【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于3d打印机，尤其涉及一种减轻金属飞溅的金属3d打印系统及打印方法。
技术介绍
1、3d打印中sla、sls、slm采用的方式是以振镜反射单束激光，在二维工作平面上进行图像扫描打印。相较于传统减材制造技术而言，3d打印技术是一种先进的快速制造零件的增材制造技术，而金属3d打印(slm)是利用金属粉末在激光束热作用下熔化经冷却凝结并组层堆积的制造零件。
2、使用金属粉做3d打印，金属粉被激光的快速加热融化过程中，会产生融化的液态金属飞溅物，在飞溅途中固化，落在打印零件的表面，使得打印零件表面粗糙、内部出现缺陷，如图1所示。飞溅颗粒的产生主要来源于金属粉末熔化为液体的过程，在slm金属3d打印中，激光作为能量源被金属材料吸收后产生熔池，因此熔化金属的效率不仅与激光功率有关，也与金属材料对激光的吸收率有关。slm金属3d打印设备通常使用的是1080nm的红外激光，金属材料原子内自由电子谐振频率与该波长激光器的频率接近，此时激光吸收率会很低，反射率很高高。我们常见的纯铜，纯金，纯银，纯铝等，反射率趋近100％，因此采用这个波长的激光器做此类材料的金属烧结反射率并不高。金属对激光吸收率受外界环境的影响，其中最明显的是温度，金属材料对激光的反射是由于源自内部的电子谐振，而当温度升高时，电子谐振发生变化，金属的电阻率提高，导电率下降。此时使用1080nm波长激光的吸收率会明显增加，对于一般材料而言，理论上温度越高，激光吸收率就会越强。以金属铜为例，根据公开资料显示其对红外1064nm激光的吸收率曲线如图2所示，可以看出
3、为了防止飞溅的颗粒对打印零件质量造成影响，通常在金属3d打印中会添加水平风场，使用风将飞溅颗粒吹走，但是风场吹走颗粒受到许多条件制约：风场风速太小，飞溅颗粒无法被风带走；风场风速太大，容易将打印工作面铺好的金属粉给吹走；如打印工作腔太大，风场容易成为紊流，加之飞溅颗粒需要被吹动的距离边长，无论设置何种参数，均无法将飞溅颗粒从工作腔全部吹走。为了改善金属3d零件打印的颗粒飞溅，另一种方式是给打印工作底板加热，使其工作温度达到200～500℃，以减小加热金属粉到熔点所需的能量，从而降低激光束加热金属粉到熔点的时间占比，提高光点熔化金属粉为液态的时间占比，进而减小颗粒飞溅的情况。该方法会对设备造成影响，工作底板的温度会传递到设备工作腔的其余部分，引起工作腔热胀冷缩，使得打印尺寸出现变化和漂移。并且由于工作腔的构成不规则，打印尺寸的变化也不规则，严重影响打印质量。综上所述，上述两种防止、改善金属3d零件打印的颗粒飞溅的方案均存在局限性。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种减轻金属飞溅的金属3d打印系统及打印方法，以减轻或解决金属3d打印过程中液态金属飞溅物造成打印零件质量缺陷的问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：
3、本专利技术涉及一种减轻金属飞溅的金属3d打印系统，其包括激光器和设置在激光器发射的激光束光路上的成像模块、振镜模块和打印工作面，所述的激光器和振镜单元之间设有光路整形模块，所述的光路整形模块包括角度调节环、安装于角度调节环内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜、第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的角度调节环配有驱动电机，驱动电机用于旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。
4、优选地，所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直，用于向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个方向拉伸，且第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱镜的扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块设置于第二准直透镜与振镜模块之间，所述的多通道光栅光头设置于角度调节环内，用于沿着第一鲍威尔棱镜拉伸激光束的方向将矩形截面的激光束分割成若干条形光束，所述的动态对焦模块和变焦模块配有控制器，对各条形光束进行实时动态补偿调节。
5、优选地，所述的成像模块为设置在振镜模块的光路前方的成像透镜。
6、优选地，所述的成像模块为设置在振镜模块的光路后方的场镜。
7、一种基于上述减轻金属飞溅的金属3d打印系统的3d打印方法，其包括以下步骤：
8、步骤1.启动激光器，激光器向光路整形模块射出发散性的激光束；
9、步骤2.激光束依次透过光路整形模块中的第一准直透镜、偏心设置的第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜将激光束调整为平行光束，所述的第一鲍威尔棱镜向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，且扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜将扩散后的激光束再次调节为平行光束；
10、步骤3.透过光路整形模块的激光束经过成像模块的聚焦以及振镜模块的反射后照射至打印工作面上的金属粉末层；
11、步骤4.根据打印文件规划扫描路径，振镜模块根据扫描路径改变激光束照射至金属粉末层的位置，与此同时，驱动电机旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且使得能量较高的一端位于扫描方向的前端。
12、优选地，所述步骤4中，驱动电机旋转角度调节环的角度为：
13、
14、公式中，a1和b1分别表示任意一条扫描向量的起始点的横坐标和纵坐标，a2和b2分别表示任意一条扫描向量的终点的横坐标和纵坐标，β为相对于角度调节模块的初始状态，角度调节模块的调整角度。
15、优选地，所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直；所述的多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块设置于第二准直透镜与振镜模块之间，动态对焦模块和变焦模块配有控制器；
1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种减轻金属飞溅的金属3D打印系统，其包括激光器和设置在激光器发射的激光束光路上的成像模块、振镜模块和打印工作面，其特征在于：所述的激光器和振镜单元之间设有光路整形模块，所述的光路整形模块包括角度调节环、安装于角度调节环内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜、第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的角度调节环配有驱动电机，驱动电机用于旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。
2.根据权利要求1所述的减轻金属飞溅的金属3D打印系统，其特征在于：所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂
3.根据权利要求1所述的减轻金属飞溅的金属3D打印系统，其特征在于：所述的成像模块为设置在振镜模块的光路前方的成像透镜。
4.根据权利要求1所述的减轻金属飞溅的金属3D打印系统，其特征在于：所述的成像模块为设置在振镜模块的光路后方的场镜。
5.一种基于权利要求1所述的减轻金属飞溅的金属3D打印系统的3D打印方法，其特征在于：其包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的减轻金属飞溅的金属3D打印方法，其特征在于：所述步骤4中，驱动电机旋转角度调节环的角度为：
7.根据权利要求5所述的减轻金属飞溅的金属3D打印方法，其特征在于：所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直；所述的多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块设置于第二准直透镜与振镜模块之间，动态对焦模块和变焦模块配有控制器；
...【技术特征摘要】
1.一种减轻金属飞溅的金属3d打印系统，其包括激光器和设置在激光器发射的激光束光路上的成像模块、振镜模块和打印工作面，其特征在于：所述的激光器和振镜单元之间设有光路整形模块，所述的光路整形模块包括角度调节环、安装于角度调节环内且沿光路方向依次设置的第一准直透镜、第一鲍威尔棱镜和第二准直透镜；所述的第一准直透镜用于将激光束调整为平行光束；所述的第一鲍威尔棱镜用于向一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着扩散方向拉伸，第一鲍威尔棱镜与激光束偏心设置，使扩散后的激光束的能量从扩散方向的一端至另一端逐渐减弱；所述的第二准直透镜用于将扩散后的激光束调节为平行光束；所述的角度调节环配有驱动电机，驱动电机用于旋转角度调节环，将激光束的扩散方向调整至与扫描方向相同，且能量较高的一端位于扫描方向的前端。
2.根据权利要求1所述的减轻金属飞溅的金属3d打印系统，其特征在于：所述的光路整形模块还包括第二鲍威尔棱镜、多通道光栅光头、动态对焦模块和变焦模块，第二鲍威尔棱镜固定于角度调节环内位于第一准直透镜和第二准直透镜之间的位置，第二鲍威尔棱镜与激光束同轴，第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜相互垂直，用于向另一个方向扩散激光束，使得激光束的截面沿着另一个方向拉伸，且第二鲍威尔棱镜与第一鲍威尔棱镜扩散激光束的方向相互垂直，使得激光束经过第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜联合扩散后的截面为矩形截面，矩形截面的激光束的能量从第一鲍威尔棱...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兵涛，唐晖，朱凡，李勇，李奉先，郝兆洲，
申请(专利权)人：杭州爱新凯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。