[发明专利]一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高激光扫描成像光固化快速成型效率的方法，具体涉及一种基于多光束激光扫描技术，使液态光敏固化树脂高效快速固化成型的成像系统。

背景技术

3D打印是一种新型快速成型制造技术，它通过多层叠加生长原理制造产品。它能克服传统机械加工无法实现的特殊结构障碍，可以实现任意复杂结构部件的简单化生产。现有的3D打印技术分为，热熔塑胶基础技术FDM、激光烧结成型技术、光固化液态树脂选择区域固化成型技术。

现有的光固化技术分类为：激光绘图成像紫外频谱光固化技术，投影仪图像化照射成型技术，激光扫描成像光固化技术。光固化快速成形技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ＝405nm)的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。它的核心技术是计算机技术和材料技术。激光成型技术根据CAD图生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，激光束经过偏转镜在液态表面上扫描，扫描的轨迹均由计算机控制，激光光束扫描到的地方，液体就固化成固体。成型初始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行下二层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。最后升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行清洗、去除支撑、二次固化以及表面光洁处理等，直至得到三维实体模型。光固化快速成形技术，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性，且打印出的实体模型表面质量较好、成型精度和系统分辨率较高。

3D打印机主要包括高质量激光器、振镜扫描系统、高精度控制系统三个部分。当计算机输入一个位置信号，摆动电机带动光学振镜按一定电压与角度的转换比例摆动一定角度。整个过程采用闭环反馈控制，由位置传感器、误差放大器、功率放大器、位置区分器、电流积分器等五大控制电路共同作用。光学振镜是3D打印机的核心部件，决定了3D打印机的性能。一般的机械式扫描系统采用的是机械装置带动扫描头在平面上来回运动完成扫描，所以扫描系统的精度低、惯性大、响应速度慢，而振镜是通过线圈通以一定的电流而使转子发生偏转，所以精度高、惯性小、响应速度快，光束照射在振镜上，通过振镜的偏转带动光束的偏转，从而能够在扫描视场上扫描出激光轨迹。光学振镜要完成光束的静态聚焦、满足光斑的质量要求、平场二维精确扫描以及焦程误差的动态补偿，配合激光器完成对光敏树脂面的扫描，其设计与制造的质量直接影响到激光扫描的精度。然而国内的3D打印机工业推广进程发展较慢，原因在于核心部件工业基础弱，高质量激光器、振镜扫描系统、高精度控制系统依赖进口，而这三个核心部件占成本比例超40％，使得仪器的成本较高。且一般光固化快速成形技术成型速率为3～5cm/小时，打印效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，解决激光扫描光固化技术中成本高、效率低的问题，旨在提供一种经济、灵活、高效率的激光扫描方法。多光束扫描是将单束激光分成多束子光束，进而将其导入扫描振镜，在加工平面上显现多个轮廓清晰的光斑图案，这些光束排成阵列(1×N)或矩阵(M×N)，且每束光的特性都是一样的。通过扫描振镜的摆动，每个光斑在工作平面可生成完全相同的任意形状的光斑图案，使切割或去除的速度翻倍，但不损失扫描器的几何自由度，在提升生产速率的同时实现复杂图案的加工，极大的提高仪器的工作效率。

本发明的技术解决方案为：激光光源发射出的光源经过扩束准直镜，准直的激光光束进入光纤分束器，将一束激光分成1×N的光束矩阵，激光束经过通过数控装置控制的扫描振镜，按设计的扫描路径，由场镜将激光束聚焦在光固化树脂表面，高效的完成工件图层的扫描，与单束激光相比，光纤分束器将激光分成N束，扫描区域被分割成N块，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍。

具体而言，所使用的方法为：采用光纤分束器，将一束经过准直扩束后的激光分成1×N的光束矩阵，扫描区域被分割成N块，由计算机程序提供图像切片信号及扫描轨迹，控制扫描振镜的扫描轨迹，可同时完成N个工件图层的扫描，因此，相对应的扫描效率提高N倍；

优选的，还包括一个激光输入端和N个激光输出端；激光优选波长为405nm；

其中，X轴扫描振镜的宽度和长度分别为：