專利名稱：打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及快速成形制造裝置技術(shù)，具體為一種基于微噴堆積成形 與激光掃描燒結(jié)成形技術(shù)于一體的打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭，特別適 用于復(fù)雜形狀的非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造方法和裝置使用，國際專利主分類號
擬為Int. CI. B05B13/00 (2006. 01) I。
背景技術(shù)：
科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進步，對各類零件的性能從多方面提出了更高的要 求，通常以單一 (均勻)材料構(gòu)成的零件不能滿足各類近乎苛刻的使用條 件。日本科學(xué)技術(shù)廳航空宇宙研究所于1987年提出了功能梯度材料 (Functionally Graded Materials, FGMs)的概念，即多種材料的組分或 結(jié)構(gòu)連續(xù)過渡，可同時具備幾種不同材料的優(yōu)良性能。而傳統(tǒng)的材料制備方 法只能形成梯度方向分布單一、形狀簡單的實體，比如沉積成形、氣相沉 積、離心澆注等。快速成形(Rapid Prototyping)技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了制 造科學(xué)上制造理論的突破，根本有別于傳統(tǒng)的制造方法，比如去除成形、受 迫成形，而是基于離散/堆積原理，將三維CAD模型沿一定方向分解、 一定 厚度分解成不連續(xù)的層片，得到一系列的截面數(shù)據(jù)。根據(jù)各種工藝各自的工 藝要求，通過合理的工藝規(guī)劃，生成控制成形的運動軌跡。在堆積過程中， 成形工具在運動軌跡的控制下，加工出層片，并將新生成的層片與己成形部 分堆積、連接，層片生成與堆積連接過程循環(huán)往復(fù)，直至整個構(gòu)件加工完 成。此技術(shù)有望實現(xiàn)具有復(fù)雜形狀及復(fù)雜組分分布的非均質(zhì)(包括不同材料 組分的漸變和突變)功能構(gòu)件的制造，比如
1.基于激光燒結(jié)的快速成形技術(shù)。此技術(shù)通過激光融化金屬或陶瓷粉末 來制造三維實體，比如J印son等人的《激光選擇燒結(jié)制造功能梯度材料》 (L. Jepson， J. J. Beaman， D. L Bourell,' and K. L. Wood, 'SLS Processing of Functionally Gradient Materials, ， pp.67 -79, in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium, Edited by D.
Bourell. The University of Texas, Austin, 1997.)文獻介紹了一種多 材料選擇性燒結(jié)技術(shù)(M2SLS)。該技術(shù)存在梯度過渡不連續(xù)的問題； Fessler等人的《形狀沉積法制造金屬功能梯度材料》(J. Fessler， A. Nickel, G. Link, and F. Prinz， ^Functional Gradient Metallic Prototypes Through Shape'Deposition Manufacturing, ， pp. 521-8 in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium, Edited by D. L Bourell. The University of Texas, Austin, 1997.)文獻介紹了的形狀 沉積制造方法(Shape D印osition Manufacturing)，禾卩Morvan等人的《通 過透鏡制造非均質(zhì)調(diào)速輪》(S. Morvan， G. M. Fadel， J. Love, and D. Keicher, ^Manufacturing of a Heterogeneous Flywheel on a LENS Apparatus, ' pp.553 - 60 in the Proceedings of the 12th Annual SFF Symposium, Edited by D. L BourelL The University of Texas, Austin, 2001.)文獻介紹了激光工程凈成形(Laser Engineered Net Shaping)等技術(shù)。該技術(shù)雖可實現(xiàn)一種材料到另一種材料的連續(xù)過渡，但 精度較低，距離實際要求有很大差距。
2.基于噴/擠口的快速成形技術(shù)。該技術(shù)可分為單口快速成形和多口快 速成形。單口快速成形可在材料噴/擠出之前形成不同比例的混合以形成梯 度材料。此方法材料的混合滯后性嚴(yán)重，且效率偏低；多口快速成形可由不 同的噴嘴/口分別擠出不同的材料以形成梯度分布，但該技術(shù)仍受到噴嘴/口 個數(shù)的限制，成形效率并不能得到明顯提高。
3.基于微滴噴射的快速成形技術(shù)。由于采用了微納制造技術(shù)，因此可 使微滴噴射的每個噴頭上的噴孔數(shù)量大大增多，效率和精度都得到明顯改 善。不過該技術(shù)仍存在一定的局限性，比如美國專利US5204055號公開的 一種粉末材料選擇性粘結(jié)技術(shù)(3D Printing)，所打印的介質(zhì)為結(jié)合劑， 如果松散在打印臺上的成形粉末只有一種，那么它只能制備多孔材料，而 不能實現(xiàn)一種材料到另一種材料的過渡；美國專利US6165406號提出了一種 彩色三維噴墨打印快速成形技術(shù)。該技術(shù)使用一種能在一定條件下固化的 液態(tài)成形材料液滴成形三維零件，材料中包括一種基體材料和各種不同的 著色劑，著色劑可以在基體材料液滴沉積之前、同時或之后加入到基體材 料中。通過應(yīng)用半色調(diào)技術(shù)和色彩合成技術(shù)實現(xiàn)彩色零件的成形。這種技
術(shù)可以實現(xiàn)三維模型在顏色上的復(fù)雜梯度分布，但并不能實現(xiàn)真正意義上 的非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造。
以上所述的非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造方法和裝置采用的都是單一技術(shù)，或 激光、或噴墨、或微滴，在實踐中并不能真正意義上的非均質(zhì)功能構(gòu)件的 制造。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計一種打印 噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭，該組合頭把打印噴頭和激光頭有效組配為一 體，結(jié)構(gòu)簡單，實施容易，使用方便，特別適用于制造三維的非均質(zhì)功能構(gòu) 件。
本實用新型解決所述組合頭技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計一種打印噴頭 與激光頭構(gòu)成的組合頭，其特征在于所述的組合頭為一體化制造的組合頭； 組合頭的組合方式包括打印噴頭—激光頭并排組合的并列式結(jié)構(gòu)和激光頭一 打印噴頭一激光頭并排組合的夾芯式結(jié)構(gòu)；所述的組合頭包括一體頭本體和 與之光纖連接的附屬部件，所述一體頭本體包括打印噴頭、激光頭和把這兩 者組合為一體的夾具；所述打印噴頭采用壓電薄片式打印噴頭，包括進墨 口、出墨口、打印噴頭電路接口、噴孔板、固定座、壓電晶體和液體腔，所 述壓電晶體按設(shè)計數(shù)量配裝，并嵌入打印頭的固定座中，壓電晶體與壓電晶 體之間的間隙構(gòu)成液體腔，液體腔的前端與噴孔板上的噴孔相通，液體腔的 后端與進墨口和出墨口相通，并且壓電晶體與打印噴頭尾部的電路接口相 連，所述夾具安裝在固定座的下面，并將打印噴頭與激光頭組配為一體；所 述激光頭包括光纖、微透鏡、透鏡支架、條形蓋板、矩形蓋板和光纖座，所 述光纖的輸出端固化在由矩形蓋板和光纖座組成的盒體中，矩形蓋板覆蓋在 光纖座上，所述微透鏡固定在透鏡支架上，透鏡支架安裝在光纖座的中間位 置上，或者安裝在光纖座的前端位置上，微透鏡對光纖輸出的激光束進行準(zhǔn) 直或會聚，并能夠在工作面上形成一維或二維的光斑陣列；所述的附屬部分 包括激光器、耦合器和激光頭電器接口，所述激光頭電器接口安裝在激光器 的后面，耦合器安裝在激光器的前面，耦合器的輸出端與所述光纖的輸入端 連接；所述的激光器包括氣體激光器、液體激光器和固體激光器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型組合頭由打印噴頭與激光頭有效組配構(gòu) 成，可以同時實施微噴堆積成形與激光掃描燒結(jié)成形技術(shù)，特別適用于非均 質(zhì)功能構(gòu)件的制造，并具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，使用方便，適用范圍廣等 特點。


圖1為本實用新型組合頭一種實施例的打印噴頭和激光頭的組合排列方 式示意圖其中，圖l(a)為并列式排列結(jié)構(gòu)，適用于激光單向掃描；圖l(b) 為夾芯式排列機結(jié)構(gòu)，適用于激光雙向掃描；
圖2為本實用新型組合頭一種實施例的單頭單列式打印噴頭中的噴孔與 單頭單列式激光頭中相應(yīng)光纖孔的一一對應(yīng)情況示意圖3本實用新型組合頭一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖4為本實用新型組合頭圖3實施例的整體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖5本實用新型組合頭另一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖6為本實用新型組合頭圖5所述實施例的整體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型。實施例是以本實用新型 技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本實用新型 權(quán)利要求的保護范圍不限于下述的實施例。
本實用新型設(shè)計的打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭(簡稱組合頭，參見 圖l一6)的組合方式可以是簡單的"捆綁式"結(jié)合，也可采用一體化制 造。 一體化制造的打印噴頭與激光頭組合頭，可稱為打印激光一體頭(簡稱 一體頭)。本實用新型以相對復(fù)雜的一體頭做實施例來詳細說明。
本實用新型打印噴頭與激光頭的組合排列方式有兩種 一種為打印噴頭
與激光頭并列式結(jié)構(gòu)；另一種為激光頭一打印噴頭一激光頭的夾芯式機結(jié)構(gòu) (參見圖l)。前者適于激光單向掃描;后者適于激光雙向掃描。
本實用新型所述一體頭的激光頭包括設(shè)計要求個數(shù)的激光器，排列方式 和位置與打印噴頭一致，并要保證在掃描過程中相應(yīng)打印噴頭噴孔和激光頭 中光纖孔處在一條直線上。激光頭的功率要與打印噴頭噴出的所述組分材料的成形溫度相匹配(參見圖2。圖2所示為單頭單列式打印噴頭和激光頭中 每種墨水的噴孔與相應(yīng)功率光纖孔的一一對應(yīng)情況；其他方式的對應(yīng)情況以 此類推)。
本實用新型打印噴頭中的噴孔與激光頭中的光纖孔一一對應(yīng)，或者說打 印噴頭中的噴孔分布情況與激光頭中的光纖孔分布情況對應(yīng)一致(參見圖 2)。當(dāng)本實用新型組合頭用于非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造時，工藝要求所述光 纖孔中的激光功率與所述噴孔中相應(yīng)材料組分墨水的反應(yīng)固化溫度相匹配； 同時要求不同功率激光的光斑范圍(直徑)與相應(yīng)材料組分墨水的單個液滴 在打印基體上的鋪展范圍(直徑)相匹配。
本實用新型所述一體頭采用一體化方式設(shè)計和制造，適用于小型化、高 精度等功能需要。根據(jù)激光器體積大小的不伺，本實用新型一體頭的實施例 包括尾纖型一體頭和一體型一體頭兩種類型，但它們的結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)區(qū)別。 所述一體型一體頭(參見圖5、 6)適用于較小體積的激光器(如半導(dǎo)體激 光器，包括InGaAsP/InP系半導(dǎo)體激光器1100 — 1600咖；InGaAs/GaAs系 半導(dǎo)體激光器890 — 1100 nm; Al (In) GaAs/GaAs系半導(dǎo)體激光器780 — 870 mn; GalnP/GaAs系半導(dǎo)體激光器等)使用。其特征結(jié)構(gòu)是包括打印噴 頭2、激光頭3和把這兩者組合為一體的夾具23;打印噴頭2采用壓電薄片 式打印噴頭，包括進墨口 22、出墨口 24、打印噴頭電路接口 25、噴孔板 26、固定座27、壓電晶體28和液體腔29等，其結(jié)構(gòu)特征是在打印頭2的固 定座27中嵌入設(shè)計數(shù)量的壓電晶體28，壓電晶體28與壓電晶體28之間的 間隙構(gòu)成液體腔24,液體腔24的前端與噴孔板26上的噴孔21相通，液體 腔24后端與進墨口 22和出墨口 24相通，并且壓電晶體28與打印噴頭尾 部的電路接口 25相連，所述夾具23安裝下固定座27的下面，并將打印噴 頭2與激光頭3組配為一體；所述激光頭3包括光纖32、微透鏡33、透鏡 支架34、矩形蓋板36、半導(dǎo)體激光器38、耦合器37、激光頭電器接口 39 和光纖座310，所述光纖32、半導(dǎo)體激光器38、耦合器37和激光頭電器接 口 39都集成在由矩形蓋板36和光纖座310組成的盒體中，矩形蓋板36覆 蓋在光纖座310上，所述微透鏡33固定在透鏡支架34上，并緊挨光纖32 的輸出端，透鏡支架34安裝在光纖座310的前端，也可固化在光纖座310 的中間位置上(參見圖3、 4)，微透鏡33對光纖32輸出的激光束進行準(zhǔn)
直或會聚，并能夠在工作面上形成一維或二維的光斑陣列；所述激光頭電器 接口 39安裝在半導(dǎo)體激光器38的后面，耦合器37安裝在半導(dǎo)體激光器38 的前面，耦合器37的輸出端與光纖32的輸入端連接。所述光纖的內(nèi)直徑為 0.5 — 600 um;所述激光頭的激光掃描方式包括連續(xù)式和脈沖式，掃描速度 為0.001 — 10 m/s，激光掃描波長為20—5000 nm，激光掃描功率為0. l — 2000 W;激光掃描光斑直徑為O. 1 — 500 um。
尾纖型一體頭(參見圖3、 4)適于較大體積激光器使用，其結(jié)構(gòu)特征是 它包括一體頭本體和與之光纖連接的附屬部件兩個部分，所述一體頭本體包 括打印噴頭2、激光頭3和把這兩者組合為一體的夾具23;打印噴頭2采用 壓電薄片式打印噴頭，包括進墨口 22、出墨口 24、打印噴頭電路接口 25、 噴孔板26、固定座27、壓電晶體28和液體腔29等，其特征結(jié)構(gòu)是在打印頭 2的固定座27中嵌入設(shè)計數(shù)量的壓電晶體28，壓電晶體28與壓電晶體28 之間的間隙構(gòu)成液體腔24，液體腔24的前端與噴孔板26上的噴孔21相 通，液體腔24的后端與進墨口 22和出墨口 24相通，并且壓電晶體28與尾 部的打印噴頭電路接口 25相連，所述夾具23安裝在固定座27的下面，并 將打印噴頭2與激光頭3組配為一體；所述激光頭3包括光纖32、微透鏡 33、透鏡支架34、條形蓋板35、矩形蓋板36和光纖座310，所述光纖32 的輸出端固化在由矩形蓋板36和光纖座310組成的盒體中，矩形蓋板36覆 蓋在光纖座310上，所述微透鏡33固定在透鏡支架34上，透鏡支架34安 裝在光纖座310之中間位置上，或者安裝在光纖座310的前端位置上(參見 圖5、 6)，微透鏡33對光纖32輸出的激光束進行準(zhǔn)直或會聚，并能夠在 工作面上形成一維或二維的光斑陣列。所述光纖的內(nèi)直徑為0.5 — 600 Um;所述激光頭的激光掃描速度為O.OOl — lO m/s，激光掃描波長為20 — 5000 nm，激光掃描功率為0. 1—2000 W;激光掃描光斑直徑為0.1 — 500 m。
本實用新型所述的尾纖型一體頭適用于較大體積的激光器。所述體積較 大的激光器包括氣體激光器(包括He-Ne激光器543 nm、 632.8 nm、 1150 nm、 3390 nm; C(V激光器10600 nm; Ar激光器488 nm、 514.5 nm; N2激 光器337. 1 mn、 357.7 nm、 315.9 nm; He激光器2600 —3000 nm等)、液 體激光器(包括波長連續(xù)可調(diào)的燃料激光器等)和固體激光器(包括Er激
光器YAG 2940 nm; Ho激光器YAG 2070 nm; Nd激光器YAG 1064 nm; Ti 激光器:Sapphire 660 — 1180 nm等)。很顯然，體積較大的激光器不便與 激光頭的其他部件集成在一起，因此在尾纖型一體頭的本體內(nèi)并不包括激光 器38、耦合器37、激光頭電器接口 39等部件，而是把它們安裝在一體頭本 體或盒體之外，構(gòu)成一體頭的附屬部分(參見圖3、 4);但附屬部分的組 成與連接方式與所述一體型一體頭的對應(yīng)部分完全一致，或者說，兩種類型 一體頭的組成和連接方式完全一致，區(qū)別僅在于安裝位置有所不同。具體 說，尾纖型一體頭的附屬部分也包括耦合器37、激光器38和激光頭電器接 口 39等零件，所述激光頭電器接口 39安裝在激光器38的后面，耦合器37 安裝在激光器38的前面，耦合器37的輸出端與所述光纖32的輸入端連接 (參見圖3、 4)。雖然所述的尾纖型一體頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計適用于較大體積的 激光器，但其結(jié)構(gòu)同樣也適用于較小體積的激光器。換言之，所述一體型一 體頭的結(jié)構(gòu)就是把尾纖型一體頭的附屬部分集成進由矩形蓋板36和光纖座 310組成的盒體中，而集成的必要條件就是選用半導(dǎo)體激光器。
需要補充說明的是，本實用新型結(jié)構(gòu)所述的"前面、后面"等零部件的 安裝方位詞是依據(jù)實施例圖示的位置而言，只具有相對性，或者僅是為了清 楚敘述方便，不代表該安裝位置的唯一性和必須性。本實用新型裝置的實施 例完全可以根據(jù)需要做非本質(zhì)的適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和變化。 本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1. 一種打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭，其特征在于所述的組合頭為一體化制造的組合頭；組合頭的組合方式包括打印噴頭—激光頭并排組合的并列式結(jié)構(gòu)和激光頭—打印噴頭—激光頭并排組合的夾芯式結(jié)構(gòu)，并且打印噴頭中的噴孔與激光頭中的光纖孔一一對應(yīng)；所述的組合頭包括一體頭本體和與之光纖連接的附屬部件，所述一體頭本體包括打印噴頭、激光頭和把這兩者組合為一體的夾具；所述打印噴頭采用壓電薄片式打印噴頭，包括進墨口、出墨口、打印噴頭電路接口、噴孔板、固定座、壓電晶體和液體腔，所述壓電晶體按設(shè)計數(shù)量配裝，并嵌入打印頭的固定座中，壓電晶體與壓電晶體之間的間隙構(gòu)成液體腔，液體腔的前端與噴孔板上的噴孔相通，液體腔的后端與進墨口和出墨口相通，并且壓電晶體與打印噴頭尾部的電路接口相連，所述夾具安裝在固定座的下面，并將打印噴頭與激光頭組配為一體；所述激光頭包括光纖、微透鏡、透鏡支架、條形蓋板、矩形蓋板和光纖座，所述光纖的輸出端固化在由矩形蓋板和光纖座組成的盒體中，矩形蓋板覆蓋在光纖座上，所述微透鏡固定在透鏡支架上，透鏡支架安裝在光纖座的中間位置上，或者安裝在光纖座的前端位置上，微透鏡對光纖輸出的激光束進行準(zhǔn)直或會聚，并能夠在工作面上形成一維或二維的光斑陣列；所述的附屬部分包括激光器、耦合器和激光頭電器接口，所述激光頭電器接口安裝在激光器的后面，耦合器安裝在激光器的前面，耦合器的輸出端與所述光纖的輸入端連接；所述的激光器包括半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、液體激光器和固體激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭，其特征在 于所述的附屬部分包括激光器、耦合器和激光頭電器接口也集成安裝在所述 的一體頭本體內(nèi)，且所述的激光器為半導(dǎo)體激光器。
專利摘要本實用新型涉及一種打印噴頭與激光頭構(gòu)成的組合頭，其特征在于組合頭為一體化制造，組合方式包括打印噴頭-激光頭并排組合的并列式和激光頭-打印噴頭-激光頭并排組合的夾芯式，并且打印噴頭中的噴孔與激光頭中的光纖孔一一對應(yīng)；組合頭結(jié)構(gòu)包括一體頭本體和與之光纖連接的附屬部件，一體頭本體包括打印噴頭、激光頭和把這兩者組合為一體的夾具；打印噴頭采用壓電薄片式打印噴頭，激光頭的光纖輸出端固化在由矩形蓋板和光纖座組成的盒體中，微透鏡固定在透鏡支架上，微透鏡對光纖輸出的激光束進行準(zhǔn)直或會聚，并能夠在工作面上形成一維或二維的光斑陣列；附屬部分包括依次連接的耦合器、激光器和激光頭電器接口；耦合器的輸出端與所述光纖的輸入端連接。本實用新型組合頭適用于非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造。
文檔編號B41J2/01GK201211731SQ20082007535
公開日2009年3月25日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者徐安平, 曲云霞, 朱東彬, 郭艷華 申請人:河北工業(yè)大學(xué)