【3D部落技術(shù)干貨】SLM技術(shù)核心—激光掃描技術(shù)涉及的問(wèn)題及解決方案

金屬3D打印技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)，涉及到多個(gè)學(xué)科，有很多技術(shù)問(wèn)題值得探討和交流，SLM Solutions作為全球知名的金屬3D打印廠商，其中國(guó)首家專(zhuān)業(yè)代理商上海三的部落，近日對(duì)SLM技術(shù)核心—激光掃描技術(shù)涉及的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行了交流。

在各類(lèi)型激光掃描技術(shù)中，振鏡式激光掃描是目前廣泛采用的一種激光掃描方式。它具有高速、高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但存在光斑焦點(diǎn)不在加工面上的聚焦誤差問(wèn)題。另外，振鏡式激光掃描存在掃描圖形的線(xiàn)性失真和非線(xiàn)性失真，特別是當(dāng)掃描區(qū)域較大時(shí)，嚴(yán)重影響了激光掃描的圖形精度及加工質(zhì)量。

那么這些問(wèn)題如何解決呢？我們先來(lái)了解一下振鏡掃描的工作原理振：振鏡式掃描系統(tǒng)采用高速往復(fù)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)X與Y兩片微小反射鏡片協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)反射激光束來(lái)達(dá)到光斑在整個(gè)平面上掃描的目的。其不同于一般的機(jī)械式掃描系統(tǒng)：采用絲桿的傳動(dòng)帶動(dòng)掃描頭在二維平面上來(lái)回運(yùn)動(dòng)完成掃描，由于是機(jī)械式的，所以?huà)呙柘到y(tǒng)的慣性大，掃描響應(yīng)速度慢。

振鏡掃描時(shí)面臨的典型問(wèn)題：

枕型失真
當(dāng)掃描鏡在工作面上掃描一個(gè)矩形時(shí)，它得到的實(shí)際軌跡是并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形，而是如圖所示枕形
雙振鏡掃描會(huì)引起單軸的枕型誤差，誤差是由映射到平面時(shí)不是一一對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系，是一種原理性誤差。

解決方案
由于產(chǎn)生的畸變?cè)赬和Y兩個(gè)方向上不是一致的，所以不能采用常規(guī)透鏡的辦法來(lái)矯正的，可以通過(guò)畸變公式軟件的方法來(lái)修正合理的描述理想圖和畸變圖之間的地址映射關(guān)系的平面坐標(biāo)變換方法能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

聚焦誤差
在介紹解決方案前我們先給大家介紹一個(gè)重要的概念：焦平面。這是指在聚束過(guò)程中，激光會(huì)成一個(gè)漏斗狀的光路，這是的橫截面就是焦平面，也就是常說(shuō)的光斑直徑。

高精度的掃描場(chǎng)合中，為了獲得較好的掃描效果，需要求工作臺(tái)面的光斑半徑控制在一定范圍內(nèi)（范圍因掃描設(shè)備不同而參數(shù)不同）。在掃描范圍內(nèi)的任意位置，激光束都要求能很好的聚焦。

那么在振鏡掃描系統(tǒng)中這個(gè)更典型的誤差就是來(lái)自焦平面，在激光通過(guò)XY振晶后，焦平面是一個(gè)球平面，請(qǐng)見(jiàn)下圖：

解決方案
那么怎么才能在成型平臺(tái)上，獲得平整統(tǒng)一的光斑呢？應(yīng)用較廣的解決辦法有兩種。

1.  用F-theta透鏡對(duì)聚焦畸變進(jìn)行校正

這種方法只適合較小的工作臺(tái)面的激光掃描加工, 若在較大工作臺(tái)面上
掃描時(shí), F-theta 透鏡尺寸大、成本高，且越靠近邊緣補(bǔ)償效果越差。

2.  更優(yōu)異的三維動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)

動(dòng)態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)一般是采用上層應(yīng)用軟件和下層驅(qū)動(dòng)軟件控制。由于采用開(kāi)環(huán)控制,所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要求實(shí)現(xiàn)三軸同步。

驅(qū)動(dòng)振鏡的伺服電機(jī)是由模擬電壓驅(qū)動(dòng)的。依據(jù)光學(xué)杠桿原理設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)光學(xué)模型，激光束經(jīng)動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)再經(jīng)兩次鏡面反射到達(dá)掃描場(chǎng)。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,動(dòng)態(tài)聚焦鏡在光路方向上做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)補(bǔ)償聚焦誤差,從而保證光斑焦點(diǎn)的掃描場(chǎng)與工作場(chǎng)誤差得到補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)是近年來(lái)興起的激光掃描聚焦誤差補(bǔ)償技術(shù)，有更有效的和更精準(zhǔn)的補(bǔ)償效果，并且支持的視場(chǎng)更大，價(jià)格上也相對(duì)來(lái)說(shuō)更加昂貴。

SLM設(shè)備就采用三維動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，可以達(dá)到精準(zhǔn)的激光控制，大大提升打印質(zhì)量，我們可以通過(guò)以下視頻清晰的了解到三維動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)的構(gòu)造及過(guò)程。

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來(lái)源：三的部落