用于3D打印过程的基于飞秒激光的超声波测量设备和具有其的3D打印系统

本申请要求在2019年12月31日提交到韩国知识产权局(KIPO)的韩国专利申请号10-2019-0179190的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及三维(3D)打印，并且更具体地涉及一种用于在3D打印过程期间估计打印对象的物理性能以及检测对象的缺陷的基于飞秒激光的超声波测量设备，及一种具有这种设备的3D打印系统。

背景技术

已知3D打印是用于生产3D对象的制造技术。对于3D对象的3D打印而言，是以基于3D模型数据处理信息来逐层堆叠的方式进行处理的。3D打印技术具有便于实现复杂的形状、在产品内形成的形状等的优点。由于这些优点，3D打印技术作为高附加值的技术而备受关注，其使得易于制造各种产品，诸如各种工业零件和医疗材料。

可以通过将3D产品的形状划分为多个具有均匀或可变厚度的2D横截面并且形成要逐个堆叠的2D横截面来执行3D打印过程。有几种已知的3D打印方法，诸如材料挤出方法、材料喷射方法、粘合剂喷射方法、片材层压方法、大桶光聚合方法、粉末床融合方法、定向能量沉积(DED)方法等。其中，DED方法是将激光能量施加到要熔化和融合的金属粉末或线材的方法，并且由于其下列优点而得到广泛使用：与其他方法相比，其可以使用较廉价的商业材料，在现有的3D形状上形成叠层以及与其他方法相比具有卓越的机械性能。

在根据DED方法的3D打印中，当将从激光源照射的激光束照射到基板时形成熔池，并且将金属粉末供应到熔池上以形成叠层。当前，可以应用于3D打印过程的测量技术受到限制。由于用于3D打印的构建室内部的不良环境以及在数据收集和处理速度中的限制，迄今为止，仅基本感测技术应用于3D打印过程。因此，需要开发一种新的高速和高分辨率的测量技术，以进行高保真在线监测和无损评估(NDE)。

发明内容

在认识到常规技术的上述问题的情况下提出了本发明。本发明的一些实施例将提供一种用于3D打印过程的基于飞秒激光的超声波测量设备，其可以执行具有高空间测量分辨率的实时测量，以在3D打印过程期间进行产品缺陷检测和材料性能估计，以及一种包括该设备的3D打印系统。

在一个方面，本发明的概念针对一种用于3D打印过程的基于飞秒激光的超声波测量设备。基于飞秒激光的超声波测量设备包括飞秒激光源、分束器、电/声光调制器、时间延迟单元、光电检测器和锁相放大器。飞秒激光源与用于3D打印的激光源同轴设置并且被配置为生成飞秒激光束，飞秒激光束照射以检查通过由从用于3D打印的激光源照射的打印激光束熔化基材而形成的打印对象的状态。分束器被配置为将由飞秒激光源生成的飞秒激光束分离成泵浦激光束和探测激光束。电/声光学调制器被配置为调制泵浦激光束。时间延迟单元被配置为延迟探测激光束。光电检测器被配置为检测由打印对象反射的探测激光束。锁相放大器包括解调器，解调器用于以调制频率对来自光电检测器的输出信号进行解调；以及低通滤波器，低通滤波器用于使解调信号的低频带通过并且被配置为检测来自光电检测器的输出信号的幅度和相位。

在本发明的一个实施例中，泵浦激光束和探测激光束可以照射以入射在与打印激光束间隔开预定距离的固化区域上。

在一个实施例中，泵浦激光束和探测激光束可以照射以入射在打印对象的同一点上。

在一个实施例中，泵浦激光束可以照射以入射在与打印激光束相同的位置上，并且探测激光束可以照射以入射在与打印激光束间隔开预定距离的固化区域上。

在一个实施例中，探测激光束可以照射以入射在与打印激光束间隔开预定距离的固化区域上，并且打印激光束可以被用作泵浦激光束。

在一个实施例中，时间延迟单元可以被配置为调整探测激光束的光路的长度。

在一个实施例中，长度的最小位移可以为0.1μm。

在一个实施例中，飞秒激光源可以以40MHz的频率生成飞秒激光束。

在一个实施例中，检测到的幅度和相位可以用于估计打印对象的物理性能以及检测打印对象的缺陷。

在一个实施例中，物理性能可以包括杨氏模量和残余应力中的至少任一个，并且缺陷可以包括裂纹、空隙和多孔性中的至少任一个。

在一个实施例中，电/声光学调制器可以以调制频率对飞秒激光源激光束取脉冲峰值。

在一个实施例中，泵浦激光束、探测激光束和打印激光束可以具有不同的波长。

在一个实施例中，打印激光束可以具有1.07μm或更小的波长带。

在一个实施例中，探测激光束可以具有515nm或更小的波长带。

在一个实施例中，泵浦激光束可以具有257nm或更小的波长带。

在另一个方面，本发明的概念针对一种3D打印系统，其包括3D打印激光源、基材源、飞秒激光源、分束器、电/声光学调制器、时间延迟单元、光电检测器和锁相放大器。3D打印激光源被配置为通过照射激光束以熔化供应到打印对象的基材来在打印对象上形成熔池。基材源被配置为将基材供应到打印对象。飞秒激光源与3D打印激光源同轴设置并且被配置为生成激光束，激光束照射以检查打印对象的状态。分束器被配置为将由飞秒激光源生成的激光束分离成泵浦激光束和探测激光束。电/声光学调制器被配置为调制泵浦激光束。时间延迟单元被配置为延迟探测激光束。光电检测器被配置为检测由打印对象反射的探测激光束。锁相放大器包括解调器，解调器用于以调制频率对来自光电检测器的输出信号进行解调；以及低通滤波器，低通滤波器用于使解调信号的低频带通过并且被配置为检测来自光电检测器的输出信号的幅度和相位。

在一个实施例中，泵浦激光束和探测激光束可以照射以入射在与打印激光束间隔开预定距离的固化区域上。

在一个实施例中，泵浦激光束、探测激光束和打印激光束可以具有不同的波长。

在一个实施例中，3D打印系统还可以包括第一反射镜，第一反射镜被配置为将来自3D打印激光源的打印激光束朝向飞秒激光源反射；以及第二反射镜，第二反射镜被配置为将反射的打印激光束朝向打印对象反射。

在一个实施例中，检测到的幅度和相位可以用于估计打印对象的物理性能以及检测打印对象的缺陷。

根据本发明的实施例，可以通过使用飞秒激光来实时地执行用于估计产品性能和检测打印对象的缺陷的具有高空间测量分辨率的测量。因此，可以提高3D打印过程的控制精度和质量。

此外，根据本发明的实施例，可以在3D打印过程期间以高空间测量分辨率在线执行使用飞秒激光进行的缺陷检测和物理性能估计。因此，当在3D打印过程期间出现打印对象的缺陷时，可以及早检测到缺陷并且处置有缺陷的打印产品。另外，可以提供实时反馈控制以提高打印产品的质量，从而提高3D打印过程的效率。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解说明性的非限制性示例实施例。

图1是根据本发明的一个示例实施例的3D打印系统的配置图。

图2是图1所示部分“A”的放大视图。

图3是示出根据本发明的一个示例实施例的当在3D打印系统中使用脉冲回波技术时的打印激光束和飞秒激光束的示例配置的图。

图4是示出根据本发明的一个示例实施例的当在3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的另一个示例配置的图。

图5是示出根据本发明的一个示例实施例的当在3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的另一个示例配置的图。

图6是用于描述根据本发明的一个示例实施例在3D打印系统中测量移动打印对象的视图。

图7是用于描述根据本发明的一个示例实施例在3D打印系统中调制飞秒激光束的图。

图8是示出图7所示的泵浦激光束和探测激光束的图。

图9是示出图1所示的锁相放大器的详细配置的框图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。本发明可以按各种不同的形式实施且不限于本文所述的实施例。在附图中，为了清晰地描述本发明，省略了与本说明书无关的部分，且在整个说明书中，将相同的附图标记分配给相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明的一个示例实施例的3D打印系统的配置，并且图2是图1中的部分“A”的放大视图。

根据本发明的一个示例实施例的3D打印系统1可以是用于通过使用激光熔化基材来形成3D对象的系统。3D打印系统1可以包括用于在3D打印过程期间使用具有高空间测量分辨率的飞秒激光束来检查打印对象4的打印质量的设备。

参考图1，3D打印系统1可以包括激光源20、基材源30、聚焦透镜40、喷嘴50、飞秒激光源60、第一分束器71、时间延迟单元76、电/声光学调制器80、第二分束器94、光电检测器92和锁相放大器90。

在这里，作为一个示例，3D打印系统1可以是能够通过用激光熔化金属粉末来形成3D对象的DED型3D打印系统。激光源20、基材源30、聚焦透镜40和喷嘴50可以构造一般的DED型3D打印机10。然而，可以应用于根据本发明的一个实施例的3D打印系统1的3D打印机10不限于DED型。能够形成金属熔池的任何3D打印机都可以作为一部分应用于根据本发明的3D打印系统1。

另外，3D打印系统1可以包括与DED型3D打印机10同轴设置的飞秒激光源60。即，飞秒激光源60可以与激光源20同轴地设置。在这里，同轴设置表示相关的组件被布置成使得多个激光束共享相同的光路。例如，同轴设置表示光路是通过由分束器、分色镜或滤波器来分离和透射激光束来共享的。因此，可以在不控制激光源20和飞秒激光源60的位置的情况下连续地测量关于打印对象4的超声波。

另外，飞秒激光源60、第一分束器71、时间延迟单元76、电/声光学调制器80、光电检测器92和放大器90可以形成基于飞秒激光的超声波测量设备，其能够在执行根据本发明的实施例的3D打印过程的同时使用飞秒激光束测量打印对象。在这种情况下，用于3D打印过程的基于飞秒激光的超声波测量设备可以包括用于形成光路的光学装置。因此，3D打印系统1可以包括3D打印机10和基于飞秒激光的超声波测量设备。

激光源20可以生成至打印对象4上的打印激光束22。从激光源20照射的打印激光束22可以依次通过第一反射镜24和第二反射镜26和聚焦透镜40并且被照射至打印对象4上。此时，从激光源20照射的激光束22可以在被照射到熔池2的同时通过用于供应基材的喷嘴50。在这里，激光源20的激光束22可以具有1.07μm或更小的波长带。

在图1中，激光源20可以在空间上与飞秒激光源60分开设置。由于激光源20未与喷嘴50成一直线设置，因此可以设置光学装置，诸如第一反射镜24和第二反射镜26，以便激光源20和飞秒激光源60同轴设置。

第一反射镜24可以将打印激光束22从激光源20朝向飞秒激光源60反射。另外，第二反射镜26可以将由第一反射镜24反射的打印激光束22朝向要打印的对象(打印对象)4反射。

然而，用于形成打印激光束22的光路的光学装置不限于此，并且可以根据激光源20和飞秒激光源60或其光路的位置进行改变。

从基材源30供应的基材可以通过单独的供应管32以例如，金属粉末或金属线的形式供应到喷嘴50。为了将基材供应至打印对象4，形成在喷嘴50中的基材移动路径可以平行于或倾斜于打印激光束22通过的路径。供应至打印对象4的基材由激光源20熔化，以在打印对象4上形成熔池2。

飞秒激光源60可以生成飞秒激光束62以检查打印对象4的状态。作为一个示例，飞秒激光源60可以以40MHz的重复频率生成飞秒激光束62。在这种情况下，飞秒激光束62可以具有与打印激光束22不同的波长。例如，飞秒激光束62可以具有515nm或更小的波长带。

在这里，飞秒激光束62可以用于估计打印对象4的物理性能以及检测打印对象4的缺陷。打印对象4的物理性能可以包括杨氏模量和残余应力。另外，打印对象4的缺陷可能包括裂纹、空隙和多孔。在这种情况下，如后所述，可以基于脉冲回波技术或一发一收技术来执行物理性能估计和缺陷检测。

另外，可以使用泵浦-探测技术执行用飞秒激光束62进行的超声波测量。为此，飞秒激光束62可以被分为泵浦激光束62a和探测激光束62b。实际上，泵浦激光束62a可以被定义为电/声光学调制器80的输出，并且探测激光束62b可以被定义为时间延迟单元76的输出。此时，泵浦激光束62a可以激发打印对象4。探测激光束62b可以用于超声波测量，以使用探测激光束62b与泵浦激光束62a的时间延迟来检查打印对象4的状态。

在这里，泵浦激光束62a可以在激发点处以THz的水平生成超声波。由此，可以检查在nm水平的微小缺陷。例如，当打印对象4是钢材时，根据以下等式，由钢材生成的弹性波的波长可以是10nm。

第一分束器71可以设置在从飞秒激光源60照射的飞秒激光束62的路径上。第一分束器71可以将由飞秒激光源60生成的飞秒激光束62分离成泵浦激光束62a和探测激光束62b。在这种情况下，透射通过第一分束器71的飞秒激光束62可以是探测激光束62b，并且由第一分束器71分离的束可以是泵浦激光束62a。

然而，泵浦激光束62a和探测激光束62b的光路配置不限于此，并且可以以各种方式配置。例如，泵浦激光束62a和探测激光束62b的光路可以被配置为与图1相反。

为了配置泵浦激光束62a的光路，可以提供第三反射镜72、第四反射镜73和第五反射镜74。在这里，第三反射镜72可以设置在第一分束器71与电/声光学调制器80之间。在这种情况下，第三反射镜72可以将由第一分束器71分离的飞秒激光束62朝向电/声光学调制器80反射。

第四反射镜73可以设置在电/声光学调制器80和第五反射镜74之间。在这种情况下，第四反射镜73可以将从电/声光学调制器80输出的泵浦激光束62a朝向第五反射镜74反射。

第五反射镜74可以设置在第四反射镜73和第二分束器94之间。在这种情况下，第五反射镜74可以将反射的泵浦激光束62a朝向第二分束器94或喷嘴50反射。另外，第二反射镜26可以允许泵浦激光束62a自身透射。

因此，由第一分束器71分离的泵浦激光束62a可以与探测激光束62b和打印激光束22同轴地配置。

然而，用于形成泵浦激光束62a的光路的光学装置不限于此，并且可以根据激光源20和飞秒激光源60或其光路的位置进行改变。

时间延迟单元76可以延迟已经通过第一分束器71的探测激光束62b。在这种情况下，时间延迟单元76可以调整探测激光束62b的光路的长度。即，时间延迟单元76可以包括多个反射镜以调整光路的长度。

在这里，可以通过控制在泵浦激光束62a和探测激光束62b之间的时间延迟来获得高采样频率。例如，光路长度的最小位移可以是0.1μm。根据以下公式，该延迟对应于3PHz的采样频率。结果，可以以高分辨率实时测量，并且因此可以提高3D打印过程的控制精度和质量。

时间延迟单元76可以延迟飞秒激光束62以形成实质的探测激光束62b。在这里，探测激光束62b可以具有与飞秒激光束62相同的波长。作为一个示例，探测激光束62b可以具有515nm或更小的波长带。

此时，为了形成探测激光束62b的光路以及调整时间延迟单元76的光路长度，可以提供第六反射镜75和第七反射镜77。第六反射镜75可以设置在第一分束器71和时间延迟单元76之间。在这种情况下，第六反射镜75可以朝向时间延迟单元76通过第一分束器71反射飞秒激光束62。

第七反射镜77可以设置在时间延迟单元76和喷嘴50之间。在这种情况下，第七反射镜77可以将从时间延迟单元76输出的为时间延迟的飞秒激光束62的探测激光束62b朝向第二分束器94或喷嘴50反射。另外，第二反射镜26和第五反射镜74中的每一个可以允许探测激光束62b自身透射。

因此，由第一分束器71分离的探测激光束62b可以与泵浦激光束62a和打印激光束22同轴地形成。

然而，用于形成探测激光束62b的光路的光学装置不限于此，并且可以根据激光源20和飞秒激光源60或其光路的位置进行改变。

电/声光学调制器80可以调制通过第一分束器71与飞秒激光束62分离的泵浦激光束62a。在这里，电/声光学调制器80可以是声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)。

例如，电/声光学调制器80可以以调制频率f

电/声光学调制器80可以将飞秒激光束62调制为实质的泵浦激光束62a。在这里，泵浦激光束62a可以具有与打印激光束22不同的波长。例如，泵浦激光束62a可以具有257nm或更小的波长带。

第二分束器94可以设置在打印激光束22、泵浦激光束62a和探测激光束62b的同轴路径上。第二分束器94可以允许打印激光束22、泵浦激光束62a和探测激光束62b通过喷嘴50。

如图2所示，打印激光束22和飞秒激光束62可以分开至少一定距离L2以照射到打印对象4上。在这里，飞秒激光束62可以包括泵浦激光束62a和探测激光束62b。可选地，飞秒激光束62可以仅包括探测激光束62b，如稍后参考图4和图5所述。

此时，熔池2可以形成在要由激光束22打印的打印对象4上以进行打印。根据打印激光束22的能量，熔池2可以形成有恒定的宽度L1。例如，熔池2的宽度L1可以为约500μm。

另外，飞秒激光束62可以照射到由打印激光束22熔化的打印对象4的固化区域。即，在打印激光束22和飞秒激光束62之间的距离L2可以是从由打印激光束22形成的熔池2至固化区域的距离。例如，距离L2可以为约1.5mm至2.5mm。

在这种情况下，可以通过堆叠多个层来将打印对象4形成为三维对象。在用于描述该示例实施例的图2中，其示出了打印对象4由第一层6、第二层7和第三层8形成，并且熔池2形成在第一层6和第二层7中。

探测激光束62b可以入射在打印对象4上并且随后从打印对象4反射。第二分束器94可以将从打印对象4反射的探测激光束62b朝向光电检测器92反射，以便检查打印对象4的状态。

光电检测器92可以检测由打印对象4反射的探测激光束62b。即，光电检测器92可以将接收到的探测激光束62b转换成电信号。作为一个示例，光电检测器92可以是光电二极管。

锁相放大器90可以检测来自光电检测器82的输出信号的幅度和相位。为此，锁相放大器90可以去除包括在输出信号中的噪声。在这里，检测到的幅度和相位可以用于估计打印对象4的物理性能以及检测打印对象4的缺陷。

图3是示出根据本发明的一个示例实施例的当在3D打印系统中使用脉冲回波技术时打印激光束和飞秒激光束的配置的图。

3D打印系统1可以使用脉冲回波技术来估计对象4的物理性能并且检测其缺陷。为此，可以将泵浦激光束62a和探测激光束62b照射到打印对象4的点上，其中该点可以与打印激光束22间隔开预定距离L2。即，可以将泵浦激光束62a和探测激光束62b照射到要打印的对象4的相同点。作为一个示例，可以在打印对象4的固化区域内照射泵浦激光束62a和探测激光束62b。

泵浦激光束62a可以是用于通过使打印对象4被激发而生成超声波的束。探测激光束62b可以是用于测量超声波以检查打印对象4的状态的束。例如，可以通过在探测激光束62b的响应时间中的差异来检测存在于打印对象4内部的缺陷，诸如空隙4’。

图4是示出根据本发明的一个实施例的当在3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的一个示例配置的图。

3D打印系统1可以使用一发一收技术来估计打印对象4的物理性能并且检测其缺陷。为此，可以在与打印激光束22相同的位置处照射泵浦激光束62a。探测激光束62b可以被照射到与打印激光束22或泵浦激光束62a间隔开预定距离L2的打印对象4的点上。作为一个示例，探测激光束62b可以被照射到打印对象4的固化区域上。

泵浦激光束62a可以用于通过使打印对象4被激发而生成超声波。探测激光束62b可以用于测量超声波以检查打印对象4的状态。

图5是示出根据本发明的一个实施例的当在3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的另一个示例的配置的图。

作为一发一收技术的另一个示例，3D打印系统1可以不使用泵浦激光束62a。即，可以使用打印激光束22代替泵浦激光束62a来激发打印对象4以生成超声波。

在这种情况下，探测激光束62b可以被照射到与打印激光束22间隔开预定距离L2的打印对象4的点上。作为一个示例，探测激光束62b可以被照射到打印对象4的固化区域上。这里，探测激光束62b可以用于测量超声波，使得可以检查打印对象4的状态。

根据如上所述的本发明的实施例，可以在3D打印过程期间以高分辨率执行用于检测缺陷和估计物理性能的测量。因此，当检测有缺陷的任何打印对象时，可以通过在过程期间尽早丢弃任何有缺陷的产品来提高3D打印过程的效率。另外，可以实时进行反馈控制，从而提高产品质量。

图6是用于描述根据本发明的一个实施例的对在3D打印系统中的移动的打印对象的测量的图。

飞秒激光束62的脉冲持续时间非常短。例如，当飞秒激光束62的最大重复率是例如40MHz，并且3D打印系统1的扫描速度是例如10mm/s时，脉冲间隔是0.25nm，如以下等式所示。

在这里，在3D打印系统1中基于压电的延迟线的情况下，移动到下一个延迟线位置所花费的时间为约1μs。

如以下等式所示，在3D打印系统1的时间窗口中测量例如100个样本所需的时间为102.5μs。

因此，如以下等式所示，3D打印系统1可以移动1.025μm，同时飞秒激光束62在所需的测量时间内移动。

102.5μs×100mm/s＝1.025μm ……(5)

如图6所示，假设在1.025μm截面中估计平均物理性能和特性值，则可以使用测量信号来估计物理性能，诸如目标截面的平均弹性模量和打印对象4的厚度。

因此，与传统的基于激光的测量技术相比，使用飞秒激光束62进行的超声波测量可以忽略打印对象4的移动的影响。

图7是用于描述根据本发明的一个实施例的3D打印系统中的飞秒激光束的调制的图，且图8是示出图7中的泵浦激光束和探测激光束的视图。

在使用飞秒激光束的情况下，由于信号强度相对较小，因此所测量的有效信号可能会极大地受到环境噪声的影响。为了最小化由于噪声引起的影响，本发明的示例实施例通过声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)来调制泵浦激光束62a，使得以预定频率传输信号。此时，可以由锁相放大器90有效地测量信号。

如图7所示，通过AOM或EOM，可以对激光脉冲进行(a)取脉冲峰值或(b)脉冲调制。以这种方式调制的泵浦激光束62a可以允许有用的超声波信息通过载波频率传输。

如图8所示，泵浦激光束62a可以取脉冲峰值。这里，取脉冲峰值的速率可以是调制频率f0。由打印对象4反射的探测激光束62b可以具有比泵浦激光束62a更短的脉冲间隔。

图9示出了图1所示的锁相放大器的详细配置。

即使在极端噪声的环境中，锁相放大器90也可以解调来自响应信号的幅度和相位信息。参考图9，锁相放大器90可以包括解调器96和低通滤波器98。

锁相放大器90可以接收光电检测器92的输出信号(PD信号)作为输入信号，以及调制频率f0的参考信号。参考信号可以具有与PD信号的相位差，该相位差对应于泵浦激光束62a和探测激光束62b之间的时间延迟。

解调器96可以用f0的参考信号来解调光电检测器92的输出信号(PD信号)。

低通滤波器98可以使由解调器96解调的信号的低频带通过。低通滤波器98可以去除高频带中的噪声。因此，锁相放大器90可以提取检测到的信号的准确的幅度和相位信息。

使用这样的配置，根据本发明的实施例的用于3D打印过程的基于飞秒激光的超声波测量设备和配备有该设备的3D打印系统可以执行测量，以按高空间测量分辨率实时地进行产品缺陷检测和材料特性估计。因此，可以提高3D打印过程的控制精度和质量。

另外，由于本发明可以在3D打印过程期间执行在线缺陷检测和物理性能估计，因此可以提供实时反馈控制，以在3D打印过程期间尽早处置或提高产品质量。因此，可以提高3D打印过程的效率。

以上是对示例实施例的说明且不应被解释为对其的限制。虽然已经描述了几个示例实施例，但是本领域的技术人员将容易地理解，在实质上不脱离本发明的新颖教义和优点的情况下，在示例实施例中可以进行许多修改。因此，所有这些修改旨在被包括在如在权利要求书中所限定的本发明的范围内。