(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105478767 A (43)申请公布日 2016.04.13
(21)申请号 201511030533.5(22)申请日 2015.12.30
(71)申请人广州瑞通激光科技有限公司
地址510378 广东省广州市荔湾区花地大道
南海南工贸区B栋(72)发明人孙永明 王红卫
(74)专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有
限公司 44205
代理人胡辉(51)Int.Cl.
B33Y 50/02(2015.01)
B22F 3/105(2006.01)B22F 5/10(2006.01)B33Y 30/00(2015.01)B33Y 10/00(2015.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
一种金属激光3D打印牙修复体装置和方法(57)摘要
本发明公开了一种金属激光3D打印牙修复体装置和方法，该装置包括有控制电路、激光器、自动变焦扩束镜、移动负透镜单元、光学聚焦单元和用于放置牙修复体的加工平面，所述激光器发射出的激光束依次通过自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元聚焦于加工平面的牙修复体上，所述控制电路分别与自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元连接。本发明通过对光束扩束倍数的控制达到控制激光光斑大小的效果，从而可以利用不同大小的激光光斑对零件的不同部位进行打印，实现灵活控制，并在保证打印精度的同时大幅提升打印速度。本发明作为一种金属激光3D打印牙修复体装置和方法可广泛应用于增材制造领域。
C N 1 0 5 4 7 8 7 6 7 ACN 105478767 A
权 利 要 求 书
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1.一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：包括有控制电路、激光器、自动变焦扩束镜、移动负透镜单元、光学聚焦单元和用于放置牙修复体的加工平面，所述激光器发
移动负透镜单元和光学聚焦单元聚焦于加工平面射出的激光束依次通过自动变焦扩束镜、
的牙修复体上，所述控制电路分别与自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述移动负透镜单元包括有移动负透镜、伺服电机、摆杆、滑块和导轨，所述移动负透镜固定于滑块上，所述伺服电机通过摆杆驱动滑块在导轨上移动，所述伺服电机的控制端与控制电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述导轨两端还设置有导轨限位块。
4.根据权利要求1所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述光学聚焦单元包括有前聚焦镜、振镜和后聚焦镜，所述振镜的控制端与控制电路连接，所述激光束通过前聚焦镜后由振镜反射至后聚焦镜并聚焦于加工平面的牙修复体上。
5.根据权利要求1所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述自动变焦扩束镜的控制端与控制电路连接。
6.根据权利要求1所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述自动变焦扩束镜的自由扩束倍数为2-8倍。
7.根据权利要求1所述的一种金属激光3D打印牙修复体装置，其特征在于：所述激光器为光纤激光器。
8.一种金属激光3D打印牙修复体方法，其特征在于：在3D打印的每一层操作中，包括有以下步骤：
A、增加自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓；
B、减少自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓之间的实体部分。
9.根据权利要求8所述的一种金属激光3D打印牙修复体方法，其特征在于：所述步骤A中对于内部和外部轮廓，分别利用聚焦后的激光沟边扫描至少两次。
10.根据权利要求8所述的一种金属激光3D打印牙修复体方法，其特征在于：所述步骤A和步骤B中还对激光器功率进行调节，使激光在内部和外部轮廓、实体部分施加的功率相同。
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CN 105478767 A
说 明 书
一种金属激光3D打印牙修复体装置和方法
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技术领域
[0001]本发明涉及增材制造领域，尤其是一种金属激光3D打印牙修复体装置和方法。背景技术
[0002]增材制造又俗称3D打印，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。相比传统制造技术，增材制造具有能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料等优点。
[0003]目前金属增材制造技术在医学领域具有广阔的应用空间，其中牙科修复体是目前产业化最好的产品。但在打印过程中，牙科修复体存在边缘尺寸不好控制，表面仍较粗糙等问题。
[0004]采用激光作为热源的增材制造技术是目前精度最高的成型方法，定位精度可以达到2μm。为了获得一个能量集中的激光加工光斑，从激光器发射出来的激光束需要通过扩束镜、聚焦镜和振镜的协同作用，将激光束聚焦为一个直径很小的激光光斑。[0005]在目前的激光增材制造技术中，振镜式激光扫描是广泛采用的一种扫描方式，它具有高速、高精度、性能稳定等优势。但这种激光扫描方式采用的是恒定聚焦方法，加工过程中当扫描振镜将激光束向远离工作范围中心的方向引导时，从镜头到工件的距离增加了，导致在远离工件中心的位置激光光束没有聚焦，这种聚焦偏差严重影响了扫描精度和加工质量。
[0006]目前很多很大激光加工系统采用F-θ聚焦镜克服振镜扫描中的枕形畸变问题，但
采用F-θ镜后，由于受到镜头大小限制以及扫描振镜的光束孔径限制，扫描范围被大大的限制，而且F-θ镜成本比较高。
[0007]而且为了加快个性化牙修复体零件的加工速度，并提高零件的加工质量和精度，在激光扫描过程中需要对零件的外部轮廓和内部实体采用不同的激光光斑大小进行加工，但是目前的激光增材制造设备无法满足这一要求。
发明内容
[0008]为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种金属激光3D打印牙修复体装置，其聚焦光斑大小可调，适用于不同零件部位的打印，提高成型零件的性能和精度。[0009]为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种金属激光3D打印牙修复体方法，其聚焦光斑大小可调，适用于不同零件部位的打印，提高成型零件的性能和精度。[0010]本发明所采用的技术方案是：一种金属激光3D打印牙修复体装置，包括有控制电路、激光器、自动变焦扩束镜、移动负透镜单元、光学聚焦单元和用于放置牙修复体的加工平面，所述激光器发射出的激光束依次通过自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元聚焦于加工平面的牙修复体上，所述控制电路分别与自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元连接。
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说 明 书
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进一步，所述移动负透镜单元包括有移动负透镜、伺服电机、摆杆、滑块和导轨，所
述移动负透镜固定于滑块上，所述伺服电机通过摆杆驱动滑块在导轨上移动，所述伺服电机的控制端与控制电路连接。[0012]进一步，所述导轨两端还设置有导轨限位块。[0013]进一步，所述光学聚焦单元包括有前聚焦镜、振镜和后聚焦镜，所述振镜的控制端与控制电路连接，所述激光束通过前聚焦镜后由振镜反射至后聚焦镜并聚焦于加工平面的牙修复体上。[0014]进一步，所述自动变焦扩束镜的控制端与控制电路连接。[0015]进一步，所述自动变焦扩束镜的自由扩束倍数为2-8倍。[0016]进一步，所述激光器为光纤激光器。[0017]本发明所采用的另一技术方案是：一种金属激光3D打印牙修复体方法，在3D打印的每一层操作中，包括有以下步骤：
A、增加自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓；
B、减少自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓之间的实体部分。[0018]进一步，所述步骤A中对于内部和外部轮廓，分别利用聚焦后的激光沟边扫描至少两次。
[0019]进一步，所述步骤A和步骤B中还对激光器功率进行调节，使激光在内部和外部轮廓、实体部分施加的功率相同。[0020]本发明的有益效果是：本装置通过对光束扩束倍数的控制达到控制激光光斑大小的效果，从而可以利用不同大小的激光光斑对零件的不同部位进行打印，实现灵活控制，并在保证打印精度的同时大幅提升打印速度；同时，本发明采用光学聚焦装置对激光光斑进行精确聚焦，提高激光光斑的能量密度，克服定焦振镜扫描的枕形畸变问题和扫描范围限制。
[0021]本发明的另一有益效果是：本方法通过对光束扩束倍数的控制达到控制激光光斑大小的效果，从而可以利用不同大小的激光光斑对零件的不同部位进行打印，实现灵活控制，并在保证打印精度的同时大幅提升打印速度。附图说明
[0022]图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明方法步骤流程图；
图3为本发明实施例中牙修复体横截面图。[0023]图中：1、控制电路；2、激光器；3、自动变焦扩束镜；4、移动负透镜；5、前聚焦镜；6、振镜；7、后聚焦镜；8、聚焦激光光束；9、加工平面；10、伺服电机；11、摆杆；12、滑块；13、导轨；14、导轨限位块；15、内部轮廓；16、外部轮廓；17、实体部分。具体实施方式
[0024]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
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参照图1，一种金属激光3D打印牙修复体装置，包括有控制电路、激光器、自动变焦扩束镜、移动负透镜单元、光学聚焦单元和用于放置牙修复体的加工平面，所述激光器发射出的激光束依次通过自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元聚焦于加工平面的牙修复体上，所述控制电路分别与自动变焦扩束镜、移动负透镜单元和光学聚焦单元连接。[0025]控制电路不仅能够在扫描过程中控制振镜的偏转和移动负透镜的移动，实现扫描过程的动态聚焦，还能控制自动变焦扩束镜的放大倍数，从而改变聚焦光斑的大小。[0026]进一步作为优选的实施方式，所述移动负透镜单元包括有移动负透镜、伺服电机、摆杆、滑块和导轨，所述移动负透镜固定于滑块上，所述伺服电机通过摆杆驱动滑块在导轨上移动，所述伺服电机的控制端与控制电路连接。[0027]控制电路获取到振镜的偏转值，并把计算得到的聚焦误差值传到伺服电机的驱动器，驱动伺服电机带动摆杆进行偏转，摆杆的偏转转化为滑块在导轨上的直线运动，从而带动移动负透镜在光路上进行直线移动，最终实现了激光光束的光学聚焦。通过光学聚焦的作用，大大提高了激光束的扫描范围，扫描范围从定焦扫描的100×100mm增大为250×250mm。
[0028]根据扩束倍数越大，聚焦后的激光光斑越小的规律，控制电路控制自动变焦扩束镜的倍数，通过与聚焦镜组相互配合，实现在不同的扫描区域采用不同的聚焦激光光斑，所
μm之间连续可调。述聚焦激光光斑直径在30-200
[0029]运动过程中移动负透镜始终保持与光轴垂直且光轴通过透镜的光心。[0030]进一步作为优选的实施方式，所述导轨两端还设置有导轨限位块，用于限定滑块的摆动幅度。
[0031]进一步作为优选的实施方式，所述光学聚焦单元包括有前聚焦镜、振镜和后聚焦镜，所述振镜的控制端与控制电路连接，所述激光束通过前聚焦镜后由振镜反射至后聚焦镜并聚焦于加工平面的牙修复体上。[0032]所述在光学聚焦单元中，为避免光束聚焦烧坏透镜，提高校正效果，前聚焦镜、后聚焦镜和其它的凸透镜都选用平凸镜。所述振镜通过偏转引导激光束进行扫描。[0033]进一步作为优选的实施方式，所述自动变焦扩束镜的控制端与控制电路连接。[0034]进一步作为优选的实施方式，所述自动变焦扩束镜的自由扩束倍数为2-8倍。[0035]进一步作为优选的实施方式，所述激光器为光纤激光器。[0036]所述光纤激光器的激光波长为1090nm，激光功率50－500W可调，光束质量M2＜1.1。
[0037]参照图2，一种金属激光3D打印牙修复体方法，在3D打印的每一层操作中，包括有以下步骤：
A、增加自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓；
B、减少自动变焦扩束镜的扩束倍数，利用聚焦后的激光打印牙修复体的内部和外部轮廓之间的实体部分。
[0038]进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中对于内部和外部轮廓，分别利用聚焦后的激光沟边扫描至少两次，即将上述步骤A中的操作重复多次。[0039]进一步作为优选的实施方式，所述步骤A和步骤B中还对激光器功率进行调节，使
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激光在内部和外部轮廓、实体部分施加的功率相同。[0040]如上述步骤中，打印牙修复体的内部和外部轮廓时，激光器的激光功率设置为50-100W，而在打印牙修复体的实体部分时，由于自动变焦扩束镜的扩束倍数降低为2倍，因此相应地将激光器的激光功率设置为200W-400W，以此保证激光光斑的能量密度相对稳定，从而保证打印物体的材料均匀、精度高。
[0041]参照图3说明本发明的具体实施例：
如图3所示为牙修复体横截面图，当本发明装置对该层结构进行打印时，首先采用直径50μm的光斑进行扫描内部轮廓和外部轮廓，此时自动变焦扩束镜的倍数设置为4倍，激光器的激光功率设置为50-100W；为保证零件（牙修复体）的强度，可分别对内部轮廓和外部轮廓扫描多次。
[0042]完成上述操作后，该装置通过光学变焦单元和自动变焦扩束镜的调节提高聚焦光斑的大小，例如将自动变焦扩束镜的扩束倍数设置为2倍，激光器的激光功率设置为200W-400W，然后对内部和外部轮廓之间的实体部分进行扫描操作。[0043]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，除了将本发明装置和方法应用于牙修复体外，也可将其应用于其他零件的制造，例如机械零件、其他不规则物体等等；熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
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说 明 书 附 图
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图2
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说 明 书 附 图
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图3
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