3D打印装置、打印方法及其运动控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种3D打印装置，包括：物料铺设单元和工作台；激光束成型单元；粗动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动；测量系统，包括粗动测量系统和微动测量系统；控制系统，分别与物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，其根据待打印工件的模型控制粗动单元移动、微动单元移动和控制物料铺设单元向工作台上传送原材料，其获取测量系统的位移测量值，控制激光束成型单元完成打印。本发明专利技术引用运动系统的粗动、微动联合驱动技术，在不需要成型的结构处以粗动单元快速运动，再以微动单元精确定位，实现速度与精度的双赢。

3D printing device, printing method and motion control method thereof

The invention provides an 3D printing device, including: material laying unit and work table; laser beam forming unit; coarse moving unit for driving the laser beam forming unit relative to the table according to the first track set; micro unit is used for driving the laser beam forming unit of work table according to the second track set; the measurement system, including the coarse motion measurement system and micro measurement system; control system, and the material laying unit, laser beam shaping unit, coarse moving unit, fretting unit and a measuring system is connected, according to the print job control model of the coarse motion unit, and control unit of mobile micro mobile material laying unit to transmit the raw materials to work on the stage, the measurement system of displacement measurement, laser beam shaping unit to complete printing. The invention combines the coarse motion and micro motion combined driving technology of the motion system, and realizes the quick win of the speed and the precision by the rapid movement of the rough moving unit without the forming structure, and the precise positioning of the micro motion unit.

【技术实现步骤摘要】
3D打印装置、打印方法及其运动控制方法
本专利技术涉及3D打印领域，尤其是一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法。
技术介绍
3D打印是一种快速成型“增材制造技术”，在节省耗材及复杂造型两方面表现突出，具有制造成本低、生产周期短等明显优势。而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。它是一种新兴行业，发展前景乐观，对传统制造工艺带来了革命性的挑战。目前，材料种类及性能、打印精度、金属打印力学性能及零件尺寸是制约3D打印技术快速发展的瓶颈。随着在工业领料的不断拓展，3D金属打印是重要发展方向，并对打印精度提出更高的要求，另外工件尺寸也会越来越大。根据打印的成型工艺及材料的不同，3D打印机的具体技术方向也不同，进而各功能部件的设置及联动形式也不同。由于其逐层打印立体成型的特点，无论哪种成型工艺，都离不开运动结构单元，用于能量、物料的立体构造，如供料单元、成型单元和工作台等。三维立体的打印制件，在逐层成型的过程中，每一节点的分辨率是影响该层轮廓度的重要指标，加上纵向轮廓的分辨效果，最终决定了立体物品的整体轮廓质量，反映到设备结构中即是运动部件的定位精度问题。运动台的定位精度及各运动轴之间的联动控制是制约3D打印精度的关键因素，物料的精确定位、能量光束的精准控制至关重要。特别是金属打印设备中，金属粉末的颗粒度相当精细，对于一般精度零件来说，粉末材料的精细化已不是影响精度的瓶颈，随着金属粉末的更加精细，在微纳加工级别的3D打印领域中对设备的要求就显得非常明显了，而设备的性能又往往体现于运动部件的位置精度。根据功能及性能需求不同，成型的三维模型结构复杂各异，若同一成型层中结构要素不连续，如孔状结构，这就要求运动轨迹能够做到快速的过渡，以保证较高产率。而当前的3D打印设备运动轴精度都是固定的，缺少柔性，当轨迹过渡时速度需求往往大于精度需求，并不需要较高的精度。当前的3D打印设备中，在供料装置、成型装置、工作台运动系统中，多采用运动轴的开环控制，缺少运动部件位置的反馈控制，主流的高精度打印设备中有采用运动部件位置的反馈环节，也仅是单独对运动系统采用了高精度的测量系统，将采集到的位移信号作为反馈，尚没有采用对两个联合运动轴间进行直接测量的技术，通过选用更靠近成型工件的要素定位精度进行监测，能更科学的反映联动轴之间的定位误差，从而更能保证工件成型的精度。在选择性激光烧结3D打印设备中，制约打印成型质量的另一重要因素是激光光斑的精度，运动台的定位精度与光斑的定位精度要系统匹配起来。激光光斑直径的大小对制件的精度和生产效率影响较大，水平向光斑直径越小精度越高，但生产效率低，垂向离焦量对烧结深度有影响，当激光焦点落在粉末层的不同位置，即离焦量不同时，对烧结深度的影响较大，在焦点附近，烧结深度较深,在负离焦时，热量能向下传播更远的距离，深度达到最大值。由于激光束的能量呈高斯分布规律，且停留时间极为短暂，因此烧结区域的物质密度和温度梯度巨大，扫描间隔即光斑的步进量对烧结程度影响较大。因此，如何在不连续层结构中实现轨迹快速过渡而又不损失精度，具有较高的经济效益，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法，以解决现有技术中定位精度较差，无法实现轨迹快速过渡而又不损失精度的问题。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种3D打印装置，包括：物料铺设单元和工作台，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台上；激光束成型单元，用于将工作台上的原材料烧结成型；粗动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动，所述微动单元的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统和用于测量所述微动单元位移的微动测量系统；控制系统，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件的模型控制所述粗动单元移动、微动单元移动和控制所述物料铺设单元向工作台上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元完成对工作台上原材料的打印。进一步地，所述粗动单元包括第一粗动单元和第二粗动单元，所述第一粗动单元和第二粗动单元分别在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，且所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量第一粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量第二粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。进一步地，还包括机架，所述第一粗动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴的方向移动，所述第二粗动单元与第一粗动单元连接，并能够在所述第一粗动单元上沿第二坐标轴的方向移动，所述微动单元与第二粗动单元连接，并能够在所述第二粗动单元上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动，所述微动测量系统固定在第二粗动单元上，用于测量所述微动单元在第一坐标轴和第二坐标轴的方向上的位移，所述激光束成型单元固定在微动单元上。进一步地，所述工作台固定在所述机架上，所述第一测量单元固定在机架上，所述第二测量单元固定在第一粗动单元上。进一步地，还包括支座单元，所述支座单元通过所述粗动单元与工作台连接，并能够驱动所述工作台在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。进一步地，还包括机架，所述微动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动。进一步地，所述工作台固定在机架上，所述第一测量单元和第二测量单元分别固定在所述支座单元上。进一步地，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个。进一步地，还包括支座单元，所述粗动单元用于承载所述支座单元，并能够驱动所述支座单元在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述支座单元通过所述微动单元与工作台连接，通过所述微动单元驱动所述工作台在第一坐标轴或第二坐标轴方向上运动，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元，所述微动测量系统固定在所述支座单元上，且包括用于测量微动单元在第一坐标轴方向上位移的第三测量单元和用于测量微动单元在第二坐标轴方向上位移的第四测量单元。进一步地，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个，所述第三测量单元或第四测量单元的种类为多个。进一步地，还包括机架，所述激光束成型单元固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D打印装置，其特征在于，包括：物料铺设单元和工作台，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台上；激光束成型单元，用于将工作台上的原材料烧结成型；粗动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动，所述微动单元的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统和用于测量所述微动单元位移的微动测量系统；控制系统，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件的模型控制所述粗动单元移动、微动单元移动和控制所述物料铺设单元向工作台上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元完成对工作台上原材料的打印。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印装置，其特征在于，包括：物料铺设单元和工作台，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台上；激光束成型单元，用于将工作台上的原材料烧结成型；粗动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动，所述微动单元的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统和用于测量所述微动单元位移的微动测量系统；控制系统，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件的模型控制所述粗动单元移动、微动单元移动和控制所述物料铺设单元向工作台上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元完成对工作台上原材料的打印。2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动单元包括第一粗动单元和第二粗动单元，所述第一粗动单元和第二粗动单元分别在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，且所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量第一粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量第二粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。3.如权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述第一粗动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴的方向移动，所述第二粗动单元与第一粗动单元连接，并能够在所述第一粗动单元上沿第二坐标轴的方向移动，所述微动单元与第二粗动单元连接，并能够在所述第二粗动单元上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动，所述微动测量系统固定在第二粗动单元上，用于测量所述微动单元在第一坐标轴和第二坐标轴的方向上的位移，所述激光束成型单元固定在微动单元上。4.如权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述工作台固定在所述机架上，所述第一测量单元固定在机架上，所述第二测量单元固定在第一粗动单元上。5.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括支座单元，所述支座单元通过所述粗动单元与工作台连接，并能够驱动所述工作台在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。6.如权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述微动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动。7.如权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，所述工作台固定在机架上，所述第一测量单元和第二测量单元分别固定在所述支座单元上。8.如权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个。9.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括支座单元，所述粗动单元用于承载所述支座单元，并能够驱动所述支座单元在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述支座单元通过所述微动单元与工作台连接，通过所述微动单元驱动所述工作台在第一坐标轴或第二坐标轴方向上运动，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元，所述微动测量系统固定在所述支座单元上，且包括用于测量微动单元在第一坐标轴方向上位移的第三测量单元和用于测量微动单元在第二坐标轴方向上位移的第四测量单元。10.如权利要求9所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个，所述第三测量单元或第四测量单元的种类为多个。11.如权利要求9所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述激光束成型单元固定在机架上。12.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动单元采用包括伺服电机及滚珠丝杠的运动系统或采用包括直线电机及气浮导轨的运动系统。13.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述微动单元采用磁浮电机运动系统或音圈电机运动系统。14.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动测量系统为光栅尺测量系统或激光干涉仪测量系统。15.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑，
申请(专利权)人：上海微电子装备集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31