一种激光熔融3d打印方法及打印头
技术领域
1.本发明属于3d打印机技术领域，尤其涉及一种激光熔融3d打印方法及打印头。
背景技术：
2.激光熔覆加工过程是利用激光束将汇聚于工件表面待加工部位的粉末束和部分基材熔化形成熔池，待光束离开后熔池凝固形成具有特殊性能的技术。激光熔覆技术具有稀释率低、热输入小、材料广泛等众多优点，目前已在产业化应用的过程中演化出多种不同类型，并广泛应用于增材制造、再制造、表面工程的各个领域。按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式，可将常见的激光熔覆技术分为同轴送粉激光熔覆技术、旁轴送粉激光熔覆技术（也叫侧向送粉激光熔覆技术）、高速激光熔覆技术（也叫超高速激光熔覆技术）。
3.激光熔覆成形(laser cladding forming, lcf)其工作原理和其他快速光成形技术相似，即在计算机上生成待制作零件的cad模型，对cad模型进行切片处理，使一个复杂的三维零件转变成一系列的二维平面图形，计算机从每一层二维图形中获得扫描轨迹指令。该指令将控制数控工作台的运动，实现激光扫描熔覆。熔覆粉末采用气体输送，逐层叠加熔覆粉末，最终成形出所需形状的零件。lcf技术与其他快速成形技术的区别在于制作的金属零件密度、强度和性能非常好，能够达到甚至超过常规铸造或锻造生产的金属零件，因而具有良好的应用前景。
4.激光熔覆成形快速凝固的特点，使得材料内部组织细小，综合力学性能得到提高，可达到甚至超过传统铸造和锻造方法成形零件的性能。几种合金激光熔覆成形和锻造成形的室温力学性能比较，可以看出，激光熔覆成形 316ss不锈钢的延展性与锻造态相近，而屈服强度达到锻造件的 2 倍。激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面层的性能，而是赋予它新的性能，并降低制造成本和能耗，节约有限的战略金属元素。
5.激光熔覆成形技术还可用来加工难熔金属、高温合金和金属间化合物等难加工材料，如钨、铼、铌、钼、钛铝和镍铝等金属间化合物和超合金材料。ti-6al-4v 等材料和带翼肋的整体性补强飞机结构件，若采用锻造和机加工来生产，交货时间长达 1～2 年，材料利用率低于 5%，若采用激光熔覆成形加工，不仅可减少贵重材料的浪费和工具消耗，还可降低库存和制造时间，降低成本 20%～30%，交货时间缩短 75%，零件性能达到或超过铸造和锻造材料标准。因此，激光熔覆成形技术在复杂零件制造、航空航天、零件修复、武器和医疗器械制造等领域具有广阔的应用前景。
6.激光熔覆技术扫描头的相关专利非常多，包括同轴送粉技术、旁轴送粉技术和高速激光熔覆技术等。如申请公布号为cn109055929a的中国专利申请公开的一种同轴送粉激光3d打印激光熔覆头以及授权公告号为cn209555370u的中国专利公开的一种环形通道喷嘴，均展示了激光熔覆头的基本结构，包含送粉、保护气体、激光通道等。激光熔覆作为3d打印增材制造的一种重要技术，其特点是适用范围广，由于熔覆头自带了送粉和保护气体功能，因此相比对slm金属3d打印，它不需要提供保护气体的工作箱，不需要专门的铺粉机构，
也不需要一个水平的扫描烧结平面，可以在自然空气环境下，在任意零件形状的局部地方，就能进行金属粉末增材烧结打印。因此在一些大型零件打印，金属零件修复等领域，激光熔覆有着天然的优势。
7.但是，激光熔覆的缺点是通常使用单束激光，激光束只能跟随熔覆头进行水平移动，激光头的快速响应能力非常差，移动速度非常慢，通常每分钟移动距离在5m以内。由于扫描头移动速度有限，因此为了打印效率，只能使用大光斑进行熔覆打印，通常激光光斑直径会在2~8mm，导致激光熔覆增材制造，只能打印粗糙的零件，无法打印精确尺寸和精细结构的零件。如果将其光斑调节为与slm金属3d打印大小相同的光斑尺寸，其打印效率会急剧降低，失去使用价值。
8.授权公告号为cn212270238u的中国专利虽然公开了基于双振镜系统的激光熔覆头，该方案使用振镜系统的高频响以及slm系统的小光斑，通过高频扫描让小光斑通过快速扫描，成为一个等效的矩形光斑，代替传统的圆形的单光斑。但该专利使用振镜系统仅仅是为了通过扫描的方式将能量分布不均匀的圆形光斑变为能量分布均匀的方形光斑，以提高烧结质量。但其本质上仍然是使用一个大光斑来进行金属粉末烧结，与传统的激光熔覆头相比，并未提高烧结零件的精度。
技术实现要素：
9.本发明提供了一种激光熔融3d打印方法及打印头，以解决现有激光熔覆成形技术中存在的打印精度低的问题。
10.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：本发明涉及一种激光熔融3d打印方法，其包括以下步骤：步骤1.基于熔覆头的圆形激光通孔建立最大内切矩形，最大内切矩形的其中两条相对的边与熔覆头的移动方向垂直，边长为a，另外两条相对的边的边长为b；步骤2.将打印工作幅面分割成若干打印数据块，打印数据块为长度小于等于a、宽度小于等于b/n的矩形块，其中打印数据块的长边与熔覆头的移动方向垂直，n为打印数据块宽度调整系数，n≥2；步骤3.计算熔覆头的水平移动速度，水平移动速度表示为：公式中，v表示熔覆头的水平移动速度，t’表示振镜模块扫描数据块所需的时间；步骤4.以速度v同步水平移动熔覆头和振镜模块，使得振镜模块反射的激光穿过熔覆头的激光通孔并在激光通孔的范围内进行扫描，进而根据打印数据块的数据对熔覆头喷出的材料进行激光烧结打印。
11.优选地，所述的步骤2中，除最后一列打印数据块的长度小于等于a外，其余打印数据块的长度均为a；除最后一排打印数据块的宽度小于等于b/n外，其余打印数据块的宽度均为b/n。
12.优选地，所述的步骤2中每个打印数据块的打印数据块宽度调整系数n根据打印数据块内的数据量确定，使得每个打印数据块的数据量相等，对于宽度调整系数n小于2的打印数据块，将该打印数据块的打印数据块宽度调整系数n调整为2。
13.优选地，所述步骤4中，对于打印数据块中的任意一个点，其打印步骤如下：
步骤4.1.以激光垂直射入打印工作面的点为原点，确定打印数据块中该点的坐标；步骤4.2.计算x振镜和y振镜的旋转角度，计算公式为：步骤4.2.计算x振镜和y振镜的旋转角度，计算公式为：公式中，x、y分别表示打印的点的横坐标和纵坐标，v
x
为熔覆头在x轴方向上的移动速度分量，vy为熔覆头在y轴方向上的移动速度分量，l为振镜的工作距离，即激光经过y振镜反射后垂直射入打印工作面的距离；步骤4.3.振镜电机按照计算所得的x振镜和y振镜的旋转角度分别调整x振镜和y振镜。
14.本发明还涉及一种激光熔融3d打印头，其包括振镜模块和设置在振镜模块下方的熔覆头；所述的振镜模块包括按照光路依次设置的激光器、聚焦透镜、x振镜和y振镜；所述的熔覆头包括激光通孔和送粉送气通道，送粉送气通道用于输送保护气体和金属粉末；所述的激光器发射的激光通过聚焦透镜聚焦、x振镜和y振镜的反射后透过激光通孔并在激光通孔的范围内进行扫描，对送粉送气通道输送的金属粉末进行烧结；所述的振镜模块和熔覆头同步水平移动，水平移动速度表示为：公式中，v表示熔覆头的水平移动速度，t’表示振镜模块扫描数据块所需的时间。
15.优选地，在打印过程中，所述的聚焦透镜与x振镜的距离始终保持不变。
16.优选地，所述的x振镜和y轴振镜均由振镜电机控制旋转，控制x振镜和y轴振镜的振镜电机的旋转角速度分别为：振镜电机的旋转角速度分别为：公式中，ω
x
为控制x振镜的振镜电机的旋转角速度，ωy为控制y振镜的振镜电机的旋转角速度，v
bx
为振镜模块在x轴方向上的扫描速度分量，v
by
为振镜模块在y轴方向上的扫描速度分量，l为振镜的工作距离，即激光经过y振镜反射后垂直射入打印工作面的距离。
17.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：1.本发明涉及的激光熔融3d打印方法将熔覆头与振镜模块相结合的3d增材打印方案，通过对每一层打印数据的分割并根据分割形成的打印数据块的尺寸计算熔覆头与振镜模块的移动速度，同时给出了振镜的扫描角度与扫描角速度，以保证振镜模块在熔覆头的激光通孔内进行扫描，使用熔覆头打印出与激光金属3d打印的精度相同的精细零件，不
再只限制打印低精度的零件。
18.2.本发明涉及的激光熔融3d打印方法在对打印数据进行分割时，还可以根据打印数据块的数据内容的量调整每个打印数据块的宽度，在保证激光振镜扫描范围不超过熔覆头扫描窗口的情况下，保持每一个数据块扫描数据基本相等，熔覆头水平移动的速度与振镜激光烧结扫描打印数据的速度相等，使整个系统达到比较高的打印效率。
附图说明
19.图1是本发明涉及的激光熔融3d打印头的结构示意图；图2是打印过程基于激光通孔构建的最大内切圆示意图；图3是对于待打印工作幅面的图形数据进行第一次切割的示意图；图4是实施例1对于待打印工作幅面的图形数据进行第二次切割的示意图；图5是某个打印数据块打印过程中振镜模块等效打印图；图6是实施例2对于待打印工作幅面的图形数据进行第二次切割的示意图。
20.附图标记：1-振镜模块，11-激光器，12-聚焦透镜，13-x振镜，14-y振镜，2-熔覆头，21-激光通孔，22-送粉送气通道。
具体实施方式
21.为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
22.实施例1参照附图1所示，本发明涉及的一种激光熔融3d打印头包括振镜模块1和设置在振镜模块1下方的熔覆头2；所述的振镜模块1包括按照光路依次设置的激光器11、聚焦透镜12、x振镜13和y振镜14；所述的熔覆头2包括激光通孔21和送粉送气通道22，送粉送气通道22用于输送保护气体和金属粉末；所述的激光器11发射的激光通过聚焦透镜12聚焦、x振镜13和y振镜14的反射后透过激光通孔21并在激光通孔的范围内进行扫描，对送粉送气通道21输送的金属粉末进行烧结。
23.对于常用的高斯光束，其瑞利长度的表达式：公式中，ω0为激光的束腰半径，λ为波长，zr瑞利长度；瑞利长度与激光束可用景深成正比，由此可见对于直径小于0.1mm的激光光斑，相比激光熔覆常用的超过1mm以上的激光光斑，可允许的激光束景深不到后者的1%。因此，使用激光熔覆的方式进行小光斑精确打印，首先需要计算激光束可用的景深是否够用，是否需要场镜或者动态对焦。由于激光熔覆头的通光口径比较小，因此振镜扫描范围也很小，按照常规的激光熔覆头的通光口径10mm来计算，振镜扫描范围为
±
5mm，按照振镜扫描工作距离100mm来计算，扫描范围边缘的激光工作距离与扫描激光垂直位置的工作距离之差。假定振镜的工作距离为l，即激光经过y振镜反射后垂直射入打印工作面的距离，两片振镜反射镜间距d，x、y是工作面上以打印光束垂直正下方为原点的坐标值，对于该点激光聚焦的工
作距离与振镜垂直工作距离l的差值为：以d=10mm，l=100mm为例，扫描范围为
±
5mm时，
△
l=0.12mm。
24.所述的振镜模块和熔覆头同步水平移动，水平移动速度表示为：对于激光束的可用景深，以光斑直径不超过最佳焦距处直径的1%来计算，将光斑的半径ω=（1
±
0.01）ω0带入高斯光束的公式，束腰半径ω的表达式为：以3d打印常用的100um直径光斑，带入上述公式计算可得，其有效景深数值为2.05mm。由此可见，在激光熔覆头可允许的扫描范围内，工作距离的变化值小于激光光束的可允许景深，因此上图中的光路系统，既无需ftheta平场镜头，也无需实时动态对焦的焦距系统，即打印过程中，无需调整聚焦透镜12的位置，聚焦透镜12与x振镜13的距离始终保持不变。
25.上述激光熔融3d打印头在打印过程中，需要熔覆头2在做匀速运动的情况下，振镜模块1对工打印工作面进行图案扫描打印。由于扫描范围小，边缘光束的工作距离基本与垂直光束工作距离相等，因此振镜模块1扫描角度及角速度公式可以简化为线性公式，假定待打印的数据相对于光束垂直位置为原点的坐标为x，y，振镜的工作距离为l，该坐标点文件要求的扫描速度为，激光熔覆头的平移速度为，其在xy轴上的速度分量分别为、，振镜模块1扫描的线速度，其在xy轴上的速度分量分别为、，以开始扫描计时，当前的时刻为t，则振镜对应的扫描角度和扫描角速度公式为：扫描坐标为（x，y）的坐标点时，x振镜13和y振镜14的旋转角度为：扫描坐标为（x，y）的坐标点时，x振镜13和y振镜14的旋转角度为：；xy振镜电机的旋转角速度为：xy振镜电机的旋转角速度为：
由此可以得到，在熔覆头以速度进行匀速运动时，将任意时刻t，待打印的坐标点（x，y），以及待打印该坐标点待打印图案要求的扫描速度为时，根据上式可以得到x、y振镜电机的旋转角度θ
x
、θy，x、y振镜电机的旋转角速度ω
x
、ωy，由此实现在熔覆头进行实时匀速运动的情况下，控制振镜电机对打印工作面进行图像正常打印。
26.采用上述打印头的激光熔融3d打印方法，其包括以下步骤：步骤1.基于熔覆头的圆形激光通孔21建立最大内切矩形，如图2所示，最大内切矩形的其中两条相对的边与熔覆头的移动方向垂直，边长为a，另外两条相对的边的边长为b；步骤2.将打印工作幅面分割成若干打印数据块，打印数据块为长度小于等于a、宽度小于等于b/n的矩形块，其中打印数据块的长边与熔覆头的移动方向垂直，n为打印数据块宽度调整系数，n≥2。本实施例中，除最后一列打印数据块的长度小于等于a外，其余打印数据块的长度均为a；除最后一排打印数据块的宽度小于等于b/n外，其余打印数据块的宽度均为b/n；切割方式如下：步骤2.1.对于待打印工作幅面的图形数据，按照打印头的轨迹，沿着打印头扫描轨迹的垂直方向，将待打印工作面的数据以a的宽度分割为多份，直至剩余打印幅面的宽度小于a为止，如图3所示；步骤2.2. 对于每一份宽度为a的打印区域，沿着扫描方向将其以b/n的长度切割为多块，直至剩余打印数据小于b/n即可，n为大于2的数字，可以是整数也可以不是整数，且本实施例中n的大小是固定的，如图4所示；步骤3.计算熔覆头的水平移动速度，水平移动速度表示为：公式中，v表示熔覆头的水平移动速度，t’表示振镜模块扫描数据块所需的时间，t’的表达式为：其中，l’表示长宽分别为a、b/n的打印数据块内的打印的数据量向量最大长度，v’为振镜激光扫描的标准工艺速度（通常v’=1m/s左右）；如图5所示，当n≥2时，在激光熔覆头以速度v进行水平移动时，打印数据完成打印前，始终会处于熔覆头的激光通孔21的范围内，可以保证激光不会被打印熔覆头激光通孔21所挡住；步骤4.以速度v同步水平移动熔覆头和振镜模块，移动熔覆头和振镜模块的路线如图3所示，采用之字形的路线进行移动，移动过程中，振镜模块反射的激光穿过熔覆头的激光通孔并在激光通孔的范围内进行扫描，进而根据打印数据块的数据对熔覆头喷出的材料进行激光烧结打印。由于，本实施例中，每个打印数据块中所需要的打印的数据量是不同的，即公式（9）中t’所表示的振镜模块扫描数据块所需的时间也是不同的，因此当打印每个打印数据块时，水平移动熔覆头和振镜模块的速度v也是不同的。
27.实施例2本实施例的打印头的结构与实施例1相同，本实施例不再阐述。本实施例仅阐述另一种基于该打印头的激光熔融3d打印方法，其包括以下步骤：
步骤1.基于熔覆头的圆形激光通孔21建立最大内切矩形，如图2所示，最大内切矩形的其中两条相对的边与熔覆头的移动方向垂直，边长为a，另外两条相对的边的边长为b；步骤2.将打印工作幅面分割成若干打印数据块，打印数据块为长度小于等于a、宽度小于等于b/n的矩形块，其中打印数据块的长边与熔覆头的移动方向垂直，n为打印数据块宽度调整系数，n≥2，切割方式如下：步骤2.1.对于待打印工作幅面的图形数据，按照打印头的轨迹，沿着打印头扫描轨迹的垂直方向，将待打印工作面的数据以a的宽度分割为多份，直至剩余打印幅面的宽度小于a为止，如图3所示；步骤2.2. 对于每一份宽度为a的打印区域，沿着扫描方向将其以b/n的长度切割为多块，直至剩余打印数据小于b/n即可，n为大于2的数字，可以是整数也可以不是整数，且本实施例中n的大小是可变的，每个打印数据块的打印数据块宽度调整系数n根据打印数据块内的数据量确定，使得每个打印数据块的数据量尽可能相等，对于宽度调整系数n小于2的打印数据块，将该打印数据块的打印数据块宽度调整系数n调整为2，如图6所示；步骤3.计算熔覆头的水平移动速度，水平移动速度表示为：公式中，v表示熔覆头的水平移动速度，t’表示振镜模块扫描数据块所需的时间，t’的表达式为：其中，l’表示长宽分别为a、b/n的打印数据块内的打印的数据量向量最大长度，v’为振镜激光扫描的标准工艺速度（通常v’=1m/s左右）；如图5所示，当n≥2时，在激光熔覆头以速度v进行水平移动时，打印数据完成打印前，始终会处于熔覆头的激光通孔21的范围内，可以保证激光不会被打印熔覆头激光通孔21所挡住；步骤4.以速度v同步水平移动熔覆头和振镜模块，移动熔覆头和振镜模块的路线如图3所示，采用之字形的路线进行移动，移动过程中，振镜模块反射的激光穿过熔覆头的激光通孔并在激光通孔的范围内进行扫描，进而根据打印数据块的数据对熔覆头喷出的材料进行激光烧结打印。由于，本实施例中，每个打印数据块中所需要的打印的数据量是相同的，即公式（9）中t’所表示的振镜模块扫描数据块所需的时间也是相同的，因此当打印每个打印数据块时，水平移动熔覆头和振镜模块的速度v时保持不变的，相较于实施例1，本实施例的打印效率更高。
28.以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。