品的加工工序和加工道具种类，在产品研发、个性化定制方面缩短了产品加工时间和制造周期，实现高速精密制造复杂零部件的个性化定制，同时实现近净成形，对推动产品创新、缩短研发周期具有重大意义。立体光固化增材制造技术是采用特定波长的激光，使用液态光敏树脂作为主体材料，通过三维设计软件对所需成型件进行设计并切片处理设计扫描路径，激光照射液态光敏树脂并使照射点固化，并根据设定的扫描路径运动实现由点、线、面、体的固化成型，最终实现所需成型件的层层堆叠光固化三维成型。数字光投影增材制造技术原理和立体光固化增材制造技术相似，均采用液态光敏树脂为主体材料并逐层固化成型，但不同于立体光固化增材制造技术的单点固化，数字光处理采用的是经切片处理的三维模型的许多帧图片并由数字投影仪照射到液态光敏树脂中，实现面的高速固化，并配合升降台实现所需成型件的三维成型。立体光固化和数字光投影增材制造技术成型原理均为层层固化并堆叠成型，成型件的表面具有台阶效应，成型原理决定表面分层现象，成型质量较低，无法实现高速高精度光固化成型。全息技术是可以将空间中的振幅、相位分布情况记录在全息图上并再现出来的一项技术。其步骤为先利用干涉原理记录物体表面光波的振幅和相位信息并制作相应的全息图，再通过衍射原理，用相同波长的激光照射全息图，激光通过全息图发生衍射再现原有三维物体图像，重现图像为三维立体实像，能够从各个角度观察三维立体实像，且光衍射后在实像处的能量明显高于周围的光波能量。计算全息是建立在数字计算和现代全息光学的基础上的一项新型技术，通过计算机模拟光波干涉过程，并编码计算物体编码光波的振幅和相位信息，且噪声低，重复性高，甚至可记录现实不存在的物体的全息图，相对光学全息图具有明显优势。空间光调制器能够通过计算机主动控制，调制光场的个别参量，例如调制通过光场的振幅，通过折射率调制相位，调制通过光波的传播方向，甚至可以实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。它可以方便地将信息加载通过的光场中，实现实时光学信息处理、光互连、光计算等目的。空间光调制器结合计算全息技术，即可实现全息光学一样的记录、重现三维立体实像，相对于全息光学具有明显优点，具有抗干扰能力强、重复性高、可显现现实不存在的物理实像、可快速变化显示不同三维图形等优点。
技术实现思路
本专利技术提供一种光全息复杂结构高速增材制造方法和装置，目的在于克服当前光固化增材制造成型过程中的台阶效应，从原理上避免增材制造层层堆叠出现的分层现象，为复杂零部件的高速增材制造提供新方法，同时大大提高了成型速度和成型质量，实现复杂结构高速高效高质量增材制造。本专利技术采取的技术方案是：包括下列步骤：(1)、采用计算机设计所需成型件的结构并制作三维模型；(2)、对步骤(1)中所述三维模型进行抽样，总抽样点数为N：已知：三维模型在X-Y-Z三个方向的最大尺寸为x'、y'、z'，在X方向的抽样间距为x0，抽样点为个，在Y方向的抽样间距为y0，抽样点为个，在Z方向的抽样间距为z0，抽样点为个，总抽样点数(3)、根据点源集合法计算步骤(2)中所述的各抽样点干涉后在空间光调制器上的振幅相位分布并表示成振幅和相位的形式：空间光调制器的振幅相位分布H(xm,ym,0)：第n个抽样点(xn,yn,zn)距空间光调制器第m个像素点(xm,ym,0)的距离：已知：三维模型的第n个抽样点坐标为(xn,yn,zn)，空间光调制器第m个像素点坐标为(xm,ym,0)，An为第n个点抽样点的振幅，A(x,y,0)为激光在空将光调制器上干涉后的幅值，φn为第n个抽样点的相位，φm为空将光调制器第m个像素点干涉后的相位即第m个像素点的调制相位，表示波数，λ为脉冲激光在液态光敏树脂中的波长；(4)、根据步骤(3)中所得的空间光调制器第m个像素点的调制相位φm对调制幅值Am进行计算：空间光调制器调制后的第m个像素点(xm,ym,0)的调制振幅和调制相位可表示为：H(xm,ym.0)＝Amexp(iφm)……(1)Am为空间光调制器第m个像素点的调制振幅，已知φm为空间光调制器调制后第m个像素点的调制相位；空间光调制器调制后激光干涉形成三维模型实像，三维模型实像第q个点(xq,yq,zq)的振幅相位分布：三维模型实像上的第q个点距空间光调制器第m个像素点的距离：已知：三维模型实像第q个点的坐标为(xq,yq,zq)，M为空间光调制器像素点的个数；三维模型实像第q个点(xq,yq,zq)的振幅相位分布H(xq,yq,zq)可表示为：H(xq,yq,zq)＝Aqexp(iφq)……(4)三维模型实像第q个点(xq,yq,zq)的能量E(xq,yq,zq)为：已知液态光敏树脂固化的能量阈值为△E，Aq为三维模型实像第q个点的振幅，φq为三维模型实像第q个点的相位，μ为脉冲激光在液态光敏树脂中的磁导率；通过计算机联立公式(1)(2)(3)(4)(5)可得空间光调制器第m个像素点调制振幅Am；(5)、将步骤(4)中所述的空间光调制器第m个像素点的调制振幅Am、调制相位φm输入空间光调制器中；(6)、激光器产生脉冲激光，经空间滤波器和准直镜滤波、准直后形成所需入射脉冲激光并射入空间光调制器中；(7)、空间光调制器根据步骤(5)中所述的输入调制振幅Am和调制相位φm对步骤(6)中所述的入射脉冲激光进行幅值和相位调制，幅值调制成Am，相位调制成φm，并以透射脉冲激光的形式通过聚光镜射入液态光敏树脂中，脉冲激光干涉形成所需成型件实像；(8)、步骤(7)中所述的所需成型件实像处(xq,yq,zq)由于脉冲激光干涉明显，该处脉冲激光振幅和能量较大，大于液态光敏树脂固化所需能量阈值，引发该处液态光敏树脂聚合固化，其余部分激光能量小于液态光敏树脂固化所需能量阈值不发生固化，得到所需成型件的毛坯件；(9)对步骤(8)所得毛坯件进行清理和表面打磨得到最终成型件。本专利技术步骤(5)中所述的入射脉冲激光射入空间光调制器是的入射角θ范围为0°～10°。一种光全息复杂结构高速增材制造装置，包括激光器、空间滤波器、准直镜、空间光调制器、聚光镜、隔离室、透射窗、储液槽；其中空间滤波器安装在激光器上方，准直镜安装在空间滤波器上方，空间光调制器安装在准直镜上方，聚光镜安装在空间光调制器上方，激光器、空间滤波器、准直镜、空间光调制器、聚光镜均安装在隔离室中并根据激光经过光学路径顺序进行排列且均位于光学路径上，透射窗安装在隔离室上并位于光学路径最末端，隔离室安装在储液槽中且位于储液槽底部中间位置。本专利技术所述的激光器能够产生单一稳定波长的脉冲激光。本专利技术所述透射窗为玻璃材料，透射窗上下表面均为光学平面。本专利技术通过计算物体表面光波的相位和振幅信息并输入空间光调制器中，激光器发出脉冲激光通过空降滤波器、准直镜进入空间光调制器中，振幅、相位按计算结果调制后的光波通过聚光镜射入液态光敏树脂中并再现三维物体实像，实像处液态光敏树脂恰好吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光全息复杂结构高速增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)、采用计算机设计所需成型件的结构并制作三维模型；(2)、对步骤(1)中所述三维模型进行抽样，总抽样点数为N：已知：三维模型在X‑Y‑Z三个方向的最大尺寸为x'、y'、z'，在X方向的抽样间距为x

【技术特征摘要】
1.一种光全息复杂结构高速增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)、采用计算机设计所需成型件的结构并制作三维模型；(2)、对步骤(1)中所述三维模型进行抽样，总抽样点数为N：已知：三维模型在X-Y-Z三个方向的最大尺寸为x'、y'、z'，在X方向的抽样间距为x0，抽样点为个，在Y方向的抽样间距为y0，抽样点为个，在Z方向的抽样间距为z0，抽样点为个，总抽样点数(3)、根据点源集合法计算步骤(2)中所述的各抽样点干涉后在空间光调制器上的振幅相位分布并表示成振幅和相位的形式：空间光调制器的振幅相位分布H(xm,ym,0)：第n个抽样点(xn,yn,zn)距空间光调制器第m个像素点(xm,ym,0)的距离：已知：三维模型的第n个抽样点坐标为(xn,yn,zn)，空间光调制器第m个像素点坐标为(xm,ym,0)，An为第n个点抽样点的振幅，A(x,y,0)为激光在空将光调制器上干涉后的幅值，φn为第n个抽样点的相位，φm为空将光调制器第m个像素点干涉后的相位即第m个像素点的调制相位，表示波数，λ为脉冲激光在液态光敏树脂中的波长；(4)、根据步骤(3)中所得的空间光调制器第m个像素点的调制相位φm对调制幅值Am进行计算：空间光调制器调制后的第m个像素点(xm,ym,0)的调制振幅和调制相位可表示为：H(xm,ym.0)＝Amexp(iφm)……(1)Am为空间光调制器第m个像素点的调制振幅，已知φm为空间光调制器调制后第m个像素点的调制相位；空间光调制器调制后激光干涉形成三维模型实像，三维模型实像第q个点(xq,yq,zq)的振幅相位分布：三维模型实像上的第q个点距空间光调制器第m个像素点的距离：已知：三维模型实像第q个点的坐标为(xq,yq,zq)，M为空间光调制器像素点的个数；三维模型实像第q个点(xq,yq,zq)的振幅相位分布H(xq,...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文征，刘巍，蒋吉利，武子超，耿鹏，赵继，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22