金属3D打印中逐层可选择性双模激光清洗方法及清洗装置与流程

本发明属于3d打印技术领域，具体地指一种金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法及清洗装置。

背景技术：

金属3d打印技术可用于制造复杂、轻质、难熔的三维结构件，特别是一些传统工艺无法加工的结构件。比如，该技术在航天航空特殊功能梯度材料的制备过程中，通过控制每层的粉末材料属性，使两种功能不同的材料出现在同一个结构件上，可获得功能梯度结构件；该技术在新能源汽车领域，通过金属3d打印技术制造出特殊的中空结构，使得结构件轻量化，达到节约能源的目的；该技术在医疗领域，通过金属3d打印技术制造出骨骼、牙齿等一些人体组织，可帮助患者快速修复或替换上述坏损结构。总而言之，金属3d打印技术在各领域中得到越来越广泛的应用。

在金属3d打印制造过程中，激光扫描水平铺设的金属粉末，使粉末完全熔化，继而快速凝固成金属层；然后在成型的金属层上继续铺设新粉末，激光再次扫描使新粉末熔覆到前一层的上表面，以形成新的金属层。之后不断重复该过程，最终堆积形成一个三维制造件。

在目前的金属3d打印过程中，每一打印层都会出现金属氧化物、金属溅射物以及未完全熔化金属颗粒等杂质。如果不处理杂质，继续打印下一层，这些杂质将会增强球化效应，从而使金属颗粒不能完全熔化，进而产生空洞，这些空洞还可能形成应力集中源，加剧翘曲、变形等缺陷。同时这些杂质也会导致当前成型上表面比较粗糙，生成异物碎片，影响下一层的熔覆，进而影响成型件的强度等性能。

3d打印过程中的缺陷通常发生在熔化的粉末颗粒与未熔化的粉末颗粒之间的接触界面。前一层中的未完全熔化的金属颗粒、金属溅射物直径较大，一般为新铺设层的粉末颗粒直径(20um-50um)的两倍。由此改变了当前粉末层颗粒尺寸分布，导致激光扫描后的金属层中产生孔洞和缝隙，并加剧球化效应。

目前为止，对于已经完成的金属3d打印结构件，因打印过程中产生杂质而引发的内部缺陷很难被修复，尤其是对于具有复杂几何结构的工件，修复的可能性更小。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种易于安装实施、能有效提高3d打印件质量的金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法及清洗装置。

为了实现上述目的，本发明所涉及的金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

s1在3d打印机内设置辅助点激光、辅助线状激光和杂质检测装置；

s2利用辅助线状激光扫描清洗3d打印机基底表面；

s3第一层铺粉后利用3d打印激光开始扫描加工，杂质检测装置按打印路径逐条检测，当杂质颗粒大于规定值时启动辅助线状激光对已打印完成的路径进行清洗，当杂质颗粒小于规定值时启动辅助点激光对杂质颗粒挨个进行清除，其中，辅助线状激光和辅助点激光均在不超过3d打印激光扫描光斑的情况下对已打印完成的部分进行扫描清洗；

s4待第一层加工清洗完成后，再用步骤s3的方法开始下一层的加工和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。

进一步地，还包括激光变换装置，所述辅助点激光和辅助线状激光均通过激光变换装置将同一束辅助激光变换所得。采用一束独立于主激光的辅助激光，方法容易，在现有的金属3d打印设备中易于安装，形成拥有双激光的一体机

更进一步地，所述激光变换装置包括辅助激光x轴振镜、辅助激光y轴振镜和平场镜，

所述辅助激光x轴振镜用于将辅助激光进行x轴偏转；

所述辅助激光y轴振镜用于将辅助激光进行y轴偏转；

所述平场镜用于将辅助激光发散成一条线状激光。

进一步地，在步骤s3中，每条路径扫描清洗完成后，杂质检测装置对此路径再做一次检测，如有残留杂质，再启用辅助点激光对此路径上的杂质颗粒进行清洗。

进一步地，所述杂质检测装置包括工业相机和线状检测激光发生器，线状检测激光发生器用于发射线状检测激光作用于被检测对象表面，所述工业相机用于捕获被检测对象表面反射的检测激光。

再进一步地，所述线状光斑的起始位置位于远离打印方向的一侧，可以很好的避免与3d金属打印激光束发生重合。

再进一步地，所述辅助线状激光光斑与3d打印激光的打印方向夹角为90度。能更好的清理打印过程中两相邻打印路径沟壑里的杂质。

一种如上所述金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法的清洗装置，其特殊之处在于：包括设置在3d打印机中设置有辅助点激光发生器、辅助线状激光发生器、杂质检测装置，所述辅助点激光发生器用于发生辅助点激光，所述辅助线状激光发生器用于发生辅助线状激光，所述杂质检测装置用于检测打印路径上的杂质，具体工作过程如下：

首先利用辅助线状激光扫描清洗3d打印机基底表面；

再进行第一层铺粉后利用3d打印激光开始扫描加工，杂质检测装置按打印路径逐条检测，当杂质颗粒大于规定值时启动辅助线状激光对已打印完成的路径进行清洗，当杂质颗粒小于规定值时启动辅助点激光对杂质颗粒挨个进行清除，其中，辅助线状激光和辅助点激光均在不超过3d打印激光扫描光斑的情况下对已打印完成的部分进行扫描清洗；

待第一层加工清洗完成后，再用第一层的清洗方法开始下一层的加工和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。

进一步地，还包括激光变换装置，所述辅助点激光发生器和辅助线状激光发生器为同一装置，所述辅助点激光和辅助线状激光均通过激光变换装置将同一束辅助激光变换所得。

再进一步地，所述辅助线状激光光斑与3d打印激光的打印方向夹角为90度。

本发明的优点在于：

1、在金属3d打印过程中逐层清洗，实现3d打印金属成型件逐层表面杂质清洗；

2、采用辅助线状激光对基底的上表面进行清洗，可以有效提高基底与金属3d打印成型件的结合力；

3、辅助点激光和辅助线状激光只对杂质的清除有效果，不影响金属3d打印层，不影响金属层厚；

4、采用杂质检测装置，可以定向检测到杂质的分布，可以更好地实现杂质颗粒清洗。

5、激光清洗的过程中产生的金属蒸汽会通过腔室内的气体循环系统排出并收集，不会形成二次污染。

6、辅助点激光模式可以实现二次清洗，能够获得更好的表面层清洗质量。

7、激光清洗采用线激光，具有结构简单，控制容易，清洗范围大，清洗速度快，可以很好的和3d打印配合等优点。

8、激光清洗采用点激光清洗，具有定点清洗，清洗质量好，节约能源等优点。

附图说明

图1为本发明方法的线状辅助激光清洗示意图；

图2为本发明方法的点状辅助激光清洗示意图

图3为本发明金属3d打印逐层清洗的物体的第一层剖视图；

图4为本发明金属3d打印逐层清洗的物体的第二层剖视图；

图5为本发明金属3d打印逐层清洗的物体的第三层剖视图；

图6为本发明金属3d打印逐层清洗的物体的第四层剖视图；

图7为本发明金属3d打印逐层清洗物体在每层的局部清洗原理图；

图8为本发明线状辅助激光运动的方向图；

图9为本发明点状辅助激光运动的方向图；

图10为本发明方法具体工作的流程图；

图中：金属3d打印成型件101，条形辅助点激光传播路径102，平场镜103，辅助光x轴振镜104，辅助激光y轴振镜105，光学参量振荡器106，辅助激光发射器107，主激光x轴振镜108，主激光发射器109，主激光y轴振镜110，工业相机111，3d打印金属成型件的基底第一层201，3d打印金属成型件的第二层202，3d打印金属成型件的第三层203，3d打印金属成型件的第四层204，3d打印金属成型件的最后一层205，基底206，3d打印金属成型件207，杂质颗粒2011；主激光光斑轨迹301，辅助线状激光光斑302，辅助激光向右扫描303，主激光外圈向上扫描304，主激光内圈向上扫描305，主激光内圈向下扫描306，辅助点激光光斑307。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步的详细描述：

本发明所设计的金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法，包括以下步骤：

s1在3d打印机内设置辅助点激光、辅助线状激光和杂质检测装置；

s2利用辅助线状激光扫描清洗3d打印机基底表面；

s3第一层铺粉后利用3d打印激光开始扫描加工，杂质检测装置按打印路径逐条检测，当杂质颗粒大于规定值时启动辅助线状激光对已打印完成的路径进行清洗，当杂质颗粒小于规定值时启动辅助点激光对杂质颗粒挨个进行清除，其中，辅助线状激光和辅助点激光均在不超过3d打印激光扫描光斑的情况下对已打印完成的部分进行扫描清洗；

s4待第一层加工清洗完成后，再用步骤s3的方法开始下一层的加工和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。

其中，为了节约成本，方便操作，还包括激光变换装置，辅助点激光和辅助线状激光均通过激光变换装置将同一束辅助激光变换所得。

本发明装置中的激光变换装置包括光学参量振荡器、辅助激光x轴转换镜、辅助激光y轴振镜和平场镜，

所述光学参量振荡器用于调节辅助激光的波长；

所述辅助激光x轴振镜用于将辅助激光进行x轴偏转；

所述辅助激光y轴振镜用于将辅助激光进行y轴偏转；

所述平场镜用于将辅助激光发射成一条线状激光。

优选地，本发明的杂质检测装置包括工业相机和线状检测激光发生器，线状检测激光发生器用于发射线状检测激光作用于被检测对象表面，所述工业相机用于捕获被检测对象表面反射的检测激光。

为了进一步提高打印质量，在步骤s3中，每条路径扫描清洗完成后，杂质检测装置对此路径再做一次检测，如有残留杂质，再启用辅助点激光对此路径上的杂质颗粒进行清洗。

为避免与3d金属打印激光束发生重合，线状光斑的起始位置位于远离打印方向的一侧。

辅助线状激光光斑与3d打印激光的打印方向夹角为90度。

该方法可以有效地减少被清楚杂质颗粒重新溅落到打印层上，可显著提高清洗的质量。

本发明还提出了一种金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗装置，该装置包括设置在3d打印机中设置有辅助点激光发生器、辅助线状激光发生器、杂质检测装置，所述辅助点激光发生器用于发生辅助点激光，辅助线状激光发生器用于发生辅助线状激光，杂质检测装置用于检测打印路径上的杂质。

其中，为节约成本，方便操作，该清洗装置中还包括激光变换装置，辅助点激光发生器和辅助线状激光发生器为同一装置，辅助点激光和辅助线状激光均通过激光变换装置将同一束辅助激光变换所得。

激光变换装置，辅助激光和辅助线状激光均通过激光变换装置将同一束激光变换所得。

本发明装置中的激光变换装置包括光学参量振荡器、辅助激光x轴转换镜、辅助激光y轴振镜和平场镜，

所述光学参量振荡器用于调节辅助激光的波长；

所述辅助激光x轴振镜用于将辅助激光进行x轴偏转；

所述辅助激光y轴振镜用于将辅助激光进行y轴偏转；

所述平场镜用于将辅助激光发射成一条线状激光。

为了使得清洗更加彻底，辅助点激光的线状光斑与3d打印激光的打印方向夹角为90度。

其中，杂质检测装置包括工业相机和线状检测激光发生器，线状检测激光发生器用于发射线状检测激光作用于被检测对象表面，所述工业相机用于捕获被检测对象表面反射的检测激光。

如图所示，本发明提出的金属3d打印逐层激光表面清洗具体过程如下：

第一步，利用辅助线状激光对3d打印机基底206进行激光清洗，清除基底206表面上的金属氧化物及金属3d打印过程中的溅射物，由于基底206置于金属3d打印机内，基底206难免会与空气中的氧气发生反应，形成金属氧化物，基底206上也难免会有空气中的灰尘颗粒掉在上面，如果直接进行金属3d打印，铁粉和以上杂质一起熔化，会导致熔化金属的表面张力增大，加强球化效应，导致3d打印3d打印金属成型件的第一层与基底打印粘结不牢，在后续的打印过程中易出现错位的影响，因此在金属3d打印之前，首先采用辅助点激光器106发出波长为532nm的激光束，扫描速度250mm/s，激光束在经过x轴振镜105后在x轴方向上发生偏转，激光束继续前进，激光束经过y轴振镜104后在y轴方向上发生偏转，激光束继续前进，激光束经过平场镜103后发散成一条线，作用在基底206表面，辅助点激光扫描速度沿着y轴方向将基底206表面杂质清除掉；

第二步，待基底206表面清洗干净后，铺粉机开始第一层铺粉；

第三步，铺好粉后打印机主激光开始沿着计算机系统内成型层轮廓扫描，主激光发射器109采用200w功率的光纤发生器，扫描速度10m/s，主激光斑轨迹301直径为80um，主激光经过主激光x轴振镜108，主激光x轴振镜110，后作用在金属3d打印成型件101的成型层上，外圈向上扫描304再向右、向下，向左，扫描出3d打印金属成型件207成型层的外轮廓；

第四步，第一层外轮廓打印完成后开始内圈扫描，主激光内圈向上扫描305，右挪、主激光内圈向下扫描306、右挪，如此重复，如图8、图9所示，从左至右一条一条的路径打印。当主激光打印完第一条路径后，工业相机111同时开始工作，本发明中工业相机111采用1600*1200像素，线状检测激光通过光学参量振荡器发出532nm波长的激光，并采用120毫安的电流，输出功率为30mw，线状检测激光光斑扫描过打印好的轮廓后1600*1200像素的工业相机111采集到相应的图像，通过与3d打印系统内置切片层轮廓形状对比，3d打印系统计算出图像中杂质颗粒2011所在的区域和杂质颗粒数量，根据颗粒数量决定启用辅助点激光还是辅助线状激光。

本发明中规定为颗粒数大于5个即采用线性辅助激光向右扫描303，如图所示，辅助激光发射器107位于主激光发射器109的左侧，辅助激光发射器的作用是可以发射出波长为532nm，1000ns脉冲50w的激光束，激光束在空间直线传播，作用在光学参量振荡器106上后可以改变波长，变成波长1064nm的激光作用在辅助激光x轴振镜104上，辅助激光束继续在空间传播，作用在辅助激光y轴振镜105上，辅助激光继续在空间传播，此时平场镜103自动向上旋转收起，辅助激光束沿空间传播，光斑作用在金属3d打印成型件101上，平场镜103、辅助激光x轴振镜104、辅助激光y轴振镜105、光学参量振荡器106和工业相机111之间都采用电缆与3d打印机系统控制连接，辅助线状激光光斑302在不超过主激光扫描光斑301的情况下，把刚打印层上的金属杂质颗粒2011清除掉。当检测到的已打印路径上杂质颗粒2011数小于等于5个即启用辅助点激光对杂质颗粒2011挨个进行清理。辅助激光发射器107发射出波长为532nm，1000ns脉冲50w的激光束，辅助激光束在空间直线传播，作用在光学参量振荡器106上后可以改变波长，变成波长1064nm的激光作用在辅助激光x轴振镜104上，辅助激光束继续在空间传播，作用在辅助激光y轴振镜105上，辅助激光继续在空间传播，此时平场镜103自动向上旋转收起，辅助激光束沿空间传播，辅助点激光光斑307作用在金属3d打印成型件101上，杂质定向吸收激光的能量，当杂质吸收的能量大于蒸发阈值时，杂质开始蒸发，从而使杂质从金属表面无损剥离。为进一步保证打印质量，清洗完此路径后杂质检测装置对此路径进行二次检测，如果清洗区域还有未清洗完成的杂质颗粒2011，则采用辅助点激光，再定向清洗杂质颗粒2011。辅助点激光和辅助线状激光均不能超过主激光光斑。第一层打印和清洗结束后，铺上第二层铁粉。主激光301和辅助激光303开始重复以上操作，一直到3d打印金属成型件的第二层202、3d打印金属成型件的第三层203、3d打印件打印第四层204……直到3d打印件最后一层205表面清洗完后系统进入自动判断打印结束。完成3d打印金属成型件207的逐层表面激光清洗处理。

本发明提出的金属3d打印逐层表面可选择性清洗方法包括点激光定点清洗和线激光逐条路径清洗两种清洗模式，可以根据清洗环境，系统自动切换最节约能量的方式开展激光清洗。

本发明提出的金属3d打印中逐层可选择性双模激光清洗方法及清洗装置可以实现在金属3d打印过程中逐层对3d打印金属成型层表面进行清理，从而达到3d打印金属成型件内部的杂质控制，从内部解决3d打印金属成型件的一些空洞、应力集中、开裂的问题。可以显著地提高金属3d打印机打印成型件的良品率，消除了在增材制造之后需要人工执行缺陷移除和表面处理操作的需要，节约了成本，与已知的后操作相比，本发明可以在源头上节约成本和时间，具有巨大的优势。