[发明专利]在线同轴闭环控制激光选区熔融/烧结打印机及打印方法

说明书

本发明公开了一种基于烧结温度在线同轴闭环控制的激光选区熔融/烧结打印机及其打印方法，包括第一二向色镜、扫描振镜、光束聚焦装置和打印床，第一二向色镜一端依次连接滤波片和高速测温计，经第一二向色镜反射的光束部分被滤掉，通过的特定波长光束到达高速测温计，将测定的熔池温度信息反馈给高速温度控制器，进而调控激光器的激光能量大小输出。该打印机根据熔池温度信号控制激光输出能量，形成在线闭环控温系统，不管材料批次与激光功率衰减或波动，作用于材料表面温度是可控固定的，无需大量人力物力实验获得某批次某激光状态下的最优工艺参数，不需大量实验确定功率、速度等参数，显著提升了激光选区熔融/烧结制件的成功率与稳定性。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体而言，涉及一种基于烧结温度的在线同轴闭环控制的激光选区熔融/烧结打印机及打印方法。

背景技术

激光选区熔融/烧结增材制造，可以实现高分子材料、金属材料等的层层堆叠增材制造，可以制备各类传统方法无法实现的复杂结构成型加工。但是，激光选区熔融/烧结技术对材料、设备的工艺参数有高度依赖，从而造成制件成功率较低。为了提高打印成功率，往往要耗费大量的人力、物力摸索合适的工艺参数。而且随着材料批次的不同，激光稳定性的变化都会带来最优工艺参数改变，容易造成制件性能的变化。熔融/烧结的原理，实际上就是合适的激光能量密度作用在材料表面，材料温度上升并熔化烧结。材料参数、激光参数的改变，最终改变的是作用于材料表面的能量密度或材料对激光的吸收效率，从而影响了材料加工温度，带来制件微观组织成份与形貌的改变，造成制件性能波动。目前主流的激光选区熔融/烧结设备均不具备在线加工温度监控能力，打印工艺参数凭大量工艺试验和基础工艺数据，整体加工工艺参数设置存在盲目性，制件成功率与性能稳定性普遍较低。

发明内容

本发明旨在提供一种基于烧结温度在线同轴闭环控制的激光选区熔融/烧结打印机及打印方法，烧结过程可直接监测粉体熔池温度，确保激光作用在待打印材料表面上的温度可控固定。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于烧结温度在线同轴闭环控制的激光选区熔融/烧结打印机，包括：设置在光路上的第一二向色镜，用于反射从待打印粉末处返回的特定波长的光束；扫描振镜和光束聚焦装置，均设置在光路上，用于扫描和聚焦光束；以及打印床，其与扫描振镜相对设置，以使得激光到达位于其上的待打印粉末；其中，第一二向色镜的一端依次连接有滤波片和高速测温计，经所述第一二向色镜反射回来的光束部分被滤波片滤掉，而通过的特定波长光束到达所述高速测温计，将测定的待打印粉末熔池的温度信息反馈给高速温度控制器，进而调控激光器的激光能量输出大小。

根据本发明，光束聚焦装置为设置在所述扫描振镜下端的场镜或者在激光器和第一二向色镜之间的动态聚焦镜和透镜，用于对入射到打印床之前的光束进行聚焦。

根据本发明，激光选区熔融/烧结打印机还包括设置在光路上的第二二向色镜，所述第二二向色镜上连接有CCD成像测温装置。

优选地，第二二向色镜设置在激光器和第一二向色镜之间。更优选地，CCD成像测温装置的帧频为1000fps。优选地，第二二向色镜与第一二向色镜的镀膜不同。

根据本发明，所述激光器为连续波光纤激光器。优选地，所述连续波光纤激光器的波长为1080nm，功率为500W。

根据本发明，所述高速测温计为双波长测温计或多波长测温计。优选地，波长范围为900～1100nm，波长计响应时间控制在微秒级。

优选地，波长计响应时间为50μs。优选地，高速温度控制器响应周期和采样周期为微秒级。更优选地，高速温度控制器的响应周期和采样周期为200μs。

根据本发明，激光选区熔融/烧结打印机还包括铺粉系统、送粉系统、气氛管理系统以及粉体回收系统。

根据本发明另一方面，还提供了一种基于烧结温度在线同轴闭环控制的激光选区熔融/烧结打印机的打印方法，包括以下步骤：