基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910294317.3 (22)申请日 2019.04.12 (71)申请人 西安增材制造国家研究院有限公司 地址 710075 陕西省西安市高新区锦业路1 号都市之门A座1606室 (72)发明人 陈祯邹亚桐张树哲卢秉恒 张丽娟魏培 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 徐文权 (51)Int.Cl. B29C 64/153(2017.01) B29C 64/268(2017.01) B29C 64/30(2017.01) B33Y 1。

2、0/00(2015.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 40/00(2015.01) (54)发明名称 一种基于激光成型的三维立体扫描成形装 置及成型方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于激光成型的三维立 体扫描成形装置及成型方法， 将准直扩束镜、 调 整镜和振镜安装在一条直线上， 利用准直扩束镜 将激光器输出的小光斑发散扩束后的平行光至 调整镜， 利用调整镜改变光束传输距离即改变光 程， 实现聚焦光斑直径和焦距的调节， 利用振镜 实现光束任意偏转， 最后通过场镜将振镜偏转后 的光束聚焦， 形成小光斑高能量光束在打印平台 上移动， 利用场镜聚焦后的聚焦光斑对打印平台 上。

3、的成型材料进行打印成型， 本装置利用调整镜 调整光束在高度方向的聚焦高度， 同时配合振镜 调整光束聚焦在平面上的移动从而时间聚焦光 斑在三维空间内的成型移动， 能够在三维空间内 连续成型， 提高了打印精度扫描效率和打印精 度。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 109940880 A 2019.06.28 CN 109940880 A 1.一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 包括准直扩束镜(2)、 调 整镜(3)、 振镜(4)和场镜(7)； 准直扩束镜(2)、 调整镜(3)、 振镜(4)在一条直线上， 入射激光 经准直扩束镜(2)扩束后形成平行光束进入调整镜(3)。

4、， 调整镜(3)与振镜(4)之间的距离可 调用于实现平行光束聚焦光斑直径和焦距的调节， 场镜(7)设置于振镜(4)偏转光出口路径 上， 振镜(4)用于改变将经过调整镜(3)后的光束在XY平面内偏转角度， 场镜(7)的光线出口 设有垂直于场镜(7)的光线出口的打印平台(9)， 打印平台(9)与场镜(7)之间的距离保持不 变， 打印平台(9)上用于放置成型材料； 场镜(7)将振镜(4)偏转后的光束聚焦在打印平台 (9)上的粉末层内， 打印平台(9)的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜(7)后最大摄入 深度。 2.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 调 整镜(。

5、3)具体采用动态聚焦镜。 3.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 准 直扩束镜(2)扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸。 4.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 场 镜(7)底面到打印平台(9)之间的距离为场镜(7)的焦长。 5.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 准 直扩束镜(2)、 调整镜(3)、 振镜(4)和场镜(7)采用安装支架安装， 安装支架包括安装架底座 (12)以及固定于安装架底座(12)上的扩束镜固定架(13)和振镜固定架(14)， 场镜(7)固定 于振镜。

6、(4)下端， 调整镜(3)通过调整镜移动支架(15)安装在安装架底座(12)上。 6.根据权利要求5所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 还 包括用于移动支架(15)传动的丝杆(16)， 丝杆(16)通过丝杆固定座(17)固定在安装架底座 (12)上， 丝杆(16)通过电机驱动。 7.根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 其特征在于， 打 印平台(9)放置于安装架底座(12)上。 8.一种基于根据权利要求1所述的一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置的三维 立体扫描成形方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)、 将打印平台安装至场镜的焦长范围内。

7、， 在打印平台放置成型材料层； 2)、 将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜； 3)、 根据待打印零件三维数据， 调节调整镜距离和振镜偏角， 使场镜对光束的聚焦光斑 在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动， 从而完成打印零件的三维立体扫描成形。 9.根据权利要求8所述的一种基于激光成型三维立体扫描成形方法， 其特征在于， 打印 平台上的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深度。 10.根据权利要求8所述的一种基于激光成型三维立体扫描成形方法， 其特征在于， 具 体的， 改变调整镜相对振镜的距离对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜， 增大 调整镜相对振镜距离， 调整镜对。

8、平行光束进行扩发， 通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向降低， 减小调整镜相对振镜距离， 调整镜对平行光束进行会聚， 通过场镜后的聚焦光斑Z轴方向升 高； 改变振镜偏转角将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦， 聚焦光斑在 打印平台上实现XY平面上的二维扫描过程； 权利要求书 1/2 页 2 CN 109940880 A 2 同时调整镜相对振镜的距离和偏转振镜偏转角即可实现聚焦光斑在三维空间内扫面， 对打印平台上的成型材料熔融从而实现零件在三维立体上的扫描成形。 权利要求书 2/2 页 3 CN 109940880 A 3 一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法 技术领域 0001。

9、 本发明属于增材制造激光成型技术领域， 具体涉及一种基于激光成型的三维立体 扫描成形装置及成型方法。 背景技术 0002 增材制造技术是基于三维CAD模型数据， 通过叠层累加材料的方式制造零件。 激光 增材制造技术由于其成形精度高， 可实现任意复杂结构的直接成形， 在各领域得到了大量 的应用。 0003 目前采用的激光增材技术都是将CAD模型切片为若干个截面， 然后在每个截面上 扫描成形， 最终逐层叠加为一个实体零件， 这种方式本质上是一种二维平面成形方式， 扫描 效率低下， 严重制约了该技术的推广与应用。 因此急需寻找新的扫描方法提高激光增材制 造技术的扫描效率。 发明内容 0004 本发明。

10、的目的在于提供一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置及成型方法， 以克服现有技术的不足 0005 为达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0006 一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 包括准直扩束镜、 调整镜、 振镜和场 镜； 准直扩束镜、 调整镜、 振镜在一条直线上， 入射激光经准直扩束镜扩束后形成平行光束 进入调整镜， 调整镜与振镜之间的距离可调用于实现平行光束聚焦光斑直径和焦距的调 节， 场镜设置于振镜偏转光出口路径上， 振镜用于改变将经过调整镜后的光束在XY平面内 偏转角度， 场镜的光线出口设有垂直于场镜的光线出口的打印平台， 打印平台与场镜之间 的距离保持不变， 打印平台上。

11、用于放置成型材料； 场镜将振镜偏转后的光束聚焦在打印平 台上的粉末层内， 打印平台的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深度。 0007 增材制造， 调整镜具体采用动态聚焦镜。 0008 增材制造， 准直扩束镜扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸。 0009 增材制造， 场镜底面到打印平台之间的距离为场镜的焦长。 0010 增材制造， 准直扩束镜、 调整镜、 振镜和场镜采用安装支架安装， 安装支架包括安 装架底座以及固定于安装架底座上的扩束镜固定架和振镜固定架， 场镜固定于振镜下端， 调整镜通过调整镜移动支架安装在安装架底座上。 0011 增材制造， 还包括用于移动支架传动的丝杆， 。

12、丝杆通过丝杆固定座固定在安装架 底座上， 丝杆通过电机驱动。 0012 增材制造， 打印平台放置于安装架底座上。 0013 一种基于激光成型的三维立体扫描成形方法， 包括以下步骤： 0014 1)、 将打印平台安装至场镜的焦长范围内， 在打印平台放置成型材料层； 0015 2)、 将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜； 说明书 1/4 页 4 CN 109940880 A 4 0016 3)、 根据待打印零件三维数据， 调节调整镜距离和振镜偏角， 使场镜对光束的聚焦 光斑在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动， 从而完成打印零件的三维立体扫描成 形。 0017 进一步的， 打印平台。

13、上的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜后最大摄入深 度。 0018 进一步的， 具体的， 改变调整镜相对振镜的距离对接收到的平行光束进行发散或 会聚后传至振镜， 增大调整镜相对振镜距离， 调整镜对平行光束进行扩发， 通过场镜后的聚 焦光斑Z轴方向降低， 减小调整镜相对振镜距离， 调整镜对平行光束进行会聚， 通过场镜后 的聚焦光斑Z轴方向升高； 0019 改变振镜偏转角将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦， 聚焦光 斑在打印平台上实现XY平面上的二维扫描过程； 0020 同时调整镜相对振镜的距离和偏转振镜偏转角即可实现聚焦光斑在三维空间内 扫面， 对打印平台上的成型材料熔融从而实现零。

14、件在三维立体上的扫描成形。 0021 与现有技术相比， 本发明具有以下有益的技术效果： 0022 本发明一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 包括准直扩束镜、 调整镜、 振 镜和场镜； 将准直扩束镜、 调整镜和振镜安装在一条直线上， 利用将激光器输出的小光斑发 散光束， 且扩束后的光束为平行光， 扩束后的平行光至调整镜， 利用调整镜改变光束传输距 离即改变光程， 实现聚焦光斑直径和焦距的调节， 利用振镜实现光束任意偏转， 实现光束在 二维平面上方向改变， 最后通过场镜将振镜偏转后的光束聚焦形成小光斑高能量的聚焦光 斑在打印平台上的成型材料内移动， 利用场镜聚焦后的聚焦光斑对打印平台上的成型。

15、材料 进行熔融从而实现打印成型， 本装置利用调整镜调整光束在高度方向的聚焦高度， 能够达 到光束在高度方向上的大范围调整， 同时配合振镜调整光束聚焦在平面上的移动从而实现 聚焦光斑在三维空间内大范围移动， 利用聚焦光斑的小光斑高能量对移动范围内的成型材 料进行熔融成型， 本装置结构简单， 能够在三维空间内连续成型， 不需要对零件进行切片成 型即避免了在累加方向上出现分层厚度的现象， 利用本装置能够在三维结构上连续成型， 提高制件精度和降低表面粗糙度， 提高了打印精度扫描效率。 0023 进一步的， 准直扩束镜扩束后的平行光直径不大于振镜通光孔尺寸， 避免振镜无 法接收完整光束。 0024 一种。

16、基于激光成型三维立体扫描成形方法， 将打印平台安装至场镜的焦长范围 内， 在打印平台放置成型材料， 不需要逐层铺粉， 提高打印效率， 将入射激光经过准直扩束 镜扩束后形成平行光至调整镜， 调整镜对接收到的平行光束进行发散或会聚后传至振镜， 振镜将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行光束聚焦， 根据待打印零件三维数据， 调节调整镜距离和振镜偏角， 使场镜对光束的聚焦点在打印平台上的成型材料内沿三维空 间移动， 能够达到连续打印的效果， 提高打印精度， 避免了逐层打印层间误差， 提高了打印 效率。 附图说明 0025 图1是本发明原理图； 0026 图2是本发明XZ截面聚焦扫描示意图； 说明书 。

17、2/4 页 5 CN 109940880 A 5 0027 图3是本发明XZ截面零件上表面聚焦扫描示意图； 0028 图4是本发明XZ截面零件下表面聚焦扫描示意图。 0029 图5是本发明实施例结构安装示意图。 0030 图中， 1、 入射激光， 2、 准直扩束镜， 3、 调整镜， 4、 振镜， 5、 X向偏转反射镜， 6、 Y向偏 转反射镜， 7、 场镜， 8、 打印零件， 9、 打印平台， 10、 上表面， 11、 下表面； 12、 安装架底座； 13、 扩 束镜固定架； 14、 ； 15、 移动支架； 16、 丝杆； 17、 丝杆固定座。 具体实施方式 0031 下面结合附图对本发明做进。

18、一步详细描述： 0032 如图1所示， 一种基于激光成型的三维立体扫描成形装置， 包括准直扩束镜2、 调整 镜3、 振镜4和场镜7； 准直扩束镜2、 调整镜3、 振镜4在一条直线上， 准直扩束镜2和振镜4位置 固定不变， 调整镜3能够在准直扩束镜2与振镜4之间直线上移动， 场镜7设置于振镜4偏转光 出口路径上， 场镜7的光线出口设有打印平台9,打印平台9与场镜7之间的距离保持不变； 打 印平台9上用于放置成型材料； 打印平台9的成型材料厚度不大于激光光束经过场镜7后最 大摄入深度， 即激光光束经过场镜7后聚焦光斑进入成型材料内能够熔融成型材料的最大 深度； 本装置利用调整镜3实现光束的发散和会。

19、聚， 再利用振镜4对光线偏转后利用场镜7进 行聚焦， 调整镜3与场镜7的配合实现了光束聚焦点能够在大范围内调节； 0033 准直扩束镜2用于将激光器输出的入射激光扩束为平行光束， 扩束后的平行光束 经过调整镜3， 扩束后的平行光束直径不大于振镜通光孔尺寸； 0034 调整镜3通过改变平行光束传输距离即改变光程， 实现平行光束的聚焦光斑直径 和焦距的调节， 调整镜3具体采用动态聚焦镜； 0035 振镜4用于实现光束XY平面内任意偏转， 从而扫描任意轨迹模型； 振镜4包括X向偏 转反射镜5和Y向偏转反射镜6； X向偏转反射镜5的反射角范围在Y向偏转反射镜6平面内， 即 经过调整镜3后的光束首先到达。

20、X向偏转反射镜5镜面， 光线经X向偏转反射镜5镜面反射后 进入Y向偏转反射镜6平面内， 光束再经过Y向偏转反射镜6到达场镜7内； 0036 场镜7用于将振镜偏转后的光束聚焦， 形成小光斑高能量光束； 场镜7底面到打印 平台9之间的距离即为场镜7的焦长。 0037 准直扩束镜2、 调整镜3、 振镜4和场镜7采用安装支架安装， 具体如图5所示， 安装支 架包括安装架底座12以及固定于安装架底座12上的扩束镜固定架13和振镜固定架14， 场镜 7固定于振镜4下端， 准直扩束镜2、 调整镜3和振镜4的光束传输在一条直线上， 准直扩束镜2 和振镜4安装位置不动， 调整镜3通过调整镜移动支架15安装在安装。

21、架底座12上， 还包括用 于移动支架15传动的丝杆16， 丝杆16通过丝杆固定座17固定在安装架底座12上， 丝杆16通 过电机驱动； 打印平台放置于安装架底座12上； 0038 入射激光1经过准直扩束镜2后的光为平行光， 平行光进入调整镜3， 在调整镜3左 右移动时出射光为发散光束或者会聚光束， 即调整镜3的作用是把扩束后的平行光改变为 发散光束或会聚光束， 调整镜3向左移动时出射光为会聚光束； 向右移动时出射光为发散光 束； 调整镜3移动的位置不同， 其发散角/会聚角也不同， 调整镜3左右移动距离范围在0- 100mm之间； 从调整镜3射出的光束可以是平行光/发散光束/会聚光束等形式， 然。

22、后进入振 镜4， 在经过X向偏转反射镜5与Y向偏转反射镜6之后， 光束进入场镜7聚焦， 场镜7底面到打 说明书 3/4 页 6 CN 109940880 A 6 印平台9之间的距离即为场镜7的焦长； 0039 一种基于激光成型三维立体扫描成形方法， 包括以下步骤： 0040 1)、 将打印平台安装至场镜的焦长范围内， 在打印平台放置成型材料； 0041 2)、 将入射激光经过准直扩束镜扩束后形成平行光至调整镜， 调整镜对接收到的 平行光束进行发散或会聚后传至振镜， 振镜将发散或会聚后的光束进行偏转传至场镜进行 光束聚焦； 0042 3)、 根据待打印零件三维数据， 调节调整镜距离和振镜偏角， 。

23、使场镜对光束的聚焦 点在打印平台上的成型材料内沿三维空间移动， 从而完成打印零件的三维立体扫描成形。 0043 下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明： 0044 入射激光1依次经过准直扩束镜2、 调整镜3、 振镜4、 场镜7； 所述振镜4内置X向偏转 反射镜5和Y向偏转反射镜6； 激光束通过场镜7后在打印平台9上的成型材料层内聚焦并形 成聚焦光斑， 形成聚焦光斑处的成型材料熔融成型， 然后在X向偏转反射镜5和Y向偏转反射 镜6的偏转作用下， 聚焦光斑在打印平台9上实现XY平面上的二维扫描过程， 对于实体三维 零件， 调整镜3可以根据成形高度左右平移以实时调整激光束的发散角， 进。

24、而改变激光聚焦 平面的高度， 激光聚焦在不同高度对成型材料进行激光熔融， 从而实现打印零件8的三维立 体扫描成形， X向偏转反射镜5与Y向偏转反射镜6分别控制打印平台9上X、 Y方向的扫描成 形。 0045 为便于理解， 取XZ截面进一步说明具体实施方式： 图2是本发明XZ截面聚焦扫描示 意图， 此时从调整镜3射出的激光束为平行光， 经X向偏转反射镜5及场镜7后在打印平台9上 聚焦， 然后当调整镜3向左移动一定距离后， 射出激光变为会聚光束， 经反射后在零件上表 面10上形成聚焦光斑， 如图3所示； 当调整镜3向右移动一定距离后， 射出激光变为发散光 束， 经反射后在零件下表面11上形成聚焦光斑， 如图4所示。 因此， 通过实时控制调整镜3的 位置即可获得零件上表面10与下表面11之间任意高度的聚焦平面， 而形成聚焦光斑点地方 填充成型材料， 聚焦光斑对成型材料进行激光熔融， 从而实现Z向不同高度的扫描成形， 最 终达到三维立体扫描效果； 在YZ截面扫描成形与XZ截面原理相同。 说明书 4/4 页 7 CN 109940880 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 109940880 A 8 图3 图4 说明书附图 2/3 页 9 CN 109940880 A 9 图5 说明书附图 3/3 页 10 CN 109940880 A 10 。