[发明专利]激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺

摘要

激光束以阿基米德螺线方式扫描的3D打印工艺，包括：激光器与光路系统，转盘与导轨导架系统，主轴电机与导架平移伺服电机系统，计算机控制系统。激光器装于转盘的激光盘上或装于转盘导架上，或独立于转盘分离安装，激光束经转盘光路系统的固定反射镜与导架上的反射镜和透镜，或导架上的激光器激光束经透镜，聚焦于打印机的工作平面上；在转盘由主轴电机驱动作局部恒角速度或恒角速度转动，导架由伺服电机驱动做等速平移时，完成激光束对SLA、SLS、SLM和LOM打印工作面的无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描，逐层加工，最后得到工件实体。本发明可无畸变、高质量扫描超大幅工作面，加工超大型工件，结构简单，造价低廉，质量优异。尤适用于航天、航空、电力、海洋，建筑等大型复杂工件的打印。

主权项

激光束以阿基米德螺线方式扫描3D打印工艺，包括：激光器与光路系统，转盘与激光盘和导轨导架系统，主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，计算机控制系统；所述激光器与光路系统，其特征是，若整机采用单个激光器，方案有三，方案一，激光器以偏心方式安装在转盘的激光盘上，激光器的激光束引入转盘光路系统，经转盘上的固定反射镜反射，进入导轨上可平移的导架上的反射镜，再经反射和透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，主轴电机驱动转盘和激光盘以局部恒角速度PCAV方式转动，(即扫描转盘中心内缘时作恒线速度CLV转动，扫描转盘中心外缘时做恒角速度CAV转动)，同时，在计算机控制下，装于导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和传动齿轮与蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；方案二，激光器和透镜聚焦系统直接装在导轨导架上，在计算机控制下，该激光器和透镜聚焦系统由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；转盘由主轴电机驱动，在计算机控制下，以局部恒角速度PCAV方式转动；方案三，激光器独立于转盘分离设置，固定置于转盘中心(0点)之上，该激光器的激光束沿转盘上的光路系统，经固定反射镜进入导轨导架上的反射镜，再经透镜聚集于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架上的反射镜和透镜聚焦系统从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移，同时，主轴电机驱动转盘作局部恒角速度PCAV转动。若整机采用多个激光器，方案有二，方案一，多个激光器连成直线以偏心方式安装在转盘的激光盘上，诸激光器的激光束经转盘上的固定反射镜反射，依序进入等距设置、高度递增的导轨导架上的多个反射镜，再经各反射镜的透镜聚焦于3D打印机的工作平面上；在计算机控制下，装于导轨导架上的诸反射镜和透镜聚焦系统，由伺服电机和齿轮蜗杆驱动，沿导轨从转盘中心(0点)向转盘外缘作等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动；方案二，多个激光器及各自聚焦透镜等距安装在转盘导轨导架上，在计算机控制下，伺服电机和齿轮蜗杆驱动导轨导架带着其上等距安装的激光器及各自透镜聚焦系统沿转盘中心的(0点)向转盘外缘做等速平移；同时，主轴电机驱动转盘作恒角速度CAV转动；所述转盘与激光盘和导轨导架系统，其特征是，转盘由主轴电机驱动；转盘与激光盘连成一体；转盘上装有固定反射镜，并开有细长激光束扫描窗口，供激光器的激光束在转盘转动、导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘等速平移时作无遗漏无重复阿基米德螺线扫描；转盘细长激光束扫描窗口上方设置导轨导架，导架上装有反射镜与透镜聚焦系统，或装有激光器与透镜聚焦系统；转盘上安装驱动导架平移的伺服电机和齿轮与蜗杆；转盘设计轻巧、坚固、强度大，防止转盘快速转动时对其上导轨导架上的反射镜、激光器及透镜聚焦系统产生过大振动，影响激光束以阿基米德螺线扫描的精确性和稳定性；所述主轴电机与导轨导架平移伺服电机系统，其特征是，在计算机控制下，主轴电机驱动转盘在整机采用单个激光器时，做局部恒角速度PCAV转动，在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；与此同时，在计算机控制下，导轨导架平移伺服电机与齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；转盘的转动和导架的等速平移，使激光束得以实现整个工作面的阿基米德螺线无遗漏无重复扫描；所述计算机控制系统，其特征是，计算机控制主轴电机，在整机采用单个激光器时，驱动转盘做局部恒角速度PCAV转动；在整机采用多个激光器时，做恒角速度CAV转动；同时控制导轨导架平移伺服电机和齿轮蜗杆，驱动导架沿导轨自转盘中心(0点)向转盘外缘做等速平移；同时，计算机控制激光束沿导轨作阿基米德螺线扫描时，依工件数字模型的阿基米德螺线柱面切片数据，指令相关激光器取脉冲、连续、空缺工作模式，在工作平面上作无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描，为此，在整机采用多个激光器时，设置各相应扫描段的起始点、终结点的起始符、终结符，便于计算机对整个阿基米德螺线扫描做严密监控和校正，达到该切片的完整、无遗漏、无重复阿基米德螺线扫描；当依据工件数字模型的阿基米德螺线柱面数据一个切片全部扫描完毕，计算机控制导轨导架伺服电机和齿轮蜗杆驱动导架向转盘中心(0点)平移“归零”，为下一个阿基米德螺线柱面切片的扫描作好准备。