新型3d打印光纤激光器控制系统及打印方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型3D打印光纤激光器控制系统及打印方法，包括单片机、数字电位器、开关电源、数字温度传感器以及报警装置；其中，所述单片机连接所述数字电位器；所述数字电位器连接所述开关电源的控制端；所述单片机一方面连接所述数字温度传感器，另一方面连接所述报警装置；所述单片机用于对数字电位器输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而控制激光输出功率的。本发明通过在线调整激光器的功率可以有效地提高激光烧结后金属零件表面的精度。
【专利说明】
新型3D打印光纤激光器控制系统及打印方法
技术领域
[0001]本发明涉及增材制造，具体地，涉及一种激光3D打印金属零件的方法。
【背景技术】
[0002]3D打印(3D printing)技术是一种融合了材料、信息、生物、控制、机械等技术的数字化增材制造技术。3D打印技术与传统制造方法最大的区别是3D打印将成形材料逐层堆积，生成三维实体。目前可供打印的材料形态有粉末、液体、片状或者丝状等离散材料。3D打印的基本原理是首先将一个三维实体模型按照需要的精度将其切割为若干个薄片层面，由于其厚度较小，故而可以看做是一个二维的平面，这样就将制造的难度，复杂度大大的降低。从理论上来讲，只要在计算机中完成三维模型的设计，就可以在不用刀具，模具及其他复杂工艺的条件下，制造出三维实体。
[0003]粉末选区激光融化(Selective Laser Melting,SLM)是一种金属结构件直接成型方法。该技术用逐层添加方式根据CAD数据直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。而SLM技术需要高功率密度激光器，聚集到几十微米大小的光斑。由于材料吸收问题，一般CO2激光器很难满足要求，Nd:YAG激光器由于光束模式差也很难达到要求，所以粉末选区激光融化技术需要使用光束质量较好的半导体栗浦YAG激光器或光钎激光器，功率在100W左右，可以达到30—50μπι的聚集光斑，功率密度达到5 X106W/cm2以上。
[0004]激光功率是激光直接烧结工艺中的一个重要影响因素。功率越高，激光作用范围内能量密度越高，材料熔化越充分，同时烧结过程中参与熔化的材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大，粉末烧结固化后易生成凸凹不平的烧结层面。激光功率高到一定程度，激光作用区内粉末材料急剧升温，能量来不及扩散，易造成部分材料不经过熔化阶段直接汽化，产生金属蒸气。在激光作用下，该部分金属蒸气与粉末材料中的空气一起在激光作用区内汇聚、膨胀、爆破，形成剧烈的烧结飞溅现象，带走熔池内及周边大量金属，形成不连续表面，严重影响烧结工艺的进行，甚至导致烧结无法继续进行。这种状况下的飞溅产物也容易造成烧结过程的“夹杂”。光斑直径是激光直接烧结工艺的另外一个重要影响因素。总的来说，在满足烧结基本条件的前提下，光斑直径越小，熔池的尺寸也就可以控制得越小，越易在烧结过程中形成致密、精细、均匀一致的微观组织。同时，光斑越细，越容易得到精度较好的三维空间结构，但是光斑直径的减小，预示着激光作用区内能力密度的提高，光斑直径过小，易引起上述烧结飞溅现象。扫描间隔是粉末激光直接烧结工艺的又一个重要影响因素，它的合理选择对形成较好的层面质量与层间结合，提高烧结效率均有直接影响。
[0005]激光器是SLM中重要的零部件，激光器能量和焦点的稳定性和准确性直接影响打印产品的质量，而对于现有的3D打印机，激光器的能量是固定的，无法进行调节。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型3D打印光纤激光器控制系统及打印方法。
[0007]根据本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统，包括单片机、数字电位器、开关电源、数字温度传感器以及报警装置；
[0008]其中，所述单片机连接所述数字电位器;所述数字电位器连接所述开关电源的控制端；
[0009]所述单片机一方面连接所述数字温度传感器，另一方面连接所述报警装置；
[0010]所述单片机用于对数字电位器输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而控制激光输出功率的。
[0011]优选地，还包括上位机；
[0012]其中，所述上位机通过串口连接所述单片机。
[0013]优选地，还包括显示器；
[0014]其中，所述显示器连接所述单片机。
[0015]优选地，还包括键盘；
[0016]其中，所述键盘连接所述单片机。
[0017]本发明提供的激光3D打印金属零件的方法，采用所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，包括如下步骤:
[0018]步骤S1:读取待加工零件的加工数据；
[0019]步骤S2:控制激光按设定的运动轨迹运行；
[0020]步骤S3:判断当前烧结区域距离激光器初始位置中心点的距离，将此距离与预设的阈值进行比较，当所述距离小于等于阈值将不调节激光器功率，保持激光器的功率进行扫描；当大于阈值，则触发步骤S4;
[0021 ]步骤S4:改变激光器的功率后进行扫描；
[0022]步骤S5:进行激光烧结。
[0023]优选地，所述步骤SI包括如下步骤:
[0024]步骤SlOl:读取零件的3DCAD数据；
[0025]步骤S102:将3D数据保存成STL文件的格式；
[0026]步骤S103:读取STL文件，将STL文件转换成G代码。
[0027]优选地，所述步骤S2包括如下步骤
[0028]步骤S201:读取G代码，将G代码解析成运动控制卡能够识别的指令；
[0029]步骤S202:通过运动控制卡控制扫描振镜进行粉末激光烧结。
[0030]优选地，所述步骤S3包括以下步骤:
[0031 ]步骤S301:将激光器初始位置的光斑中心作为第一基准点；
[0032]步骤S302:将当前激光要行走到的位置作为第二基准点；
[0033]步骤S303:计算第一基准点和第二基准点的距离；
[0034]步骤S304:将第一基准点和第二基准点之间的距离与阈值进行比较，当距离大于阈值，改变激光器的功率;当距离小于阈值，则保持激光器现有的功率。
[0035]优选地，在步骤S4中改变激光器的功率，具体为增大或减小激光器的功率。
[0036]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0037]1、本发明通过在线调整激光器的功率可以有效地提高激光烧结后金属零件表面的精度；
[0038]2、本发明通过改变激光器的功率可以形成较好的层面质量与层间结合，提高了金属零件的强度。
【附图说明】
[0039]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0040]图1为本发明中新型3D打印光纤激光器控制系统的结构示意图；
[0041 ]图2为本发明中激光3D打印金属零件的方法的结构示意图。
【具体实施方式】
[0042]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0043]在本实施例中，本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统，包括单片机、数字电位器、开关电源、数字温度传感器以及报警装置；
[0044]其中，所述单片机连接所述数字电位器;所述数字电位器连接所述开关电源的控制端；
[0045]所述单片机一方面连接所述数字温度传感器，另一方面连接所述报警装置；
[0046]所述单片机用于对数字电位器输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而控制激光输出功率的。
[0047]本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统，还包括上位机；
[0048]其中，所述上位机通过串口连接所述单片机。
[0049]本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统，还包括显示器和键盘；
[0050]其中，所述显示器连接所述单片机；
[0051 ]本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统，还包括键盘；
[0052]其中，所述键盘连接所述单片机。
[0053]当使用本发明提供的新型3D打印光纤激光器控制系统时，上位机通过串口2发送光纤激光器的输出功率，然后由单片机I进行控制调节，提供所需要的激光功率，当进行激光功率设定时，由单片机I对数字电位器4的输出电阻进行控制，以改变开关电源的控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而实现激光输出功率的变化。同时利用数字温度传感器5对光纤激光器工作环境温度进行采集，利用单片机I实现对温度数据的处理，当温度超出规定的40°C时，单片机I会控制报警装置8进行报警，主要通过发光二级管进行温度报警，并利用显示器6显示信息，用户可实时了解激光器的工作情况。
[0054]所述采用单片机型号为1MC9S12xDP512的单片机，是Freescale公司生产的一种16位器件，其包括大量的片上存储器和外部I/O。所述开关电源选用型号为PC0-6131的开关电源，以满足光纤激光器的输出功率要求。所述数字电位器4为选用型号为DS1867的数字电位器，电阻可调的范围为O?1kQ，数字电位器4包含两个256等级的输出电位器，通过串行方式进行编程。数字温度传感器选用美国Dallas公司推出型号为DS18B20数字温度传感器5。显示器选用型号为LCD1602的液晶显示器6模块支持2行X 16字符和5 X 7点阵两种模式，显示对比度和背光亮度均可调，由驱动器和液晶显示屏两部分组成。键盘7在时钟控制下不断地循环扫描，并根据扫描信号、对应键盘7的相应信号来确定键盘7按键位置，并通过矩阵键盘7配合显示器6进行交互。
[0055]激光器为电流型驱动器件，驱动电流是输出光功率的前提，通过改变激光器电源电流的大小来改变激光器的输出功率。通过控制激光器的输出功率的基本方法是:由单片机I控制数字电位器4的输出电阻，使开关电源的控制端的电压改变，从而控制了开关电源的输出电流，改变光纤激光器功率的输出。
[0056]数字电位器4的输出电阻R由式(I)计算
[0057]R = DXRWL+Rff(I)
[0058]其中，RW为滑臂电阻，即为内部电位器电子开关电阻，通常RW <100 Ω，典型值为40Ω ;RWL为数字电位器DS1867内部电子阵列中每个电阻单元的阻值;D为输入的数字量。
[0059]本发明提供的激光3D打印金属零件的方法，采用所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，包括如下步骤:
[0060]步骤S1:读取待加工零件的加工数据；
[0061 ]步骤S2:控制激光按设定的运动轨迹运行；
[0062]步骤S3:判断当前烧结区域距离激光器初始位置中心点的距离，将此距离与预设的阈值进行比较，当所述距离小于阈值将不调节激光器功率，保持激光器的功率进行扫描；当大于阈值，则触发步骤S4;
[0063]步骤S4:改变激光器的功率后进行扫描；
[0064]步骤S5:进行激光烧结；
[0065]所述步骤SI包括如下步骤:
[0066]步骤SlOl:读取零件的3D CAD数据；
[0067]步骤S102:将3D数据保存成STL文件的格式；
[0068]步骤S103:读取STL文件，将STL文件转换成G代码。
[0069]所述步骤S2包括如下步骤
[0070]步骤S201:读取G代码，将G代码解析成运动控制卡能够识别的指令；
[0071 ]步骤S202:通过运动控制卡控制扫描振镜进行粉末激光烧结。
[0072]所述步骤S3包括以下步骤:
[0073]步骤S301:将激光器初始位置的光斑中心作为第一基准点；
[0074]步骤S302:将当前激光要行走到的位置作为第二基准点；
[0075]步骤S303:计算第一基准点和第二基准点的距离；
[0076]步骤S304:将第一基准点和第二基准点之间的距离与阈值进行比较，当距离大于阈值，改变激光器的功率;当距离小于阈值，则保持激光器现有的功率；
[0077]在步骤S4中改变激光器的功率，具体为增大或减小激光器的功率。
[0078]当使用本发明提供的激光3D打印金属零件的方法时，首先，3D打印机器初始化，回到原点，然后读取金属零件的3D CAD数据，然后将金属零件的数模图保存成.stl格式的文件;然后用切片和分层软件Cura将读取.stl文件，将每层的层厚设置为0.02mm，然后进行分层处理，生成金属零件的G代码，将G代码转换成运动控制卡的功能函数，主要包括点、直线和圆弧，功能函数可以直接控制运动卡进行运动;运动控制卡控制扫描振镜进行运动，扫描振镜带动激光器进行走轨迹，实现零件的内部和外部轮廓，运动控制卡采用固高型号为GT-400-SCAN的运动控制卡;根据运动轨迹控制激光进行粉末烧结，打印出所需要的零件。
[0079]在实时走轨迹的过程中，实时计算当前扫描点距离激光器初始位置中心点之间的距离，当距离大于设置的阈值时，调节激光器的输出功率，将功率提高，当距离小于设置的阈值时，不改变激光器的功率。最后，进行激光烧结粉末，打印出所需要的零件。
[0080]在变形例中，可以将零件的运动轨迹进行了实时的在线分析，与阈值相比较，根据结果调节激光器的功率，从而使得金属产品的表面精度更高，同时产品的强度也更大，此方法比较适合精度要求比较高的零件生产工艺和方法。
[0081]本发明通过改变激光器的功率保证每个区域内粉末烧结的温度和能量相同，保证了金属产品表面的精度和内部的强度。
[0082]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种新型3D打印光纤激光器控制系统，其特征在于，包括单片机、数字电位器、开关电源、数字温度传感器以及报警装置； 其中，所述单片机连接所述数字电位器;所述数字电位器连接所述开关电源的控制端； 所述单片机一方面连接所述数字温度传感器，另一方面连接所述报警装置； 所述单片机用于对数字电位器输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而控制激光输出功率的。2.根据权利要求1所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，其特征在于，还包括上位机； 其中，所述上位机通过串口连接所述单片机。3.根据权利要求1所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，其特征在于，还包括显示器； 其中，所述显示器连接所述单片机。4.根据权利要求1所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，其特征在于，还包括键盘； 其中，所述键盘连接所述单片机。5.—种激光3D打印金属零件的方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的新型3D打印光纤激光器控制系统，包括如下步骤: 步骤S1:读取待加工零件的加工数据； 步骤S2:控制激光按设定的运动轨迹运行； 步骤S3:判断当前烧结区域距离激光器初始位置中心点的距离，将此距离与预设的阈值进行比较，当所述距离小于等于阈值将不调节激光器功率，保持激光器的功率进行扫描；当大于阈值，则触发步骤S4; 步骤S4:改变激光器的功率后进行扫描； 步骤S5:进行激光烧结。6.根据权利要求5所述的激光3D打印金属零件的方法，其特征在于，所述步骤SI包括如下步骤: 步骤SlOl:读取零件的3D CAD数据； 步骤S102:将3D数据保存成STL文件的格式； 步骤S103:读取STL文件，将STL文件转换成G代码。7.根据权利要求6所述的激光3D打印金属零件的方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤 步骤S201:读取G代码，将G代码解析成运动控制卡能够识别的指令； 步骤S202:通过运动控制卡控制扫描振镜进行粉末激光烧结。8.根据权利要求5所述的激光3D打印金属零件的方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤: 步骤S301:将激光器初始位置的光斑中心作为第一基准点； 步骤S302:将当前激光要行走到的位置作为第二基准点； 步骤S303:计算第一基准点和第二基准点的距离； 步骤S304:将第一基准点和第二基准点之间的距离与阈值进行比较，当距离大于阈值，改变激光器的功率;当距离小于阈值，则保持激光器现有的功率。9.根据权利要求5所述的激光3D打印金属零件的方法，其特征在于，在步骤S4中改变激光器的功率，具体为增大或减小激光器的功率。
【文档编号】B22F3/105GK105846292SQ201610270179
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】王军, 杨炎, 董志国, 石宏鑫, 王青岩, 黄之文, 魏家华
【申请人】上海安轩自动化科技有限公司