基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3D打印方法与流程

本发明属于3d打印机，尤其涉及一种基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3d打印方法。

背景技术：

1、3d打印中sla、sls、slm采用的方式是以振镜反射单束激光，在二维工作平面上进行图像扫描打印。相较于传统减材制造技术而言，3d打印技术是一种先进的快速制造零件的增材制造技术，而slm3d打印机的作用是利用金属粉末在激光束热作用下熔化经冷却凝结并组层堆积的制造零件。金属3d打印通常使用单束激光聚焦成为一个细小光斑进行3d打印，打印效率低。

2、在光固化领域，除了使用sla单个激光斑进行3d打印，还会使用如dmd器件的面阵图像调制器曝光进行3d打印。使用uv光，通过面阵图像调制器成像投影至液体的感光胶表面，通过面阵图像调制器变换控制图像来固化感光胶打印3d零件。如申请公布号为cn109228348a的中国专利公开的dmd倾斜扫描的3d打印装置及方法，装置包括控制系统，dmd倾斜扫描系统和位移平台，dmd倾斜扫描系统固定于位移平台之上，dmd倾斜扫描系统、位移平台均由所述的控制系统控制，控制系统首先控制位移平台做好曝光准备，其次控制dmd倾斜扫描系统生成倾斜点阵列，最后控制位移平台扫描倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面。

3、在光固化领域使用面阵图像调制器可以大幅度提高打印效率，并且由于面阵图像调制器的每个像素边长约为5～6um，经过透镜成像后，其像素尺寸也较小，因此使用面阵图像调制器的光固化3d打印设备，相比单个光斑扫描打印的sla设备，不仅拥有高的打印效率，还有更高的打印精度。但是，面阵图像调制器投影成像面积变小后，每次投影打印只能烧结一小块面积，因此在烧结打印完毕后，需要移动至下一个打印位置再次进行烧结打印。为了能够实现较高的打印效率，为了能够满足金属烧结的工艺要求以及实现较高的打印效率，打印头模块移动的频次可能高达每秒十几次到几十次，每次移动均需要对整个打印头模块进行加速，移动到位后减速静止，并精确停留在下一个打印位置，每秒钟内要重复上百次该动作，对于重达数公斤的打印头模块，电机驱动能力要求极为苛刻，并且过于大的加速度也会让打印头内部的各光学器件出现位置松动等问题。

4、为了能够使打印头模块在打印时，进行匀速移动，而不是频繁的加减速移动，通常也会采用脉冲激光进行打印。打印头模块在打印平面上保持匀速移动，每到下一个打印成像位置时，打开激光脉冲进行曝光打印。脉冲激光器激光打开时间的占空比很低，每个激光脉冲持续的时间很短，因此在激光器烧结打印时，尽管打印头模块处在匀速运动状态，但其在激光打开烧结打印的这个脉冲时间内移动量很小，对打印图像造成的误差可以忽略。然而，使用脉冲激光直接进行曝光显然不满足以上要求，为了提高打印效率，则打印头模块移动速度v需要增大，为了提高打印精度，则打印尺寸误差δ需要减小，由此得到每个激光脉冲的时间τ非常短，用于金属粉末烧结时熔化过程非常剧烈，打印时的金属液体飞溅以及凝固后的匙孔效应会非常明显，严重影响打印零件质量。

5、另外，在使用激光热效应对打印材料进行熔融的3d打印领域，如使用金属粉末或者尼龙高分子材料粉末进行熔融打印的slm、sls等，如果要使用面阵图像调制器进行3d打印，最大的困难是粉末熔化需要的激光束能量太高，面阵图像调制器无法承受这么高的激光能量。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3d打印方法，以解决现有基于面阵图像调制器的3d打印装置存在的打印过程中打印头无法连续匀速运动导致的对电机驱动能力要求极为苛刻、打印头内部的各光学器件易松动、面阵图像调制器无法长时间承受高能量的激光等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

3、本发明涉及一种基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3d打印方法，该方法是基于打印头模块实现的，所述的打印头模块包括按照激光光路依次设置的激光器、面阵图像调制器和成像镜头，激光器发射的激光经过面阵图像调制器反射或透射、成像镜头的聚焦后，垂直射入打印工作面，其包括以下步骤：

4、步骤1.基于打印头模块中的面阵图像调制器，将打印文件分割成若干打印区域；

5、步骤2.对打印文件进行曝光时，匀速移动打印头模块，当其中一个打印区域进入打印头模块的曝光范围时，以打印头模块移动的反方向、相同的移动速度匀速移动该打印区域，进而对该打印区域进行曝光；

6、步骤3.当该打印区域完全离开打印头模块的曝光范围时，判断该打印区域是否为最后一个打印区域，若不是，重复步骤2；若是，则打印结束。

7、优选地，所述步骤1中，基于打印头模块中的面阵图像调制器，将打印文件分割成若干打印区域的具体方式为：

8、根据面阵图像调制器在的打印头模块移动方向上的像素数n及每个像素的长度为d，按照打印头移动方向，将打印文件分割为若干宽度为md的打印区域，其中，m为打印区域沿打印头模块移动方向上的像素数，且m≤n。

9、优选地，所述步骤2中，当面阵图像调制器上存在打印区域且该打印区域的所有图像数据均在面阵图像调制器的曝光范围内时，激光器开启；

10、当面阵图像调制器上不存在打印区域或存在打印区域但打印区域内的图像数据未完全进入面阵图像调制器的曝光范围时，激光器关闭。

11、优选地，所述步骤2中，对于单个打印区域，当打印区域上的图像数据未完全进入面阵图像调制器的曝光区域时，该打印区域的图像数据在面阵图像调制器对应像素上保持关闭状态；当打印区域上的图像数据完全进入面阵图像调制器的曝光区域时，该打印区域的图像数据在面阵图像调制器对应像素上保持打开状态；当打印区域上的图像数据开始移出面阵图像调制器的打印区域时，该打印区域的图像数据在面阵图像调制器对应像素上保持关闭状态。

12、优选地，所述步骤2中，对于在面阵图像调制器内的打印区域，以单位时间t对相应打印区域内的图像数据进行刷新，单位时间t的表达式为：

13、t＝kd/v，

14、公式中，k为成像镜头的放大倍率，d为面阵图像调制器中每个像素的长度，v为打印头模块的移动速度。

15、优选地，所述步骤1中，将打印文件分割为若干宽度为md的打印区域是，打印区域沿打印头模块移动方向上的像素数m和面阵图像调制器在的打印头模块移动方向上的像素数n的关系为：n/2＜m≤n。

16、优选地，所述的面阵图像调制器为dmd器件、lcos器件、lcd器件中的任意一种。

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：

18、1.本发明涉及的基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3d打印方法先基于打印头模块中的面阵图像调制器将打印文件分割成若干打印区域，对打印文件进行曝光时，匀速移动打印头模块，当其中一个打印区域进入打印头模块的曝光范围时，以打印头模块移动的反方向、相同的移动速度匀速移动该打印区域，进而对该打印区域进行曝光，因此，在对于某个打印区域进行曝光时，该打印区域的图像信息相对于打印工作面是静止的，如此，即可实现打印头模块的匀速移动，降低对电机驱动能力要求，避免了打印头内部的各光学器件出现松动等问题，提高了打印头使用寿命，减少维护成本。

19、2.本发明涉及的基于图像数据分割平移的面阵激光连续移动3d打印方法在对打印文件进行分割时，打印区域沿打印头模块移动方向上的像素数m和面阵图像调制器在的打印头模块移动方向上的像素数n的关系为n/2＜m≤n时，当面阵图像调制器上存在打印区域且该打印区域的所有图像数据均在面阵图像调制器的曝光范围内时，激光器才开启，且对于单个打印区域，只有当打印区域上的图像数据完全进入面阵图像调制器的曝光区域时，该打印区域的图像数据在面阵图像调制器对应像素上保持打开状态，当单个打印区域中，部分图像数据位于面阵图像调制器的曝光范围之外时，可关闭激光器，如此，可减少激光对面阵图像调制器的照射时间，进而避免面阵图像调制器损坏，延长其使用寿命。