一种光斑调节光学系统及其打印方法

1.本发明属于增材制造领域，特别是涉及一种光斑调节光学系统及其打印方法。


背景技术：

2.激光打印作为一种增材制造技术，具有较高的打印精度和打印速度，材料适用范围广。与传统加工方式相比，3d打印机具有节省加工原料、无需对加工废料进行后处理等优势。
3.激光烧结成型利用分层叠加原理，将模型分解成若干平面结构，通过粉末作为原料形成若干平面并堆积成三维模型，由于烧结过程中原料可以重复利用，因此具有很好的加工经济性。
4.当前3d打印技术普遍以固定大小光斑扫描，由点到线，由线到面，若光斑较小则打印效率较低，若光斑较大则产品细节无法完成，存在无法同时兼顾产品细节和效率的问题。
5.目前市场上采用光斑调节装置来改善上述问题，光斑调节装置包括扩束镜，扩束镜通常包括入射凹透镜和出射凸透镜，通过旋转或者拉伸扩束镜中的入射凹透镜和/或出射凸透镜，调整镜片(入射凹透镜和/或出射凸透镜)间隔来实现光斑大小的调节，这种调节方式存在光斑中心偏移及多次调节光斑大小不一致的问题。
6.现有技术一般通过电动或者气动作为动力源来实现镜片前后移动，并通过不同的方式来减小在移动镜片时偏移光轴的量；但是，在对镜片进行前后调整时，必然需要前后移动镜片，由于入射凹透镜和/或出射凸透镜承靠在不同的镜座上，不同镜座由于机械件加工存在一定误差，难以实现完全对准，同时，镜座移动过程中的摩擦必然会导致对应镜片的中心偏移，进而导致切换光斑上存在的光点定位偏差，打印质量变差。


技术实现要素：

7.为改善现有技术的不足，本发明提供一种光斑调节光学系统，能够克服光斑调节过程中调节精度不高、调节不稳定的问题。
8.本发明提供一种光斑调节光学系统，包括顺次设置的第一平凹透镜、双凸透镜和第二平凹透镜，以及
9.设置在所述双凸透镜和第二平凹透镜之间的至少一个平面镜，所述平面镜可拆卸连接在双凸透镜和第二平凹透镜之间的任意位置。
10.根据本发明的实施方案，所述所述双凸透镜和第二平凹透镜之间设置有至少一个插口，不同所述插口的宽度相同或不同，用于插接平面镜。
11.根据本发明的实施方案，不同所述平面镜的厚度相同或不同，例如不相同。
12.根据本发明的实施方案，所述平面镜的厚度为0.34-2.12mm，优选所述平面镜的厚度为0.5-1.8mm，进一步地，所述平面镜的厚度为0.8-1.2mm，例如为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.9mm、1.1mm、1.4mm、1.6mm、2.0mm、2.1mm。
13.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括动力源和平面镜夹持件，所述动力
源用于驱动所述平面镜夹持件将所夹持的平面镜插入到插口上，所述动力源例如为电机或者气缸。
14.根据本发明的实施方案，所述第一平凹透镜与双凸透镜之间的空气距离为40-50mm，例如为49mm。
15.优选地，所述双凸透镜与第二平凹透镜之间的空气距离为40-50mm，例如为49mm。
16.根据本发明的实施方案，所述插口与第二平凹透镜之间的空气距离为15.02-35.68mm，优选所述插口与第二平凹透镜之间的空气距离为20.01-30.15mm，进一步地，所述插口与第二平凹透镜之间的空气距离为24.05-28.35mm。
17.根据本发明的实施方案，所述双凸透镜和第二平凹透镜之间设置有插入镜片镜筒，所述插入镜片镜筒上设置有开口，所述开口提供所述平面镜插入或拔出的通道，所述通道例如为插口。
18.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括镜筒，所述第一平凹透镜设置于所述镜筒内。
19.根据本发明的实施方案，所述镜筒上套接有水冷壳，所述水冷壳包覆在所述镜筒上，所述水冷壳与镜筒之间形成冷却空间，所述水冷壳上设置有进水口和出水口，用于将冷却水导入冷却空间，对镜筒内的第一平凹透镜进行冷却。
20.优选地，所述第一平凹透镜通过第一压圈固定在镜筒内，例如所述第一压圈与镜筒螺纹连接。
21.优选地，所述第一平凹透镜的凹面曲率半径为45.85mm，中心厚度为3.5mm。
22.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括微调镜筒，所述双凸透镜设置于微调镜筒内，所述微调镜筒的一端与镜筒连接，另一端与镜片镜筒连接。
23.优选地，所述微调镜筒上设置有调焦环，所述调焦环通过调焦环压圈固定在微调镜筒上。
24.优选地，所述双凸透镜包括两凸面：第一凸面的曲率半径为68.08mm，第二凸面的曲率半径为68.08mm，中心厚度为4.4mm。
25.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括后镜筒，所述第二平凹透镜设置于所述后镜筒内，所述后镜筒的一端与镜片镜筒连接。
26.优选地，所述后镜筒远离镜片镜筒的一端设置有振镜连接件，所述振镜连接件上设置有振镜。
27.优选地，所述第二平凹透镜的凹面曲率半径为45.85mm，中心厚度为3.5mm。
28.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括光源，所述光源通过准直仪准直后射入所述第一平凹透镜。
29.根据本发明的实施方案，所述准直仪包括准直镜筒，所述准直镜筒上设置有第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件通过第一套环与准直镜筒的外壁连接，所述第二支撑件通过第二套环与准直镜筒的外壁连接。
30.根据本发明的实施方案，所述光学系统还包括场镜，所述场镜位于振镜的下方。
31.优选地，所述场镜通过场镜转接圈与振镜、后镜筒连接。
32.一种上述光斑调节光学系统在3d打印中的用途。
33.一种3d打印设备，其包括上述光斑调节光学系统。
34.根据本发明的实施方案，所述打印平台包括打印平台，所述打印平台位于场镜的下方。
35.一种采用上述打印设备进行的打印方法，其包括如下步骤：
36.s1、在打印平台上铺设金属粉末，光源发出激光束，经过准直镜准直后依次通过第一平凹透镜、双凸透镜、平面镜、第二平凹透镜、振镜和场镜后到达打印平台；
37.s2、改变所述平面镜的数量和厚度，从而调整在打印平台上形成的光斑大小。
38.根据本发明的实施方案，步骤s2之前还包括如下步骤：改变所述第一平凹透镜的位置，以改变初始光斑的大小。
39.优选地，所述光源为气动光源。
40.本发明应用在3d打印设备上，经过准直之后的平行光依次通过第一平凹透镜、双凸透镜、平面镜、第二平凹透镜后进入振镜，振镜改变平行光的角度后经过场镜进入打印平面，在使用时，第一平凹透镜、双凸透镜、第二平凹透镜的位置固定，在光斑切换过程中保持不动，仅通过插入不同数量、不同厚度的平面镜来改变光斑的大小，在调节光斑的过程中，不需要对双凸透镜、第二平凹透镜或其对应的镜座进行前后移动，克服了传统调节方案中移动镜片造成的光点中心偏移。
41.本发明通过插入平面镜片的方式进行光斑大小的切换，插入平面镜片的数量可以根据实际情况进行确定，不同厚度的平面镜片组合可以实现一种光斑，其原理为：插入不同厚度的平面镜片，客观上改变了平面镜与前后镜片(第一平凹透镜、双凸透镜、第二平凹透镜)之间的空气距，最终改变了到达平面上面的光斑大小。例如，在有两个不同位置的插口时，在不同的插口插入一片平面镜片(厚度一定)，就可以实现2种不同大小的光斑的调节；插入2种厚度不同的平面镜片，就可以实现4种大小不同的光斑组合。
42.有益效果
43.(1)本发明将经过准直之后的平行光依次通过第一平凹透镜、双凸透镜、平面镜、第二平凹透镜后进入振镜，振镜改变平行光的角度后经过场镜进入打印平面，在使用时，第一平凹透镜、双凸透镜、第二平凹透镜的位置固定，在光斑切换过程中保持不动，仅通过插入不同数量、不同厚度的平面镜来改变光斑的大小，在调节光斑的过程中，不需要对镜片进行前后移动，不仅调节方法简单，而且由于平面镜的任意位置厚度均相同，只需要插入不同厚度的平面镜片，客观上改变了平面镜与前后镜片(第一平凹透镜、双凸透镜、第二平凹透镜)之间的空气距，最终改变了到达平面上面的光斑大小，与传统调节方案中移动入射凹透镜和/或出射凸透镜造成的光点中心偏移相比，本发明中平面镜的移动不会改变光点中心的位置，能够提高打印质量。
44.(2)本发明通过插入不同厚度的平面镜片或将平面镜片放置在不同位置的方式进行光斑大小的切换，插入平面镜片的数量可以根据实际情况进行确定，不同厚度的平面镜片组合可以实现一种光斑，调节方法简单，效率较高且成本较低。
附图说明
45.图1是本发明中光斑调节光学系统的结构示意图。
46.图2是图1的剖视图。
47.其中，i-平凹透镜，ii-双凸透镜，iii-可插入平面镜，vi-平凹透镜，1-准直镜筒，
2-套环，3-支撑件，4-套环ii，5-支撑件ii，6-调节筒i，7-调节筒2，8-水冷壳，9-压圈i，10-镜筒，11-调焦环，12-微调镜筒，13-调焦环压圈，14-压圈ii，15-插入镜片镜筒，16-后镜筒，17-振镜连接件，18-振镜，19-场镜转接圈，20-场镜，21-准直光，22-打印平面，23-准直仪。
具体实施方式
48.下文将结合具体实施例对本发明的结构和方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
49.除非另有说明，以下实施例中使用的结构件均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
50.实施例1
51.如图1和图2所示，一种光斑调节光学系统，包括依次设置的光纤准直仪、第一平凹透镜i、双凸透镜ii、平面镜iii、第二平凹透镜vi、振镜18和场镜20，平面镜iii可拆卸连接在双凸透镜ii和第二平凹透镜vi之间的任意位置，平面镜iii可以为一片或多片，根据实际情况可以由若干片共同组成，不同的平面镜iii的厚度相同或不同，通过改变平面镜iii的数量和厚度可以得到不同的光斑大小，以适应不同产品的打印需求。
52.参见图2所示，双凸透镜ii和第二平凹透镜vi之间设置有插入镜片镜筒15，插入镜片镜筒15上设置有开口，开口提供平面镜iii插入或拔出的通道；镜片镜筒15内设置有至少一个用于插入平面镜iii的插口，不同插口的宽度相同或不同，用于插接平面镜iii，平面镜iii的厚度为0.34-2.12mm。
53.本实施例中还包括动力源和平面镜夹持件，动力源用于驱动平面镜夹持件将所夹持的平面镜iii插入到插口上，动力源例如为电机或者气缸。
54.夹持件与镜片相接触之处设置有柔性保护层，例如为硅胶层。
55.由于平面镜iii的两面均为平面，只要将平面镜iii从外侧插入到光学系统的相应位置即可，没有中心位置的要求，所以对气杆或者电机的运动精度无要求，因此，能够降低设备成本，同时，也克服了传统光斑切换过程中由于精度要求较高引起的光斑难以控制的问题。
56.光学系统还包括镜筒10，第一平凹透镜i设置于镜筒10内，第一平凹透镜i通过第一压圈9固定在镜筒10内，第一压圈9与镜筒10螺纹连接，镜筒10上套接有水冷壳8，水冷壳8包覆在镜筒10上，水冷壳8与镜筒10之间形成冷却空间，水冷壳8上设置有进水口和出水口，用于将冷却水导入冷却空间，对镜筒10内的第一平凹透镜i进行冷却。
57.光学系统还包括微调镜筒12，双凸透镜ii设置于微调镜筒12内，微调镜筒12的一端与镜筒10连接，另一端与镜片镜筒15连接，镜筒10与微调镜筒12、镜片镜筒15之间螺纹连接；微调镜筒12上设置有调焦环11，调焦环11通过调焦环压圈13固定在微调镜筒12上，通过旋转调焦环11带动双凸透镜ii在微调镜筒12内前后移动，用于调整原始光斑的大小。
58.光学系统还包括后镜筒16，第二平凹透镜vi设置于后镜筒16内，后镜筒16的一端与镜片镜筒15连接，后镜,16远离镜片镜筒15的一端设置有振镜连接件17，振镜连接件17上设置有振镜18，场镜20通过场镜转接圈19与振镜18、后镜筒16连接。
59.准直仪23包括准直镜筒1，准直镜筒1上设置有第一支撑件3和第二支撑件5，第一
支撑件3通过第一套环2与准直镜筒1的外壁连接，第二支撑件5通过第二套环4与准直镜筒1的外壁连接。
60.第二平凹透镜的凹面曲率半径为45.85mm，中心厚度为3.5mm；第一平凹透镜与双凸透镜之间的空气距离为49.02mm，双凸透镜与第二平凹透镜之间的空气距离为49.02mm；插口与第二平凹透镜之间的空气距离为1-49mm；第一平凹透镜的凹面曲率半径为45.85mm，中心厚度为3.5mm；双凸透镜包括两凸面：第一凸面的曲率半径为68.08mm，第二凸面的曲率半径为68.08mm，中心厚度为4.4mm。
61.实施例2
62.一种3d打印设备，其包括打印平台22和实施例1中的光斑调节光学系统，打印平台22设置在场镜20的下方。
63.在打印时，来自光源的激光通过准直仪形成准直光21后射入第一平凹透镜i，再依此通过双凸透镜ii、平面镜iii、第二平凹透镜vi、振镜18和场镜20后形成所需光斑并进入打印平台22，对打印平台22上的材料进行加工。
64.准直光21在第一平凹透镜i被聚焦并进入双凸透镜ii形成散射光，散射光入射到平面镜iii上发生反射和透射
……
。
65.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。