用于增材制造三维物体的系统、增材制造机器和方法与流程

本技术涉及增材制造的领域，并且更具体地涉及用于增材制造三维物体的系统、增材制造机器和方法。

背景技术：

1、增材制造(additive manufacturing，am)，也被称为3d(三维)打印，是一种以逐层堆叠材料的方式构建三维物体的制造技术。相比传统的减材制造技术，如铣削或铸造，增材制造技术具有更高的灵活性和可定制性，能够快速制造复杂形状的物体，同时减少了材料浪费。

2、在增材制造过程中，通常使用激光或电子束等热源来打印建造材料以逐层构建三维物体。然而，在传统的增材制造应用中，特别是在物体边缘形状复杂的情况下，圆形光斑难以满足特定的成形要求，可能导致边缘区域的打印精度下降，甚至出现无法覆盖或光斑投射出打印区域的情况，影响成形质量。例如，圆形光斑在打印时，对于打印层的边缘区域，会有光斑打印不到的边缘区域，尤其是，对于一些打印层的边缘是异形形状的物体，圆形光斑要想实现高精度的打印，光斑就得非常小，打印效率就会大大降低；要想提高效率，就要增大激光光斑，那边缘的区域会有覆盖不到的区域或者光斑投出打印区域，物体的表面精度就会降低，因此，单一圆形形状的光斑不能实现高精度的同时不降低打印效率。由此，现有技术缺少一种能够同时满足高精度和高效率增材制造需求的3d打印技术。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本技术实施例提供了一种用于增材制造三维物体的系统、增材制造机器和方法，通过灵活调整能量束的光斑形状以同时满足高精度和高效率的增材制造需求。为达到上述目的，本技术实施例采用如下技术方案：

2、第一方面，本技术实施例提供一种用于增材制造三维物体的系统，包括：光束塑造装置，被配置为产生至少一个用于成形建造材料的能量束，其中所述能量束的光斑被构造为至少阶段性地以非圆形的特定形状呈现；光束偏转装置，被配置为将所述能量束引导至材料建造区域以执行与预设路径匹配的层叠扫描；旋转机构，被配置为旋转所述能量束以调整所述特定形状的光斑在所述材料建造区域的旋转角度；控制装置，被配置为对打印模型的刨分截面进行特征识别以获得至少一个界限区域，根据预设路径控制所述光束塑造装置、光束偏转装置和旋转机构层叠构建所述三维物体并在构建过程中使所述能量束以匹配所述预设路径旋转的所述特定形状的光斑来执行在所述界限区域的成形扫描。

3、优选地，所述光束塑造装置包括：光束发射装置，被配置为产生至少一个用于成形建造材料的以圆形光斑呈现的能量束；光束整形装置，其构造在所述能量束射入所述光束偏转装置之前的传播路径上，被配置为对所述能量束进行整形以将所述能量束的光斑由圆形调整成所述特定形状。

4、优选地，所述界限区域为刨分截面中与外部或内部边缘相邻的至少一部分区域。

5、优选地，所述特定形状选取为三角形、矩形、正方形、n边形和不规则形状中的至少一项，其中n大于4。

6、优选地，所述特定形状的光斑面积与圆形光斑的面积相同或者不同。

7、优选地，所述控制装置被配置为根据所述界限区域的轮廓来选取所需的所述特定形状，以使所述特定形状的光斑在所述界限区域具有比圆形的光斑更高的扫描效率和扫描精度。

8、优选地，所述光束整形装置具有多个用于将所述能量束的光斑调整成不同特定形状的光束整形元件；所述系统包括切换机构，所述切换机构被配置为在所述控制装置的指示下切换位于所述能量束的传播路径上的所述光束整形元件。

9、优选地，多个所述光束整形元件集成布置；所述切换机构被配置为驱动所述光束整形装置在空间内位移以切换位于所述能量束传播路径上的所述光束整形元件。

10、优选地，多个所述光束整形元件沿所述能量束的传播方向上依次布置，所述切换机构被配置为将选定使用的至少一个光束整形元件推进至所述能量束的传播路径上，以及将选定调出的至少一个光束整形元件从所述能量束的传播路径上抽离。

11、优选地，所述控制装置被配置为在建造所述刨分截面相应的结构层时首先或最后控制所述光束整形装置使所述能量束以所述特定形状的光斑来执行在所述界限区域的成形扫描。

12、优选地，所述特定形状的夹角与所述界限区域内至少一个拐角的角度相匹配。

13、优选地，所述系统还包括光束调节器，所述光束调节器被配置为在所述控制装置的指示下调整所述光斑的面积以使至少一个所述特定形状的光斑覆盖所述拐角而不超出边界，其中，所述光束调节器单独构造或被构造为所述光束整形装置的一部分。

14、优选地，所述控制装置被配置为在识别出所述界限区域的面积未超出预设阈值时仅使用所述特定形状的光斑来执行在所述界限区域的成形扫描；而在识别出所述界限区域的面积超出预设阈值时，使用所述特定形状的光斑来执行在所述界限区域内拐角的成形扫描，使用圆形光斑来执行在所述界限区域的非拐角的成形扫描。

15、优选地，所述旋转机构被配置为在所述控制装置的指示下调整所述能量束的旋转角度以使至少一个所述特定形状的光斑覆盖所述界限区域内至少一个拐角而不超出边界。

16、优选地，所述旋转机构被构造为驱动所述光束整形装置或至少容纳所述光束发射装置和光束整形装置的第一壳体进行旋转，以调整所述能量束的旋转角度。

17、优选地，所述旋转机构被构造为利用多个音圈电机作为驱动源的偏摆台以驱动所述光束发射装置或第一壳体沿不同的方向进行偏转。

18、优选地，所述光束偏转装置被构造在第二壳体内，所述第二壳体被构造在所述旋转机构上，所述旋转机构被配置为驱动所述第二壳体旋转以调整所述能量束的旋转角度。

19、优选地，所述能量束的数量为至少两个，其中，至少一个所述能量束经所述光束整形装置整形后射入所述光束偏转装置，至少一个所述能量束不经过所述光束整形装置而直接射入所述光束偏转装置以利用圆形光斑同步进行非界限区域的成形扫描，或者，至少两个所述能量束经所述光束整形装置整形后射入所述光束偏转装置。

20、优选地，所述光束整形装置被配置为将至少两个所述能量束的光斑整形成相同或不同的所述特定形状以执行在所述界限区域不同位置的成形扫描。

21、优选地，至少两个所述能量束是由所述光束发射装置产生的，所述光束发射装置被构造为具有至少两个光束发射器以分别产生能量束。

22、优选地，所述系统包括分束装置，所述分束装置构造在至少一个所述能量束射入所述光束整形装置之前的传播路径上以将至少一个所述能量束分配成至少两个。

23、优选地，所述光束整形装置被配置为将能量束的光斑中心调整成中空状，以使在照射区域的光斑外围优先于光斑中心熔化建造材料。

24、优选地，所述光束塑造装置产生的能量束是高斯光束或平顶光束，所述光束整形装置被配置为将接收的所述能量束由高斯光束调整成平顶光束。

25、优选地，所述能量束的数量为至少两个，其中，至少一个所述能量束为平顶光束，至少一个所述能量束为脉冲光束，所述平顶光束被配置为执行在材料建造区域的成形扫描，所述脉冲光束被配置为激励所述平顶光束。

26、第二方面，本技术实施例提供一种具有第一方面任一项所述的系统的增材制造机器。

27、第三方面，本技术实施例提供一种用于控制增材制造机器生成三维物体的方法，所述方法包括：获取由切分打印模型得到的用于制造所述三维物体的若干二维的刨分截面并设置用于构建所述刨分截面的预设路径；根据所述预设路径控制能量束层叠扫描构建所述三维物体，并在至少一个刨分截面的构建过程中使所述能量束以匹配所述预设路径旋转的特定形状的光斑来执行在所述刨分截面或所述刨分截面中至少一个界限区域的成形扫描。

28、优选地，所述方法还包括：对所述刨分截面进行特征识别以获得主体区域和至少一个界限区域；生成具有第一路径和第二路径的预设路径，根据所述第一路径控制所述能量束以圆形光斑来执行在所述主体区域的成形扫描，根据所述第二路径控制所述能量束以所述特定形状的光斑来执行在所述界限区域的成形扫描。

29、本技术通过灵活调整能量束的光斑形状，实现了同时满足高精度和高效率的增材制造需求。通过对能量束进行形状调整和路径控制，实现了对三维物体的精细成形，提高了打印质量和生产效率。

30、前述技术实现要素：仅是说明性的，而不旨在以任何方式进行限制。