[发明专利]3D打印装置、打印方法及其运动控制方法

说明书

本发明提供了一种3D打印装置，包括：物料铺设单元和工作台；激光束成型单元；粗动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动；测量系统，包括粗动测量系统和微动测量系统；控制系统，分别与物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，其根据待打印工件的模型控制粗动单元移动、微动单元移动和控制物料铺设单元向工作台上传送原材料，其获取测量系统的位移测量值，控制激光束成型单元完成打印。本发明引用运动系统的粗动、微动联合驱动技术，在不需要成型的结构处以粗动单元快速运动，再以微动单元精确定位，实现速度与精度的双赢。

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其是一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法。

背景技术

3D打印是一种快速成型“增材制造技术”，在节省耗材及复杂造型两方面表现突出，具有制造成本低、生产周期短等明显优势。而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。它是一种新兴行业，发展前景乐观，对传统制造工艺带来了革命性的挑战。目前，材料种类及性能、打印精度、金属打印力学性能及零件尺寸是制约3D打印技术快速发展的瓶颈。随着在工业领料的不断拓展，3D金属打印是重要发展方向，并对打印精度提出更高的要求，另外工件尺寸也会越来越大。

根据打印的成型工艺及材料的不同，3D打印机的具体技术方向也不同，进而各功能部件的设置及联动形式也不同。由于其逐层打印立体成型的特点，无论哪种成型工艺，都离不开运动结构单元，用于能量、物料的立体构造，如供料单元、成型单元和工作台等。三维立体的打印制件，在逐层成型的过程中，每一节点的分辨率是影响该层轮廓度的重要指标，加上纵向轮廓的分辨效果，最终决定了立体物品的整体轮廓质量，反映到设备结构中即是运动部件的定位精度问题。运动台的定位精度及各运动轴之间的联动控制是制约3D打印精度的关键因素，物料的精确定位、能量光束的精准控制至关重要。特别是金属打印设备中，金属粉末的颗粒度相当精细，对于一般精度零件来说，粉末材料的精细化已不是影响精度的瓶颈，随着金属粉末的更加精细，在微纳加工级别的3D打印领域中对设备的要求就显得非常明显了，而设备的性能又往往体现于运动部件的位置精度。

根据功能及性能需求不同，成型的三维模型结构复杂各异，若同一成型层中结构要素不连续，如孔状结构，这就要求运动轨迹能够做到快速的过渡，以保证较高产率。而当前的3D打印设备运动轴精度都是固定的，缺少柔性，当轨迹过渡时速度需求往往大于精度需求，并不需要较高的精度。

当前的3D打印设备中，在供料装置、成型装置、工作台运动系统中，多采用运动轴的开环控制，缺少运动部件位置的反馈控制，主流的高精度打印设备中有采用运动部件位置的反馈环节，也仅是单独对运动系统采用了高精度的测量系统，将采集到的位移信号作为反馈，尚没有采用对两个联合运动轴间进行直接测量的技术，通过选用更靠近成型工件的要素定位精度进行监测，能更科学的反映联动轴之间的定位误差，从而更能保证工件成型的精度。

在选择性激光烧结3D打印设备中，制约打印成型质量的另一重要因素是激光光斑的精度，运动台的定位精度与光斑的定位精度要系统匹配起来。激光光斑直径的大小对制件的精度和生产效率影响较大，水平向光斑直径越小精度越高，但生产效率低，垂向离焦量对烧结深度有影响，当激光焦点落在粉末层的不同位置，即离焦量不同时，对烧结深度的影响较大，在焦点附近，烧结深度较深,在负离焦时，热量能向下传播更远的距离，深度达到最大值。由于激光束的能量呈高斯分布规律，且停留时间极为短暂，因此烧结区域的物质密度和温度梯度巨大，扫描间隔即光斑的步进量对烧结程度影响较大。

因此，如何在不连续层结构中实现轨迹快速过渡而又不损失精度，具有较高的经济效益，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法，以解决现有技术中定位精度较差，无法实现轨迹快速过渡而又不损失精度的问题。