群掃描激光選擇性燒結或固化方法及其3D成型機與流程

本發明屬于機電領域，確切的講是通過群掃描方式實現逐層對粉末材料的選擇性燒結(SLS)或固化(SLA)方法及用該方法所制造的3D成型機。

[技術背景]

快速成型工藝發展至今已近三十年，以立體光固化(SLA)(Stereo lithography Apparatus)、選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積(FDM)、分層實體制造(LOM)和3D打印(3D-P)為代表的成型方法發展日趨成熟，多種方法的工業應用范圍在不斷地擴展，為越來越多的企業所接受和認可。近些年來，快速成型的研究熱點主要為成型材料和工業應用。

目前國際上從事SLS研究的機構主要有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司和華中科技大學。本技術涉及SLS選擇性激光燒結技術，是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末,并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件.其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等.

整個工藝裝置由供料粉末缸和成型粉末缸組成,首先，將零件的三維模型轉化為STL格式文件，然后用分層軟件對其進行分層處理，即“離散化”過程。在開始加工之前，先對成型室進行預熱。工作時供料粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型粉末缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面.粉末完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層.如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型.最后,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.對于金屬粉末激光燒結,在燒結之前,整個工作臺被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,并利于層與層之間的結合.最后，經打磨、烘干等后處理后，即可制作完成滿足需求的原型或零件。若成型材料為金屬粉末，還需要控制成型室氣氛，通人氮氣、氫氣、氬氣等保護氣體，以避免金屬粉末在高溫下氧化。

從理論上講，SLS最突出的優點在于它所使用的成型材料十分廣泛.從理論上說,任何加熱后能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料.目前,從材料屬性上分類，可大致分為金屬粉末、塑料粉末和陶瓷粉末。具體可選用的材料包括聚苯乙烯粉、尼龍粉、聚碳酸酯粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉、覆裹尼龍的玻璃粉、覆脂砂、覆蠟陶瓷粉、覆蠟金屬粉等。由于SLS成型材料品種多、用料節省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設計和制造復雜的支撐系統,所以SLS的應用越來越廣泛.

SLA工藝與SLS類似；其工藝過程是以液態光敏樹脂為材料充滿液槽，由計算機控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制 造完畢，得到1個三維實體模型。

但是大多數成型設備的激光組件的成本較高，因復雜的高頻振鏡系統很是昂貴，動態光束的會聚成本頗高，所以采用昂貴而短壽的單一大功率激光器作為能量來源嚴重阻礙了快速成型技術的推廣。

[技術方案]

本發明的目的就在于克服目前的技術不足之處，基于選擇性激光燒結的鋪粉燒結原理，本文提出了一種能保證成型精度及速度的前提下，采用廉價而長壽命的半導體激光器件，從而極大的降低成型設備的制造費用及使用成本，且還改善了成型速度。

激光群掃描法是本發明方法的核心:

用多個獨立的小功率激光器組成陣列，其聚焦的光點將構成激光光點陣列(20)，形成眾多微掃描區域(22)；掃描線(21)將同步生成。當激光光點的移動范圍(振幅)，分別等于行及列方向的光點間距時，且當行的掃描頻率遠大于列的掃描頻率情況下，此乃逐行掃描狀態(等效于CRT電視的行場掃描：行的掃描頻率較高，楨的掃描頻率較低)，光電會覆蓋所有區域。

由于群掃描方式；如果激光陣列為：MxN，將會使得2個方向的掃描頻率減少M及N倍，振幅也減小M及N倍，驅動的機械難度大大的降低了，振鏡系統變得容易一些了，甚至可以直接使用機械位移驅動來回避復雜的振鏡系統及聚焦匯聚系統，系統穩定簡單，而且由于激光器的數量為MXN個，因而單個激光器的功率被允許下降MN倍；可以選取半導體激光器件，成本及壽命又進一步降低，但要注意選取半導體激光器件的一致性的品質，還有一個優點是:激光器件的更換也變得容易了；M,N的數值可以為2-200個或是更多；半導體器件成本低、壽命長性能穩定體積小,驅動便捷；因而低成本小型化的桌面級別的機器就成為現實。

掃描的機械實現可以通過，轉軸往復轉動方式(轉動驅動式)、直線往復振動方式(直線驅動式)、振鏡反射方式(振鏡反射式)。無論是那種方式，由于振幅都很小，不會出現激光束聚焦平面過大的偏離液面或粉槽的粉平面情況。

群掃描法有2種：即多區域動平衡群掃描法和單區域群掃描法：

多區域動平衡群掃描法是將掃描區域分成多塊獨立區域，每一塊都在頻率較高的那一方向上獨立運動，且運動的相位反向，可以抵消振動與慣量，將會獲得良好的動平衡。

單區域群掃描法：是一個統一區域的整體掃描方式，動平衡可以由外部器件抵消，以減少振動。

其3D成型整機的其他主要工作過程為：首先，將零件的三維模型轉化為STL格式文件，然后用分層軟件對其進行分層處理，即“離散化”過程。在開始加工之前，先對成型室進行預熱。計算機即驅動電路根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面.粉末完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層.如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型.最后,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.對于金屬粉末激光燒結,在燒結之前,整個工作臺被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,并利于層與層之間的結合.最后，經打磨、烘干等后處理后，即可制作完成滿足需求的原型或零件。

若成型材料為金屬粉末，還需要控制成型室氣氛，通人氮氣、氫氣、氬氣等保護氣體，以避免金屬粉末在高溫下氧化。

激光固化與燒結方式及其相近,只不過是將粉末料槽更換成液體料槽,浸在料槽里的升降臺逐層下降,留出一定厚度的液態薄層,由激光掃描來固化成型.

概括來講；群掃描激光選擇性燒結或固化方法:其基本構成為激光器陣列,機械掃描驅動裝置,物料槽,物料槽內的升降裝置,電子處理部分組成；分為激光燒結方式或光固化方式；其激光燒結方式的工作原理為:先將零件的三維模型轉化為STL格式文件，然后用分層軟件對其進行分層處理，即“離散化”過程。在開始加工之前，先對成型室進行預熱。計算機即驅動電路根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面.粉末完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層.如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型.最后,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.對于金屬粉末激光燒結,在燒結之前,整個工作臺被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,并利于層與層之間的結合.最后，經打磨、烘干等后處理后，即可制作完成滿足需求的原型或零件；而激光固化與激光燒結方式及其相近,只不過是將粉末料槽更換成液體料槽,浸在料槽里的升降臺逐層下降,留出一定厚度的液態薄層,由激光掃描來固化成型；無論是激光燒結方式或光固化方式,在掃描方式上都遵循群掃描法,該法的核心內容詳述為:激光群掃描方法是使用多個獨立激光器的光點構成激光光點陣列(20)，形成眾多微掃描區域(22)；掃描線(21)將同步生成。當激光光點的移動范圍(振幅)，分別等于行及列方向的光點間距時，且當行的掃描頻率遠大于列的掃描頻率情況下，此乃逐行掃描狀態(等效于CRT電視的行場掃描：行的掃描頻率較高，楨的掃描頻率較低)，光電會覆蓋所有區域；由于群掃描方式；如果激光陣列為：MxN，將會使得2個方向的掃描頻率減少M及N倍，振幅也減小M及N倍，驅動的機械難度大大的降低了，振鏡系統變得容易一些了，甚至可以直接使用機械位移驅動來回避復雜的振鏡系統及聚焦匯聚系統，系統穩定簡單，而且由于激光器的數量為MN個，M,N的數值可以為2-200個或是更多；因而單個激光器的功率被允許下降MN倍；可以選取半導體激光器件，成本及壽命又進一步降低，但要注意選取半導體激光器件的一致性的品質，還有一個優點是:激光器件的更換也變得容易了；而群掃描法有分為：多區域動平衡群掃描法和單區域群掃描法；多區域動平衡群掃描法是將掃描區域分成多塊獨立區域，每一塊都在頻率較高的那一方向上獨立運動，且運動的相位反向，可以抵消振動與慣量，將會獲得良好的動平衡；單區域群掃描法：是一個統一區域的整體掃描方式，動平衡可以由外部器件抵消，以減少振動；；其根本技術特征：使用多個并行工作的MxN個激光器件進行機械掃描來完成燒結或固化工作，其掃描振幅等于或略大于激光器件排列方陣的點陣間距；其掃描區域分為多區域動平衡群掃描和單區域群掃描；機械掃描的驅動可以是振鏡反射式、直線驅動式、轉動驅動式。

[實施案例]

以下結合附圖就較佳實施例對本發明作進一步說明：

圖1激光群掃描方法示意圖。

圖2群掃描激光選擇性逐層燒結3D成型機主體構造示意圖。

圖3多區域動平衡群掃描法示意圖。

[附圖說明]

(1)激光器單元

(2)激光光束

(3)激光器支架

(4)回擺軸線

(5)往復平移方向

(6)直線電機位移柱

(7)直線電機

(8)直線電機

(9)直線電機固定支架

(10)扭力電機轉動軸

(11)扭力電機

(12)扭力電機固定支架

(13)粉末缸殼體

(14)成型粉末缸

(15)供料粉末缸

(16)鋪粉輥

(20)掃描移動中的激光點

(21)掃描線

(22)微掃描區域

(23)激光點

(24)橫往復位移值A

(25)縱往復位移值B

(29)振幅寬度

(30)光點區域單元

(31)光點區域單元

(32)光點區域單元

(33)位移方向

(34)位移方向

(35)位移方向

(36)正向等位移錯動值

(37)反向等位移錯動值

如圖1所示：

激光群掃描位移方法：使用多個獨立激光器所投射的激光點(23)排成陣列(圖中是8x10的陣列)，陣列的橫向間距為A，陣列的縱向間距為B；掃描時橫向振幅約等于橫往復位移值A(24)，縱向振幅約等于縱往復位移值B(25)；實際振幅應該是間距減去光點直徑；構成掃描移動中的激光點(20)，形成眾多(80個)微掃描區域(22)；各掃描區的掃描線(21)將同步生成。

當激光光點的移動范圍(振幅)，分別等于行及列方向的光點間距時，且當 行的掃描頻率遠大于列的掃描頻率情況下，此乃逐行掃描狀態，光電會覆蓋所有區域。

如圖2所示：

群掃描激光選擇性逐層燒結3D成型機主體構造的核心工藝裝置由供料粉末缸(15)和成型粉末缸(14)組成,工作時供料粉末缸(15)底部的(送粉活塞)上升,再由鋪粉輥(16)將粉末在成型粉末缸(14)表面上均勻鋪上一層(在上一次完成燒結后，成型粉末缸活塞(工作活塞)會預先下降1層的高度，為接下來的鋪粉留出空間)。

激光束的群掃描是：由固定在直線電機固定支架(9)上的直線電機(7)及(8)通過伸縮直線電機位移柱(6)來使得激光器支架(3)沿著水平(X)方向往復位移；所以與激光器支架(3)固定在一起的激光器單元(1)陣列也將隨之沿著水平(X)方向往復位移；另外扭力電機固定支架(12)剛性固定在一起的扭力電機(11)的扭力電機轉動軸(10)是與直線電機固定支架(9)剛性連接的，隨著扭力電機轉動軸(10)的轉動與激光器支架(3)固定在一起的激光器單元(1)陣列也將隨之繞Y軸：回擺軸線(4)轉動；所以激光器單元(1)陣列將同時參與2種復合運動，每一個激光光束(2)的聚焦點將完成群掃描動作。(5)為直線電機固定支架(9)的往復平移方向，(13)是2個粉末缸殼體。

其整機的其他主要工作過程為：首先，將零件的三維模型轉化為STL格式文件，然后用分層軟件對其進行分層處理，即“離散化”過程。在開始加工之前，先對成型室進行預熱。計算機即驅動電路根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面.粉末完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層.如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型.最后,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件.對于金屬粉末激光燒結,在燒結之前,整個工作臺被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,并利于層與層之間的結合.最后，經打磨、烘干等后處理后，即可制作完成滿足需求的原型或零件。

若成型材料為金屬粉末，還需要控制成型室氣氛，通人氮氣、氫氣、氬氣等保護氣體，以避免金屬粉末在高溫下氧化。

如圖3所示：

將掃描陣列分成3個區域，分別是：光點區域單元(30)、光點區域單元(31)、不光點區域單元(32)；安排組件質量，使得光點區域單元(31)的質量近似等于光點區域單元(30)與光點區域單元(32)之和。

當使得光點區域單元(31)的正向等位移錯動值(36)近似等于光點區域單元(30)與光點區域單元(32)的反向等位移錯動值(37)時，且位相(運動方向)相反時，平動慣量相互抵消，動平衡最好。(29)為振幅寬度。