本公开一般涉及增材制造(additive manufacturing，am)领域，具体来说，本公开涉及增材制造装置及方法。
背景技术：
1、增材制造，也称为三维(3d)打印，是采用材料逐渐累加的方法制造工件的技术。一种常见的增材制造是光固化技术，其将紫外光源投射到三维模型的截面，使液态光聚合物逐层进行光固化。目前的光固化技术主要有立体光刻造型(stereo lithographyappearance，sla)光固化技术、数字光处理(digital light processing，dlp)光固化技术、以及液晶显示屏(liquidcrystaldisplay，lcd)光固化技术。
2、sla光固化技术于1986年由3d systems,inc.的联合创始人charles hull发明并获得专利。目前，大型工业光固化3d打印机主要基于sla技术。通常，sla机器中，激光束在树脂槽上方，液态树脂在被从顶部照射的激光束扫描时固化。将平台降低到树脂中，平台的表面是树脂表面以下的一层厚度。然后激光束追踪边界并填充模型的二维横截面，一层树脂固化后，平台下降一段距离，逐层重复固化，直到产生实体的3d物体。每一层的图案形成由激光束的移动控制。理论上，激光束可以在很大的空间上移动。因此，sla打印技术的优势在于可以打印大尺寸模型。然而，sla光固化技术中，由于固化速度取决于激光束的移动，因此sla的打印速度较低，模型尺寸越大，打印耗时越长，其打印分辨率取决于激光束的大小，因此sla光固化的分辨率较低。
3、dlp光固化技术主要采用数字微镜器件(digital micromirror devices，dmd)芯片进行光投射，通过控制微镜阵列中的每个微镜偏转或不偏转，来将物体横截面的图像投射到光敏液态树脂中。dlp 3d打印的关键技术是dlp技术，它决定了图像的形成和打印精度。dlp技术的核心部分是光学半导体，即数字显微镜设备或dlp芯片，它由larry hornback博士于1977年发明，并于1996年由德州仪器商业化。dlp芯片是一种光开关设备，包含200万个相互铰接的微型显微镜的规则阵列。每个显微镜大约是人类头发大小的五分之一。当dlp芯片与数字视频或图像信号、光源和投射镜头配合时，显微镜可以将完整的数字图像投射到屏幕或其他表面上。dlp及其外围的电子设备被称为数字光处理技术。dlp芯片的显微镜切换次数可达每秒数千次，反映1024个像素的灰度阴影，将dlp芯片输入的视频或图像信号转化为丰富的灰度图像。所以，dlp 3d打印具有高打印分辨率，可打印最小尺寸为50μm。dlp3d打印是平面曝光，但曝光面积有限。目前可打印尺寸为100mm*60mm至190mm*120mm。dlp3d打印的优势在于可以打印体积小、精度高的物体。然而，dlp光固化技术中，投射的光源被分散到整个数字微镜器件dmd芯片上，光源利用率较低；dlp技术为了保证高分辨率和精度，要进行画面裁切，牺牲部分像素，以达到梯形校准，从而投射的尺寸是受限的，因此，dlp光固化技术只能打印小尺寸物体。
4、lcd光固化技术与dlp 3d打印技术最大的区别在于液晶显示器用作光开关，而控制和步进系统几乎没有区别。当对液晶施加电场时，它会改变其分子排列，从而允许或者阻止光通过。由于采用了液晶显示技术，液晶显示的分辨率非常高。然而，在电场切换过程中，少量液晶分子不能重新排列，导致漏光。此外，液晶屏使用寿命短，需要定期更换，lcd光固化技术的光强较弱，光源利用率较低，只有10％的光能从液晶屏穿透，90％的光被液晶屏吸收，而且局部漏光会导致底部光敏树脂过度曝光，从而影响固化效果。
5、如上所述，在现有的光固化技术中，存在着打印耗时长、分辨率低、投射面积小、像素损耗高、光源利用率低等亟待解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开的实施例中提出一种能够以较低的成本实现打印速度、分辨率、打印面积、光源利用率、使用寿命、光源利用率、对比度等方面的优势的增材制造装置和方法。
2、根据本公开的第一方面，提供了一种增材制造装置，通过增材制造方式来制造工件，所述增材制造装置包括：一个或多个激光源；光学模块，包括微镜，所述光学模块被配置为通过所述微镜的偏转以扫描方式将所述一个或多个激光源发出的光束投射到工件表面的工作层上，以使所述工作层中的工作材料形成图案；以及工件移动模块，被配置为移动所述工件。
3、在一些实施例中，所述微镜为微机电系统mems振镜；所述mems振镜被配置为绕两个正交轴偏转以分别实现水平方向扫描和垂直方向扫描。
4、在一些实施例中，所述微镜以1-144hz(例如5hz)的帧率在所述工作层上进行扫描；所述微镜以静电、电磁或者压电方式进行振动；所述微镜的振动频率为2k-100khz(例如7100hz)；所述微镜的尺寸为1-20mm(例如3mm)；所述微镜的反射面上具有铝膜或银膜。
5、在一些实施例中，采用两个以上激光源；所述增材制造装置还包括合束模块，所述合束模块被配置为将所述两个以上激光源发出的光束进行合束；所述光学模块被配置为将合束后的光束投射到所述工作层上。合束可以采用偏振合束和/或空间合束方式。
6、在一些实施例中，所述增材制造装置还包括控制模块，所述控制模块被配置为接收图层数据，控制所述微镜的偏转角度以使所述光束在所述工作层上移动，控制所述一个或多个激光源按照所述图层数据以脉冲方式发光，以使所述工作材料形成对应于所述图层数据的图案。
7、在一些实施例中，所述控制模块为现场可编程门阵列(field programmable gatearray，fpga)，所述控制模块被配置为根据来自所述微镜的位置反馈数据来确定所述微镜的偏转是否到位，所述控制模块被配置为在所述微镜偏转不到位的情况下，控制所述一个或多个激光源不发光。
8、在一些实施例中，所述工作材料可以是液态工作材料或固态粉末工作材料。
9、在一些实施例中，所述工作材料为液态工作材料；所述增材制造系统还包括：液面测量模块，被配置为测量所述液态工作材料的液面高度；以及液面调节模块，被配置为以增加或者降低所述液面高度的方式进行调节。所述液面调节模块可以包括漂浮在料槽中的浮块。
10、在一些实施例中，所述工作材料为光固化工作材料；将所述一个或多个激光源的光束投射到所述光固化工作材料上，使得所述工作材料固化，从而形成所述图案。
11、在一些实施例中，所述增材制造装置进一步包括工作层形成模块，所述工作层形成模块被配置为在所述工件的表面填充所述工作材料以形成所述工作层。所述工作层形成模块可以是负压刮刀模块，所述负压刮刀模块的负压腔产生吸力，以将所述工作材料从料槽移动到所述工件的表面。
12、在一些实施例中，所述工件移动模块包括步进电机；所述工件移动模块向上或者向下移动所述工件。
13、在一些实施例中，所述一个或多个激光源按照图像灰度数据以脉冲方式发光；所述一个或多个激光源为发射200-700nm波长的激光的激光二极管。例如，激光源可以发射波长为405nm的紫外光。
14、在一些实施例中，扫描路径为先沿着第一方向进行行扫描，在扫描一行之后，沿着第二方向移动所述光束来扫描下一行。
15、根据本公开的第二方面，提供了一种增材制造方法，通过增材制造方式来制造工件，所述增材制造方法包括：在工件的表面形成工作层；通过微镜的偏转以扫描方式将一个或多个激光源发出的光束投射到所述工件的表面的所述工作层上，以使所述工作层中的工作材料形成图案；以及移动所述工件。
16、在一些实施例中，所述微镜为微机电系统mems振镜；所述mems振镜被配置为绕两个正交轴偏转以分别实现水平方向扫描和垂直方向扫描。
17、在一些实施例中，所述微镜以1-144hz(例如5hz)的帧率在所述工作层上进行扫描；所述微镜以静电、电磁或者压电方式进行振动；所述微镜的振动频率为2k-100khz(例如7100hz)；所述微镜的尺寸为1-20mm(例如3mm)；所述微镜的反射面上具有铝膜或银膜。
18、在一些实施例中，采用两个以上激光源；所述增材制造方法还包括：将所述两个以上激光源发出的光束进行合束；以及将合束后的光束投射到所述工作层上。合束可以采用偏振合束和/或空间合束方式。
19、在一些实施例中，所述增材制造方法还包括：接收图层数据；控制所述一个或多个激光源按照所述图层数据以脉冲方式发光，以使所述工作材料形成对应于所述图层数据的图案。
20、在一些实施例中，根据来自所述微镜的位置反馈数据来确定所述微镜的偏转是否到位，在所述微镜偏转不到位的情况下，控制所述一个或多个激光源不发光。
21、在一些实施例中，所述工作材料可以是液态工作材料或固态粉末工作材料。
22、在一些实施例中，所述工作材料为液态工作材料；所述增材制造方法还包括：测量所述液态工作材料的液面高度；以及以增加或者降低所述液面高度的方式进行调节。可以通过漂浮在料槽中的浮块调节液面高度。
23、在一些实施例中，所述工作材料为光固化工作材料；将所述一个或多个激光源的光束投射到所述光固化工作材料上，使得所述工作材料固化，从而形成所述图案。
24、在一些实施例中，所述增材制造方法还包括在所述工件的表面填充所述工作材料以形成所述工作层的步骤；通过负压刮刀模块的负压腔产生吸力，以将所述工作材料从料槽移动到所述工件的表面。
25、在一些实施例中，通过步进电机向上或者向下移动所述工件。
26、在一些实施例中，所述一个或多个激光源按照图像灰度数据以脉冲方式发光；所述一个或多个激光源为发射200-700nm的波长的激光的激光二极管。例如，激光源可以发射波长为405nm的紫外光。
27、在一些实施例中，扫描路径为先沿着第一方向进行行扫描，在扫描一行之后，沿着第二方向移动所述光束来扫描下一行。
28、在一些实施例中，重复执行所述增材制造方法的一个或者多个步骤。
29、根据本公开的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有指令，其特征在于，当指令在处理器上执行时促使处理器执行任一上述方法。
30、在本公开的实施例中，通过微镜的偏转以扫描方式将一个或多个激光源发出的光束投射到工作层上，以使工作层中的工作材料形成图案，相对于现有的sla、dlp和lcd方式，在速度和分辨率优于sla技术，在打印面积和光源利用率方面优于dlp技术，在使用寿命、光源利用率、对比度上优于lcd技术。可以避免sla技术中光束移动过慢的缺陷；可以避免lcd技术寿命短、漏光等缺陷；可以避免dlp技术打印面积小、光源利用率低等缺陷。
31、根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其他方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
1.一种增材制造装置(100、200)，通过增材制造方式来制造工件(111)，所述增材制造装置包括：
2.如权利要求1所述的增材制造装置(100、200)，其中，
3.如权利要求1所述的增材制造装置(100、200)，其中，
4.如权利要求1-3中的任一项所述的增材制造装置(100、200)，还包括：
5.如权利要求4所述的增材制造装置(100、200)，其中，
6.如权利要求1-3中的任一项所述的增材制造装置(100、200)，其中所述工作材料为液态工作材料或固态粉末工作材料。
7.如权利要求6所述的增材制造装置(100、200)，其中所述工作材料为液态工作材料；
8.如权利要求7所述的增材制造装置(100、200)，其中，
9.如权利要求8所述的增材制造装置，其中，
10.一种增材制造方法(300)，通过增材制造方式来制造工件，所述增材制造方法(300)包括：
11.如权利要求10所述的增材制造方法(300)，其中，
12.如权利要求10所述的增材制造方法(300)，其中，
13.如权利要求10-12中的任一项所述的增材制造方法(300)，还包括：
14.如权利要求13所述的增材制造方法(300)，其中，
15.如权利要求10-12中的任一项所述的增材制造方法(300)，其中所述工作材料为液态工作材料或固态粉末工作材料。
16.如权利要求15所述的增材制造方法(300)，其中所述工作材料为液态工作材料；
17.如权利要求16所述的增材制造方法(300)，其中，
18.如权利要求17所述的增材制造方法(300)，其中，
19.如权利要求10-12中的任一项所述的增材制造方法(300)，其中，重复执行所述增材制造方法的一个或者多个步骤。
20.一种计算机可读存储介质(704、712)，其上存储有指令，其特征在于，所述指令当在处理器(702)上执行时促使所述处理器执行权利要求10-19中的任一项所述的方法(300)。
