本公開(kāi)的方面總體上涉及用于三維打印的方法和裝置。

背景技術(shù)：

三維(3d)打印，也稱為增材制造，是用于合成三維物體的各個(gè)過(guò)程中的任一過(guò)程。在3d打印中，在計(jì)算機(jī)控制下鋪設(shè)連續(xù)的材料層。這些物體可以為幾乎任何形狀或幾何結(jié)構(gòu)，且從3d模型或其它電子數(shù)據(jù)源產(chǎn)生。3d打印的一個(gè)實(shí)例為選擇性激光燒結(jié)。在選擇性激光燒結(jié)中，激光被導(dǎo)向基材，且在通過(guò)基材吸收激光能量時(shí)，基材熔化。允許基材凝固，從而形成所需的形狀或配置。材料熔化的能力強(qiáng)烈地依賴于激光的功率和強(qiáng)度。為了促進(jìn)細(xì)小物體的制造，激光能必須局限于小的區(qū)域。此外，激光在材料界面處的光斑大小和激光的停留時(shí)間之間的關(guān)系為非線性的，進(jìn)一步影響制造的精度。

常規(guī)的方法試圖通過(guò)將激光器固定在一個(gè)位置中且相對(duì)于激光器移動(dòng)其上具有基材的載物臺(tái)來(lái)克服上述問(wèn)題。雖然這種方法消除了關(guān)于上述提及的制造精度的問(wèn)題中的一些，但固定的激光器導(dǎo)致若干缺點(diǎn)。顯著地，因?yàn)檩d物臺(tái)必須相對(duì)于激光器前后移動(dòng)，可以制造的工件的大小受限于載物臺(tái)的大小以及能夠供載物臺(tái)移動(dòng)的區(qū)域。此外，制造的速度受限于在3d打印操作期間載物臺(tái)可以移動(dòng)的速率。

基于前文所述，需要用于3d打印的改進(jìn)的方法和裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)總體上涉及用于3d打印的方法和裝置。該裝置包括固定工件臺(tái)和適于將激光能引導(dǎo)到工件臺(tái)上的不同位置的光學(xué)組件。光學(xué)組件包括強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)、偏振機(jī)構(gòu)、形狀控制機(jī)構(gòu)以及激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)，所述激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)被配置成將激光能引導(dǎo)向工件臺(tái)。方法包括將來(lái)自激光器的能量束引導(dǎo)向工件臺(tái)同時(shí)調(diào)整能量束的方向、調(diào)整能量束的強(qiáng)度、調(diào)整能量束的形狀，或調(diào)整能量束的偏振。

一方面，一種三維打印裝置包括工件支撐件，其用于支撐其上的基材；激光器，其用于將激光能供應(yīng)到基材；成像設(shè)備，其用于捕獲基材的圖像；控制器，其用于從成像設(shè)備接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)；以及光學(xué)組件，其耦接到控制器并適于從其接收指令。光學(xué)組件包括形狀控制機(jī)構(gòu)；偏振機(jī)構(gòu)；以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)。

另一方面，一種三維打印裝置包括工件支撐件，其用于支撐其上的基材；激光器，其用于將激光能供應(yīng)到基材；成像設(shè)備，其用于捕獲基材的圖像；控制器，其用于從成像設(shè)備接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)；以及光學(xué)組件，其耦接到控制器并適于從其接收指令。光學(xué)組件包括激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其包括多個(gè)可致動(dòng)鏡；形狀控制機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的外殼，每個(gè)其中形成有圓形開(kāi)口以用于容納激光能；偏振機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件；以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)。

另一方面，一種在3d打印操作期間調(diào)整激光器的方法包括：將來(lái)自打印源的激光能引導(dǎo)到固定工件支撐件上的基材；捕獲激光能在基材上的撞擊位置的圖像；且向控制器提供所捕獲的圖像的圖像數(shù)據(jù)。響應(yīng)于控制器接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，指令從控制器提供到打印源以調(diào)整打印源的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)；且調(diào)整打印源的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。

附圖說(shuō)明

為了可以詳細(xì)理解以上敘述的本公開(kāi)的特征的方式，以上簡(jiǎn)要總結(jié)的本公開(kāi)的更具體的描述可參考各個(gè)方面，某些方面在附圖中示出。然而，注意的是，附圖僅示出示例性方面且因此不應(yīng)被視為對(duì)其范圍限制，且本公開(kāi)可允許其它等效方面。

圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的3d打印裝置的示意性透視圖。

圖2a是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的能量源的示意圖。

圖2b是根據(jù)本公開(kāi)的另一方面的能量源的示意圖。

圖2c是根據(jù)本公開(kāi)的另一方面的激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖3a是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖3b是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的形狀控制機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖3c是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的形狀控制機(jī)構(gòu)的圖示的部分示意圖。

圖4是用于3d打印過(guò)程期間調(diào)整激光能的方法的流程圖。

為了促進(jìn)理解，在可能的情況下已經(jīng)使用相同的標(biāo)識(shí)號(hào)指定圖中共用的相同元件。可設(shè)想，一方面的元件和特征可受益地并入其它方面而不需進(jìn)一步敘述。

具體實(shí)施方式

本公開(kāi)總體上涉及用于3d打印的方法和裝置。一種裝置包括固定工件臺(tái)和用于將激光能引導(dǎo)到工件臺(tái)上的不同位置的光學(xué)組件。光學(xué)組件包括強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)、偏振機(jī)構(gòu)、形狀控制機(jī)構(gòu)，以及激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)，所述激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)被配置成引導(dǎo)激光能朝向工件臺(tái)。方法包括將來(lái)自激光器的能量束導(dǎo)向工件臺(tái)同時(shí)調(diào)整能量束的方向、調(diào)整能量束的強(qiáng)度、調(diào)整能量束的形狀，或調(diào)整能量束的偏振。

圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的3d打印裝置100的示意性透視圖。3d打印裝置100包括工件支撐件102以及鄰近工件支撐件102的一個(gè)或多個(gè)加料盒104a、104b(示出兩個(gè))。打印源106和諸如攝像機(jī)等成像設(shè)備108安置在工件支撐件102上方并朝向工件支撐件102引導(dǎo)。控制器110耦接到3d打印裝置100的部件(包括打印源106和成像設(shè)備108)以促進(jìn)3d打印操作期間對(duì)部件的控制。

一個(gè)或多個(gè)加料盒104a、104b中的每個(gè)包括容器111，用于存儲(chǔ)形成3d物體所使用的基材113。在一個(gè)實(shí)例中，基材113可包括金屬或陶瓷中的一個(gè)或多個(gè)，諸如包括尼龍和聚苯乙烯的聚合物，金屬諸如鋼、鈦或其它合金，以及其它材料的陶瓷。基材113可為具有約20微米和約70微米之間的顆粒大小的粉末。一個(gè)或多個(gè)加料盒104a、104b包括通過(guò)致動(dòng)器(未示出)垂直驅(qū)動(dòng)的可致動(dòng)底板112。底板112的致動(dòng)提高加料盒104a、104b內(nèi)的基材113的水平。對(duì)于升高位置中的基材113，進(jìn)料輥114縱向(在x方向上)移動(dòng)以將基材113從加料盒104a或104b推送或運(yùn)送到工件支撐件102。工件支撐件102的上支撐表面適于垂直致動(dòng)，例如向下，以容納所傳遞的基材113，從而在傳遞基材113時(shí)維持工件支撐件102的上表面與加料盒104a、104b共面。此外，工件支撐件102的垂直致動(dòng)使工件支撐件102的上表面維持在一致的位置處以促進(jìn)3d物體的制造期間的一致性。在一個(gè)實(shí)例中，工件支撐件表面可以自從進(jìn)料輥114的每一再加料遞增地降低約0.002英寸至約0.008英寸。

在操作期間，激光能115從打印源106引導(dǎo)到工件支撐件102。位于工件支撐件102上的基材通過(guò)激光能115選擇性地熔化且被允許重新固化。打印源106適于引導(dǎo)激光能橫跨工件支撐件102的整個(gè)表面，從而允許工件支撐件102在處理期間保持固定，且因此克服常規(guī)裝置和技術(shù)的許多制造速度問(wèn)題。成像設(shè)備108朝工件支撐件102引導(dǎo)并捕獲工件支撐件102的圖像以及激光能在工件支撐件102上的接觸位置。來(lái)自成像設(shè)備108的數(shù)據(jù)傳遞到控制器110以促進(jìn)工件支撐件102上的基材113的一致性處理。響應(yīng)于從成像設(shè)備108接收數(shù)據(jù)，控制器110可對(duì)打印源106的參數(shù)做出一種或多種調(diào)整。

雖然圖1示出3d打印裝置100的一方面，也設(shè)想其它方面。例如，可設(shè)想，3d打印裝置100可包括不止一個(gè)成像設(shè)備108。此外，可設(shè)想，打印源106可安置在工件支撐件102上方并位于其中心，或可偏離中心安置。在打印源106偏離中心安置的方面，可設(shè)想，成像設(shè)備108可中心安置在工件支撐件上方。

圖2a是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的打印源206a的示意圖。打印源206a類似于圖1的打印源106，且可與圖1的打印源106可交換地利用。打印源206a包括光學(xué)組件216和激光器217，諸如高功率二氧化碳激光器?？深A(yù)期，激光器217的功率級(jí)可調(diào)整以適合不同成分的基材。在一個(gè)實(shí)例中，激光器217可具有約1瓦特至約10瓦特的功率級(jí)，但可設(shè)想其它功率級(jí)。此外或可替換地，可選擇激光器的振幅分布，以使得該分布不包括功率應(yīng)用空洞(hole)的間隙(gap)。例如，振幅分布可為高斯、洛倫茲、頂帽或類似的。光學(xué)組件216適于從激光器217接收激光能115并引導(dǎo)激光能115朝向工件支撐件102，圖1所示。光學(xué)組件216包括激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220、形狀控制機(jī)構(gòu)221、偏振機(jī)構(gòu)222，以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223中的一個(gè)或多個(gè)。應(yīng)注意的是，形狀控制機(jī)構(gòu)221、偏振機(jī)構(gòu)222以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223可按任何相繼的順序布置，且不限于圖2a所示的順序。打印源206a的一個(gè)或多個(gè)部件可耦接到控制器110以促進(jìn)各個(gè)的部件的控制。

激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220包括通過(guò)連接桿226連接到致動(dòng)器225的第一反射鏡224。致動(dòng)器225旋轉(zhuǎn)連接桿226，且因此旋轉(zhuǎn)反射鏡224以改變激光能115在x-z平面上從反射鏡224反射的方向。類似地，激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220還包括經(jīng)由連接桿229耦接到致動(dòng)器228的第二反射鏡227。第二致動(dòng)器228使反射鏡227繞連接桿229的縱軸旋轉(zhuǎn)以改變激光能115在y-x平面上從反射鏡227反射的方向。致動(dòng)器225、228連接到控制器110且響應(yīng)于從控制器110接收的指令來(lái)調(diào)整反射鏡224、227的位置。使用激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220，激光能115可引導(dǎo)到工件支撐件表面的所有區(qū)域，而不相對(duì)于打印源206a移動(dòng)工件支撐件102。

在操作期間，隨著激光能115傳播通過(guò)光學(xué)組件216而到達(dá)工件支撐件102(圖1所示)，激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220、形狀控制機(jī)構(gòu)221、偏振機(jī)構(gòu)222和強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223中的每個(gè)調(diào)整激光能115的一個(gè)或多個(gè)特性。特性的調(diào)整促進(jìn)基材113的改進(jìn)的處理，從而導(dǎo)致3d打印物體的精度增加。當(dāng)激光能115被引導(dǎo)到工件支撐件102上的不同位置時(shí)，形狀控制器機(jī)構(gòu)221、偏振機(jī)構(gòu)222和強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223補(bǔ)償軌跡、激光束路徑長(zhǎng)度、激光束強(qiáng)度以及激光束形狀的變化，從而有利于激光能115相對(duì)于工件支撐件102移動(dòng)時(shí)對(duì)工件支撐件102上的基材113進(jìn)行一致性處理。可設(shè)想，類似類型的反射鏡或鏡頭設(shè)備(諸如數(shù)字微鏡設(shè)備)可額外地或可替換地用于響應(yīng)于從控制器110接收的指令引導(dǎo)激光能115。

圖2b是根據(jù)本公開(kāi)的另一方面的打印源206b的示意圖。打印源206類似于打印源206a；然而，打印源206b的光學(xué)組件216不包括激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。代替地，定向座230用于支撐打印源206b。響應(yīng)于從控制器110接收信號(hào)(圖2a所示)，移動(dòng)整個(gè)打印源206a以將激光能115引導(dǎo)到期望位置。定向座230耦接到外殼233，所述外殼233其中包含有激光器217和光學(xué)組件216。定向座230包括第一耦接件231以促進(jìn)外殼233在y-x平面上的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)；以及第二耦接件232以促進(jìn)外殼233在y-z平面上的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。外殼233的移動(dòng)導(dǎo)致激光能115的軌跡變化。第一耦接件231和第二耦接件232可耦接到致動(dòng)器234以促進(jìn)第一耦接件231和第二耦接件232的致動(dòng)?？商鎿Q地，致動(dòng)器234可包含在第一耦接件231和第二耦接件232中的每個(gè)內(nèi)?？稍O(shè)想，第一耦接件231和第二耦接件232可選地替換為球接頭或其它類似的多向耦接件。

圖2c是根據(jù)本公開(kāi)的另一方面的激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)236的示意圖。除了圖2a中所示的激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)220或作為其替換物，可使用一個(gè)或多個(gè)激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)236。激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)236為可控式電-倏逝光學(xué)折射器，其利用液晶的非平行電光效應(yīng)來(lái)重新引導(dǎo)入射輻射。出射的輻射經(jīng)由電壓可調(diào)式斯奈爾定律折射(利用一個(gè)或多個(gè)棱鏡電極(水平的)或電極和出耦接棱鏡(垂直的))轉(zhuǎn)向。在一個(gè)實(shí)例中，激光能如箭頭237所示進(jìn)入激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)且可以如箭頭238a或238b所示或在這兩箭頭之間的任何軌跡上被重新引導(dǎo)，這取決于施加的電壓。電壓的施加可通過(guò)控制器110(圖1所示)控制。雖然圖2c示出非機(jī)械的激光束轉(zhuǎn)向設(shè)備的一方面，應(yīng)注意的是，也設(shè)想其它非機(jī)械的激光束轉(zhuǎn)向設(shè)備。

圖3a是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323的示意圖。強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323類似于強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223且可與強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)223可交換地使用。強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323包括一個(gè)或多個(gè)(示出兩個(gè))可調(diào)整的偏振單元340a、340b?？烧{(diào)整的偏振單元340a、340b中的每個(gè)包括外殼341，其中固定有偏振敏感元件342。偏振敏感元件342可具有在其徑向向外邊緣上形成或耦接到該邊緣的齒輪齒343。齒輪齒343嚙合各自的驅(qū)動(dòng)齒輪344，所述驅(qū)動(dòng)齒輪344通過(guò)致動(dòng)器345驅(qū)動(dòng)以促進(jìn)每個(gè)偏振敏感元件342的旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)例中，每個(gè)偏振敏感元件342可包括一個(gè)或多個(gè)波片或偏振器，諸如半波片或四分之一波片，其可選擇性地旋轉(zhuǎn)以允許預(yù)定的輻射量經(jīng)過(guò)其中。此外，可調(diào)整的偏振單元340a、340b的每個(gè)外殼341可耦接到致動(dòng)器346以根據(jù)需要選擇性地將每個(gè)偏振敏感元件342移出光學(xué)路徑。

雖然圖3a示出強(qiáng)度控制器機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例，也設(shè)想其它實(shí)例。例如，可設(shè)想，可調(diào)整的偏振單元340a、340b中的一個(gè)或多個(gè)可替換為可變?yōu)V光器(例如圓形可變?yōu)V光器)或其它電光系統(tǒng)(諸如交叉偏振器/匣單元(pocketcell)組合)以控制激光能115的強(qiáng)度。此外或可替換地，可設(shè)想，激光能115的強(qiáng)度可通過(guò)調(diào)整應(yīng)用于激光器217的功率來(lái)控制。

激光能115的強(qiáng)度的調(diào)整促進(jìn)基材的一致性處理。因?yàn)榧す饽?15在處理期間圍繞工具支撐件102引導(dǎo)，除了其它變量之外，激光能的路徑長(zhǎng)度不斷變化，從而影響工件支撐件的每個(gè)位置處提供的激光能的精確量。然而，激光能115的強(qiáng)度可以調(diào)整以導(dǎo)致橫跨工件支撐件102的整個(gè)區(qū)域具有均勻的功率應(yīng)用。如上所述，響應(yīng)于來(lái)自成像設(shè)備108的反饋以及來(lái)自控制器110的指令，可調(diào)整激光能的強(qiáng)度。因此，由控制器110指定的對(duì)激光能115的強(qiáng)度的調(diào)整補(bǔ)償了由于處理期間激光能115的變化的路徑長(zhǎng)度或其它變量導(dǎo)致的強(qiáng)度的變化。可設(shè)想，強(qiáng)度調(diào)整可用于增加或減少激光能115的強(qiáng)度。

偏振機(jī)構(gòu)(諸如圖2a所示的偏振機(jī)構(gòu)222)可具有與圖3a所示的強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)?？芍圃炱駲C(jī)構(gòu)222的一個(gè)或多個(gè)偏振敏感元件以向激光能115提供期望的偏振。在一個(gè)實(shí)例中，可設(shè)想，偏振機(jī)構(gòu)222和強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323可組合為單個(gè)單元，或各自的功能可通過(guò)單個(gè)單元執(zhí)行。另一方面，偏振機(jī)構(gòu)可包括多個(gè)軸向?qū)R的可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件。

激光能115的偏振的調(diào)整促進(jìn)基材的一致性處理，從而導(dǎo)致3d物體的更精確的制造。隨著激光能115在基材周圍移動(dòng)以形成物體，由于激光能115的非垂直(non-normal)入射，激光能相對(duì)于基材的表面的偏振可改變。入射的變化可導(dǎo)致吸收性差異，從而影響打印的物品的質(zhì)量，所述吸收性差異導(dǎo)致不一致性處理。例如，s和p偏振(例如，垂直于或平行于入射面)可具有差異水平或吸收和/或反射比，從而導(dǎo)致不一致性處理，除非加以校正。

圖3b是根據(jù)本發(fā)明的一方面的形狀控制機(jī)構(gòu)350的示意圖。代替形狀控制機(jī)構(gòu)221，可使用形狀控制機(jī)構(gòu)350。形狀控制機(jī)構(gòu)350包括一個(gè)或多個(gè)(示出兩個(gè))激光束成形設(shè)備351a、351b。每個(gè)激光束成形設(shè)備351a、351b包括外殼352，其中形成有圓形開(kāi)口353。每個(gè)圓形開(kāi)口353大小被定制以當(dāng)外殼352的平面垂直于激光能115時(shí)允許激光能115通過(guò)。激光束成形設(shè)備351a、351b也包括經(jīng)由連接桿355耦接到外殼352的致動(dòng)器354。致動(dòng)器354適于使外殼352繞連接桿355的軸向軸線旋轉(zhuǎn)以便調(diào)整外殼352的平面取向。以這種方式，形狀控制機(jī)構(gòu)350包括繞不同的軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)外殼352。

在沒(méi)有形狀控制機(jī)構(gòu)的情況下，圓形激光束輪廓導(dǎo)致以高入射角在基材113上進(jìn)行橢圓形狀的照明，從而引起照明區(qū)域上較低的平均功率。形狀控制機(jī)構(gòu)350調(diào)整激光束輪廓以促進(jìn)3d打印操作期間基材113上的照明一致的圓形形狀。在一個(gè)實(shí)例中，外殼352的平面取向的調(diào)整導(dǎo)致圓形開(kāi)口353在垂直于激光能115的平面上限定橢圓形狀。隨著激光能115穿過(guò)部分旋轉(zhuǎn)的外殼352，激光能115的一部分被外殼352阻擋，導(dǎo)致激光能115的激光束具有橢圓形或非圓形截面形狀。選擇橢圓形或非圓形形狀以使得即使對(duì)于相對(duì)較高的入射角，照明平面上的激光束輪廓也為圓形的。

激光束成形設(shè)備351a、351b的致動(dòng)器354以相對(duì)于彼此90度角安置以促進(jìn)繞不同軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而提供對(duì)激光束形狀調(diào)整進(jìn)行更大的控制?？稍O(shè)想，還可利用90度之外的角度。在一個(gè)實(shí)例中，激光束成形設(shè)備351a的外殼352圍繞y軸旋轉(zhuǎn)，而激光束成形設(shè)備351b的外殼352繞z軸旋轉(zhuǎn)。外殼352可由適合于抵抗由激光能115輸送的能量的材料形成。

激光能115的激光束形狀的調(diào)整促進(jìn)基材的一致性處理。在處理期間，隨著激光能115橫跨基材移動(dòng)，激光能115和基材之間的入射角可改變。隨著入射角增加，激光能115以橢圓形而不是圓形投射到基材上，導(dǎo)致基材的不準(zhǔn)確的且不一致的處理。形狀控制機(jī)構(gòu)350調(diào)整激光能115的激光束的形狀以促進(jìn)一致性處理，而強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)323可補(bǔ)償由形狀控制機(jī)構(gòu)350的部分能量遮擋以促進(jìn)一致的能量傳遞到基材113。

圖3c是根據(jù)本公開(kāi)的另一方面的形狀控制機(jī)構(gòu)360的圖示的部分示意圖。除形狀控制機(jī)構(gòu)350之外或作為其替換物，可使用形狀控制機(jī)構(gòu)360。形狀控制機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在圓形透鏡支撐件362中的橢圓形透鏡361。透鏡支撐件362包括齒輪齒363，其耦接到其外徑向邊緣。透鏡支撐件362可旋轉(zhuǎn)地安置在外殼364中。透鏡支撐件362且因此橢圓形透鏡361經(jīng)由致動(dòng)器365通過(guò)齒輪366與齒輪齒363嚙合而被可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)。

橢圓形透鏡361被配置成在單一方向上聚集光。例如，僅可相對(duì)于x軸而不是y軸聚焦垂直于外殼364的平面(例如，z軸)傳播的光。這種一個(gè)方向聚焦允許激光束形狀的變化，從而校正基材上的激光束投射形狀的變化。此外，利用橢圓形透鏡361可提供額外的益處，該益處在于橢圓形透鏡361改變激光束形狀而不遮擋激光束的部分，從而減輕由于激光束形狀變化的強(qiáng)度校正。一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的橢圓透鏡可用于生成所需的激光束形狀。此外或可替換地，形狀控制機(jī)構(gòu)可包括其它專用透鏡形狀，其被優(yōu)化以生成預(yù)定的強(qiáng)度輪廓。

圖4是用于3d打印過(guò)程期間調(diào)整激光能的方法470的流程圖。方法470開(kāi)始于操作471。在操作471中，來(lái)自激光器的激光能被引導(dǎo)到基材以熔化基材。激光能被引導(dǎo)到如控制器指定的基材上的具體位置，以有利于工件形成。隨著激光能被引導(dǎo)，在操作472中，成像設(shè)備捕獲基材472上的入射位置的圖像。在操作472中，所捕獲的圖像數(shù)據(jù)提供到控制器。響應(yīng)于接收數(shù)據(jù)，控制器分析圖像數(shù)據(jù)并基于接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)計(jì)算。例如，控制器可確定入射角、激光束路徑長(zhǎng)度、基材接觸位置處的激光束形狀、接觸位置處的激光束的偏振，以及接觸位置處的激光束的估計(jì)的強(qiáng)度。

隨后，在操作474中，控制器可向打印源提供指令。指令規(guī)定對(duì)打印源的一種或多種調(diào)整以實(shí)現(xiàn)所需的激光束形狀、位置、強(qiáng)度、偏振等等，從而促進(jìn)基材的一致性處理。在操作475中，響應(yīng)于接收指令，執(zhí)行打印源調(diào)整。例如，可調(diào)整打印源的光學(xué)組件的一個(gè)或多個(gè)部件(諸如激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、形狀控制機(jī)構(gòu)、偏振機(jī)構(gòu)，以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu))。隨后，方法470可返回到471，且激光能可被引導(dǎo)到基材上的相同位置或新的位置，從而3d打印所需的物體。以這種方式，方法470為閉環(huán)功能，從而在3d打印操作期間促進(jìn)增強(qiáng)的控制和準(zhǔn)確性。閉環(huán)傳遞函數(shù)(transferfunction，傳遞功能)在通過(guò)成像設(shè)備的輸出處進(jìn)行測(cè)量。輸出信號(hào)波形可以從閉環(huán)傳遞函數(shù)計(jì)算出，而輸入信號(hào)波形由控制器提供。

進(jìn)一步，本公開(kāi)包括根據(jù)以下項(xiàng)的實(shí)例：

項(xiàng)1.一種三維打印裝置，其包括：工件支撐件，其用于支撐其上的基材；激光器，其用于將激光能供應(yīng)到基材；成像設(shè)備，其用于捕獲基材的圖像；控制器，其用于從成像設(shè)備接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)；以及光學(xué)組件，其耦接到控制器并用于從其接收指令，光學(xué)組件包括形狀控制機(jī)構(gòu)、偏振機(jī)構(gòu)以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)。

項(xiàng)2.根據(jù)項(xiàng)1所述的三維打印裝置，其中，工件支撐件為固定的。

項(xiàng)3.根據(jù)項(xiàng)1所述的三維打印裝置，其中，光學(xué)組件進(jìn)一步包括激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

項(xiàng)4.根據(jù)項(xiàng)3所述的三維打印裝置，其中，激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括多個(gè)可旋轉(zhuǎn)反射鏡。

項(xiàng)5.根據(jù)項(xiàng)4所述的三維打印裝置，其中，多個(gè)可旋轉(zhuǎn)鏡反射為兩個(gè)反射鏡，且兩個(gè)反射鏡可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。

項(xiàng)6.根據(jù)項(xiàng)3所述的三維打印裝置，其中，激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括可控式電-倏逝光學(xué)折射器。

項(xiàng)7.根據(jù)項(xiàng)1所述的三維打印裝置，其中，響應(yīng)于由控制器接收的指令，可調(diào)整形狀控制機(jī)構(gòu)、偏振機(jī)構(gòu)、強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)。

項(xiàng)8.根據(jù)項(xiàng)1所述的三維打印裝置，其中，偏振機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件。

項(xiàng)9.根據(jù)項(xiàng)8所述的三維打印裝置，其中，一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件為多個(gè)軸向?qū)R的可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件。

項(xiàng)10.根據(jù)項(xiàng)8所述的三維打印裝置，其中，一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件包括半波片或四分之一波片。

項(xiàng)11.根據(jù)項(xiàng)1所述的三維打印裝置，其中，形狀控制機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的外殼，每個(gè)中形成有圓形開(kāi)口以用于容納激光能。

項(xiàng)12.根據(jù)項(xiàng)11所述的三維打印裝置，其中，形狀控制機(jī)構(gòu)包括繞不同的軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)外殼。

項(xiàng)13.根據(jù)項(xiàng)11所述的三維打印裝置，其中，形狀控制機(jī)構(gòu)包括橢圓形透鏡。

項(xiàng)14.一種三維打印裝置，其包括：工件支撐件，其用于支撐其上的基材；激光器，其用于將激光能供應(yīng)到基材；成像設(shè)備，其用于捕獲基材的圖像；控制器，其用于從成像設(shè)備接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)；以及光學(xué)組件，其耦接到控制器并用于從控制器接收指令，光學(xué)組件包括：激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其包括多個(gè)可致動(dòng)反射鏡；形狀控制機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)外殼，每個(gè)中形成有圓形開(kāi)口以用于容納激光能；偏振機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件；以及強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)。

項(xiàng)15.根據(jù)項(xiàng)14所述的三維打印裝置，其中，激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的可致動(dòng)反射鏡是可旋轉(zhuǎn)的。

項(xiàng)16.根據(jù)項(xiàng)15所述的三維打印裝置，其中，形狀控制機(jī)構(gòu)包括繞不同的軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)外殼。

項(xiàng)17.根據(jù)項(xiàng)16所述的三維打印裝置，其中，一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振敏感元件包括半波片或四分之一波片。

項(xiàng)18.一種在3d打印操作期間調(diào)整激光器的方法，其包括：將來(lái)自打印源的激光能引導(dǎo)到固定工件支撐件上的基材；捕獲激光能在基材上的入射位置的圖像；向控制器提供所捕獲的圖像的圖像數(shù)據(jù)；響應(yīng)于控制器接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，向打印源提供來(lái)自控制器的指令以調(diào)整打印源的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)；以及調(diào)整打印源的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。

項(xiàng)19.根據(jù)項(xiàng)18所述的方法，其中，調(diào)整打印源的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)包括：調(diào)整強(qiáng)度控制機(jī)構(gòu)；調(diào)整偏振機(jī)構(gòu)；以及調(diào)整形狀控制機(jī)構(gòu)。

項(xiàng)20.根據(jù)項(xiàng)19所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)整激光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的方面可采取完全硬件方面，完全軟件方面(包括固件、常駐軟件，微代碼等)或結(jié)合軟件和硬件方面的方面的形式。本公開(kāi)的方面可在計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中實(shí)施。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)(或媒體)，其上具有計(jì)算機(jī)可讀程序指令以用于引起處理器實(shí)施本公開(kāi)的方面。

計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以是有形設(shè)備，其可以保持并存儲(chǔ)指令以供指令執(zhí)行設(shè)備使用。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可為例如但不限于電子存儲(chǔ)設(shè)備、磁存儲(chǔ)設(shè)備、光存儲(chǔ)設(shè)備、電磁存儲(chǔ)設(shè)備、半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備，或前述任一合適的組合。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的更具體的實(shí)例的非詳盡列表包括如下：便攜式計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、硬盤(pán)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、只讀存儲(chǔ)器(rom)、可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(eprom或閃速存儲(chǔ)器)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(sram)、便攜式光盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(cd-rom)、數(shù)字通用光盤(pán)(dvd)、記憶棒、軟盤(pán)、機(jī)械編碼設(shè)備(諸如穿孔卡片或其上記錄有指令的槽中的提升結(jié)構(gòu))以及前述任一合適的組合。如本文所用的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)不應(yīng)解釋為自身的暫時(shí)信號(hào)，諸如，無(wú)線電波或其它自由傳播的電磁波、通過(guò)波導(dǎo)或其它傳輸媒體(例如，穿過(guò)光纖電纜的光脈沖)傳播的電磁波，或通過(guò)電線傳輸?shù)碾娦盘?hào)。

用于實(shí)施本公開(kāi)的操作的計(jì)算機(jī)可讀程序指令可為匯編指令、指令集體系結(jié)構(gòu)(isa)指令、機(jī)器指令、機(jī)器相關(guān)指令、微代碼、固件指令、狀態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)或以一種或多種編程語(yǔ)言的任一組合書(shū)寫(xiě)的源代碼或目標(biāo)代碼，所述編程語(yǔ)言包括諸如c++等等面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，和諸如“c”編程語(yǔ)言或類似的編程語(yǔ)言等常規(guī)程序化編程語(yǔ)言。

這里參考根據(jù)本公開(kāi)的方面的方法、裝置以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖圖示和/或方框圖描述本公開(kāi)的方面。應(yīng)該理解，流程圖圖示和/或方框圖的每個(gè)方框，以及流程圖圖示和/或方框圖中方框的組合可以通過(guò)計(jì)算機(jī)可讀程序指令實(shí)施。

這些計(jì)算機(jī)可讀程序指令可提供到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器以產(chǎn)生機(jī)器，以使得經(jīng)由計(jì)算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器執(zhí)行的指令創(chuàng)建用于實(shí)施流程圖和/或方框圖方框或多個(gè)方框中指定的功能/行為的裝置。上述控制器為一個(gè)這種計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)可讀程序指令也可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，其可以引導(dǎo)計(jì)算機(jī)、可編程數(shù)據(jù)處理裝置，和/或其它設(shè)備以特定的方式起作用，以使得其中存儲(chǔ)有指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括制品，其包括實(shí)施流程圖和/或方框圖方框或多個(gè)方框中指定的功能/行為的方面的指令。

圖中的流程圖和方框圖示出根據(jù)本公開(kāi)的各個(gè)方面的系統(tǒng)、方法以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的可行的實(shí)施的架構(gòu)、功能、以及操作。在這點(diǎn)上，流程圖或方框圖中的每個(gè)方框可表示模塊、段或指令的部分，其包括用于實(shí)施指定的邏輯功能的一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行指令。在一些可替換實(shí)施中，方框中指出的功能可不按圖中指出的順序發(fā)生。例如，根據(jù)所涉及的功能，實(shí)際上可以基本同時(shí)執(zhí)行連續(xù)示出的兩個(gè)方框，或有時(shí)可以相反的順序執(zhí)行方框。也應(yīng)注意的是，方框圖和/或流程圖圖示中的每個(gè)方框，以及方框圖和/或流程圖圖示中的方框的組合可以通過(guò)專用的基于硬件的系統(tǒng)實(shí)施，所述系統(tǒng)執(zhí)行指定的功能或行為或?qū)嵤Ｓ糜布陀?jì)算機(jī)指令的組合。

本文所述的方面的益處包括提高了3d打印部件的打印速度，尤其是相對(duì)較大的部件，諸如飛機(jī)的零件。此外，因?yàn)楸疚乃龅姆矫媸褂霉潭üぜ渭?，所?d打印操作所需的地板空間被最小化，且消除了對(duì)可移動(dòng)支撐件的維護(hù)。

雖然前述涉及本公開(kāi)的方面，但是在不偏離本公開(kāi)的基本范圍的情況下可設(shè)計(jì)本公開(kāi)的其它方面以及進(jìn)一步的方面，且本公開(kāi)的范圍通過(guò)以下權(quán)利要求確定。