一種激光掃描頭、三維打印裝置及打印方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于三維實物成型技術領域，具體涉及一種激光掃描頭、三維打印裝置及打印方法。
【背景技術】
[0002]三維打印(3D printing)技術是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術。三維打印技術無需機械加工或模具，通過計算機圖形數(shù)據(jù)中直接生成任何形狀的物體，從而能夠極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
[0003]選區(qū)性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering，簡稱SLS)技術是三維打印的一種重要方法，以激光器為能量源，通過激光束的能量，使照射部位的塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復合物的粉末融化并均勻地燒結(jié)在加工平面上。圖1示出了目前激光燒結(jié)式三維打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，三維打印裝置包括工作架01、送粉缸02、鋪粉輥筒03、工作缸04和激光掃描頭05，送粉缸02和工作缸04分別設置供粉活塞06和成型活塞07。三維打印裝置的加工過程為:供粉活塞向上均勻移動設定高度，送粉缸內(nèi)的粉末材料09向上移動并在鋪粉輥筒的轉(zhuǎn)動下平鋪于工作缸底部或已成型零件08的上表面L。待平鋪的粉末被加熱到恰好低于該粉末燒結(jié)點的溫度時，激光掃描頭發(fā)出的激光束按照該層的圖形駐點掃描，使粉末的溫度升至熔化點，燒結(jié)并與下面已經(jīng)成型的部分實現(xiàn)黏連。當某一截面燒結(jié)完成后，工作缸內(nèi)的成型活塞下降一個層的厚度，鋪粉輥筒在上面鋪一層粉末，進行新一層的截面燒結(jié)，直到完成整個產(chǎn)品加工。
[0004]目前激光燒結(jié)式三維打印裝置的激光掃描頭發(fā)出的激光束均為單光束，利用單光束對每層截面的所有圖形駐點逐一加工，大大制約了三維打印裝置的打印效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種能夠發(fā)射多光束的激光掃描頭及使用該激光掃描頭的三維打印裝置，使用該激光掃描頭的三維打印裝置能夠大幅提高打印效率。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種激光掃描頭，包括
[0007]一種激光掃描頭，其特征在于，包括:
[0008]激光源，其發(fā)出的激光束包括兩束偏振方向相互垂直的線偏振光；
[0009]分光裝置，設置于所述激光束的出射方向，用于將所述激光束分解為出射方向相互垂直的兩束線偏振光；
[0010]其中，所述分光裝置包括偏轉(zhuǎn)方向相互垂直的第一偏轉(zhuǎn)透鏡和第二偏轉(zhuǎn)透鏡；
[0011]所述激光束依次通過第一偏轉(zhuǎn)透鏡和第二偏轉(zhuǎn)透鏡，第一偏轉(zhuǎn)透鏡對所述激光束中的一束線偏振光進行偏轉(zhuǎn)，第二偏轉(zhuǎn)透鏡對所述激光束中的另一束線偏振光進行偏轉(zhuǎn)。
[0012]優(yōu)選地，第一偏轉(zhuǎn)透鏡包括上、下玻璃基板，上、下玻璃基板相對的表面上分別貼附有上導電膜和下導電膜；上導電膜和下導電膜之間形成的方形區(qū)域內(nèi)一部分填充液晶，另一部分填充聚合物，所述上導電膜和所述下導電膜均與電源連接；
[0013]第二偏轉(zhuǎn)透鏡與第一偏轉(zhuǎn)透鏡的結(jié)構(gòu)相同；第二偏轉(zhuǎn)透鏡中液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)所形成的平面與第一偏轉(zhuǎn)透鏡中液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)所形成的平面垂直；
[0014]所述激光束中的一束線偏振光的偏振方向與第一偏轉(zhuǎn)透鏡中液晶分子長軸處于同一平面內(nèi)；另一束線偏振光的偏振方向與第二偏轉(zhuǎn)透鏡中液晶分子長軸處于另一平面內(nèi)。
[0015]其中，所述上導電膜和下導電膜之間形成的方形區(qū)域內(nèi)，所述液晶和所述聚合物均為三角形結(jié)構(gòu)。
[0016]作為另一優(yōu)選方案，所述上導電膜和下導電膜之間形成的方形區(qū)域內(nèi)，所述液晶為三角形結(jié)構(gòu)，所述聚合物為梯形結(jié)構(gòu)；或者，
[0017]所述液晶為為梯形結(jié)構(gòu)，所述聚合物為三角形結(jié)構(gòu)。
[0018]進一步地，所述激光掃描頭還包括:
[0019]場鏡，設置于所述分光裝置的出射側(cè)，用于對兩束線偏振光分別聚焦。
[0020]優(yōu)選地，所述激光源包括出射光為線偏振光的第一激光器、出射光為線偏振光的第二激光器和親合器；
[0021]所述親合器將第一激光器和第二激光器發(fā)射的線偏振光親合形成所述激光束。
[0022]優(yōu)選地，第一激光源和第二激光器均為Nd = YAG激光器。
[0023]作為另一優(yōu)選方案，所述激光源包括出射光為線偏振光的第三激光器和四分之一波片；
[0024]所述四分之一波片設置于第三激光器的出射方向，以將第三激光器發(fā)射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光或橢圓偏振光。
[0025]優(yōu)選地，第三激光器為Nd = YAG激光器。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種三維打印設備，包括工作缸和上述各技術方案中的激光掃描頭，所述激光掃描頭發(fā)出的兩束線偏振光同時照射在所述工作缸底面或已成型零件上表面的粉料上。
[0027]進一步地，所述三維打印設備還包括第一移動裝置和/或第二移動裝置；第一移動裝置設置于激光掃描頭上，用于使所述激光掃描頭相對于所述工作缸底面或已成型零件上表面在水平面內(nèi)移動，第二移動裝置設置于工作缸所在的工作架上，第二移動裝置可使所述工作架相對于所述激光掃描頭在水平面內(nèi)移動。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，還提供了一種利用上述三維打印設備進行打印的打印方法，包括:
[0029]將粉末材料平鋪于工作缸底部或已成型零件的上表面；
[0030]將平鋪好的粉末加熱到恰好低于該粉末燒結(jié)點的溫度；
[0031]利用激光掃描頭發(fā)出的兩束激光束同時對該層的圖形分區(qū)掃描、燒結(jié)；
[0032]當該層截面燒結(jié)完成后，工作缸下降一個層的厚度或激光掃描頭上升一個層的厚度，再次平鋪一層粉末材料，進行新一層的截面燒結(jié)，直至完成整個產(chǎn)品加工。
[0033]由以上技術方案可知，本發(fā)明中的三維打印裝置利用兩束激光實現(xiàn)面單元的加工，與現(xiàn)有選擇性激光燒結(jié)裝置中利用單光束的線性加工方式相比，能夠大幅提升激光的燒結(jié)速度，從而大大提高打印效率。
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0035]圖1示出了目前激光燒結(jié)式三維打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的激光掃描頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的激光源的結(jié)構(gòu)組成圖；
[0038]圖4為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的第一偏轉(zhuǎn)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖5示出了液晶分子處于第一狀態(tài)時線偏振光線的光路變化圖；
[0040]圖6示出了液晶分子處于第二狀態(tài)時線偏振光線的光路變化圖；
[0041]圖7a和7b分別不出了在相互垂直的兩個方向觀察垂直設置的第一偏轉(zhuǎn)透鏡和第二偏轉(zhuǎn)透鏡的狀態(tài)圖；
[0042]圖8a_8c不出了不同時間段激光掃描頭中兩束激光的加工區(qū)域。
【具體實施方式】
[0043]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0044]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0045]術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0046]圖2為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的激光掃描頭的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，激光掃描頭包括激光源1、分光裝置2和場鏡3。其中，激光源I發(fā)出的激光束包括兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，分光裝置2設置于激光束的出射方向，用于將激光束分解為出射方向互相垂直的兩束線偏振光。
[0047]本實施例中的分光裝置2包括偏轉(zhuǎn)方向相互垂直的第一偏轉(zhuǎn)透鏡20和第二偏轉(zhuǎn)透鏡21。激光束依次通過第一偏轉(zhuǎn)透鏡20和和第二偏轉(zhuǎn)透鏡21，第一偏轉(zhuǎn)透鏡20對激光束中的一束線偏振光進行偏轉(zhuǎn)，第二偏轉(zhuǎn)透鏡21對激光束中的另一束線偏振光進行偏轉(zhuǎn)。
[0048]場鏡3設置于分光裝置2的出射側(cè)，用于對兩束線偏振光10，11分別聚焦。
[0049]圖3為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的激光源的結(jié)構(gòu)組成圖。本實施例中所述的激光源I包括第一激光器12、第二激光器13和親合器14。第一激光器12出射光為線偏振光，其偏振方向平行于紙面方向；第二激光器13出射光為線偏振光，其偏振方向垂直于紙面方向。第一激光器12發(fā)射的線偏振光和第二激光器13發(fā)射的線偏振光經(jīng)親合器14親合形成激光束。
[0050]作為另一優(yōu)選方案，本實施例中的激光源還可包括出射光為線偏振光的第三激光器和四分之一波片。四分之一波片設置于第三激光器的出射方向，第三激光器發(fā)射的線偏振光經(jīng)四分之一波片轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光或橢圓偏振光。圓偏振光或橢圓偏振光可被分解為兩個偏振方向垂直的線偏振光。
[0051]本實施例中，第一偏轉(zhuǎn)透鏡20與第二偏轉(zhuǎn)透鏡21的結(jié)構(gòu)相同。圖4為根據(jù)一優(yōu)選實施例示出的第一偏轉(zhuǎn)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，第一偏轉(zhuǎn)透鏡20包括上、下玻璃基板201，202，上、下玻璃基板相對的表面上分別貼附有上導電膜203和下導電膜204。上導電膜203和下導電膜204之間形成的方形區(qū)域內(nèi)一部分填充液晶205，另一部分填充聚合物206。優(yōu)選地，液晶和聚合物均為三角形結(jié)構(gòu)。上導電膜和下導電膜均與電源連接。
[0052]下面對于第一偏轉(zhuǎn)透鏡的工作原理進行詳細闡述。
[0053]假設第一偏轉(zhuǎn)透鏡中液晶中的液晶分子對于非尋常光的折射率ne = 1.642，對于尋常光的折射率no = 1.488。為便于計算，假設聚合物的折射率η與液晶分子對于尋常光的折射率no相同，即n = no = 1.488，且聚合物為各向同性物質(zhì)。假設圖4中Θ的角度為Θ =60°，玻璃基板的折射率η’ =1.45。
[0054]假設采用正性液晶，當施加電壓時，液晶分子長軸平行于電場方向。