無振鏡鋪粉式激光3d打印機的制作方法
【專利摘要】一種無振鏡鋪粉式激光3D打印機。本實用新型采用“飛行光路”系統(tǒng)取代振鏡系統(tǒng)實現(xiàn)激光熔化或燒結(jié)粉末成形。其方案是，在成形工作缸上方采用X軸和Y軸聯(lián)動的高精度運動機構(gòu)，并形成光束傳輸準(zhǔn)確的飛行光路，使激光束對成形平面進(jìn)行精確的x?y二維平面掃描。激光掃描機構(gòu)由X軸和Y軸運動部件、工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路一起構(gòu)成，位于在鋪粉體上方，其運動不與鋪粉動作發(fā)生干涉；飛行光路上激光束在與成形平面平行的平面內(nèi)經(jīng)過2次垂直轉(zhuǎn)向，到達(dá)工作頭頂部后轉(zhuǎn)向z軸方向聚焦、照射到成形平面上。本專利的“飛行光路”系統(tǒng)容易控制大幅面掃描尺寸誤差；當(dāng)激光功率高時，仍可進(jìn)行快速掃描；“飛行光路”系統(tǒng)價格遠(yuǎn)低于振鏡系統(tǒng)。
【專利說明】
無振鏡鋪粉式激光3D打印機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及一種零件成形制造設(shè)備，具體地說，是涉及一種鋪粉式激光3D打印機。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印(增材制造)工藝被認(rèn)為是一種革命性的制造方法，正受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，越來越多的3D打印方法及其設(shè)備被研發(fā)出來。各種3D打印工藝的成形原理各不相同，所用的材料也各不相同，因而3D打印工藝涉及多種金屬與非金屬材料，成形材料的原始狀態(tài)也有多種。有固態(tài)的粉狀、絲狀和薄片狀的金屬與非金屬材料，也有液態(tài)的光敏樹脂等。對于粉狀材料而言，既可能是金屬，也可能是非金屬(如石膏、陶瓷等)，適用的3D打印工藝主要有激光熔覆、激光選區(qū)熔化、激光選區(qū)燒結(jié)和噴墨式3D打印。其中激光選區(qū)熔化、激光熔化燒結(jié)和噴墨式3D打印(即過去定義的3D打印)采用鋪粉方式供粉。鋪粉式3D打印的制件尺寸精度較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因而，鋪粉式3D打印更受人們歡迎，特別是用于中小零件的制造。所以，鋪粉式3D打印發(fā)展勢頭較好。
[0003]在鋪粉式3D打印過程中，如果粉末需要熔化或者燒結(jié)，如激光選區(qū)熔化(SLM)和激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)，那么必須采用激光器作為能源，利用其激光束掃描工作缸中的粉末，以實現(xiàn)粉末的選區(qū)熔化或燒結(jié)。激光束從激光器出來后到達(dá)粉末表面并進(jìn)行掃描動作，需要一個傳輸和運動機構(gòu)(即掃描機構(gòu))。目前，國內(nèi)外普遍采用的是振鏡系統(tǒng)，例如美國3DSystem公司和國內(nèi)濱湖機電公司的SLS 3D打印機以及德國EOS公司和SLM Solut1n公司的SLM金屬3D打印機。這種采用振鏡系統(tǒng)的3D打印機，因為存在光束偏轉(zhuǎn)角，掃描的線速度需要通過復(fù)雜的函數(shù)計算，進(jìn)行大幅面掃描時容易形成較大的尺寸誤差；當(dāng)激光功率高時，要求振鏡尺寸加大，導(dǎo)致振鏡重量增大、運動慣性增大，不利于快速掃描;另外，振鏡系統(tǒng)的軟硬件要求相當(dāng)高，制作成本也較高，從而增加了 3D打印的設(shè)備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本實用新型采用“飛行光路”系統(tǒng)取代振鏡系統(tǒng)進(jìn)行激光束對鋪置粉末的掃描，實現(xiàn)熔化或燒結(jié)成形，可以避免振鏡偏轉(zhuǎn)角對掃描精度和幅面的限制，也可以降低3D打印成本。
[0005]本實用新型解決問題的方案是:在成形工作缸上方采用X軸和Y軸聯(lián)動的高精度運動機構(gòu)，并形成光束傳輸準(zhǔn)確的飛行光路，使激光束對成形工作平面進(jìn)行精確的x-y 二維平面掃描，逐層熔化或燒結(jié)粉末，實現(xiàn)3D打印。采用的X軸和Y軸運動部件精度高、重量輕，與輕巧的工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路一起構(gòu)成一個二軸聯(lián)動的高精度的掃描機構(gòu)；激光束從激光頭發(fā)出后，在一個與工作平面平行的平面內(nèi)經(jīng)過2次垂直轉(zhuǎn)向，到達(dá)工作頭頂部，再經(jīng)過垂直向下轉(zhuǎn)向后沿z軸方向聚焦、照射到工作平面上;掃描機構(gòu)的X軸和Y軸運動部件以及工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路都設(shè)置在鋪粉體的上方，它們的運動不與鋪粉動作發(fā)生干涉。與X軸和Y軸運動部件、工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路相關(guān)的運動參數(shù)，以及形成的負(fù)載和慣性，必須確保滿足3D打印對掃描速度和精度的要求;激光束每次經(jīng)過反射鏡后在確定的平面內(nèi)轉(zhuǎn)向的角度均為90度，嚴(yán)格控制其誤差，以確保激光束對工作平面的掃描精度;工作頭的位置高度由鋪粉體的高度、工作過程中產(chǎn)生的煙、氣、渣以及氣體循環(huán)狀況決定，聚焦鏡的焦距應(yīng)確保激光束焦點在工作平面附近。
[0006]打印制件各層時的掃描運動是，z軸先下降I個層厚的高度，鋪粉體進(jìn)行鋪粉，“飛行光路”系統(tǒng)按照計算機指令使工作頭在x-y平面內(nèi)運動，激光束掃描成形工作面內(nèi)的粉末，完成熔化或燒結(jié)等，形成制件的I層，然后z軸下降，開始新的I層的打印。
[0007]本專利由振鏡系統(tǒng)改為“飛行光路”系統(tǒng)，因為不存在光束偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)行大幅面掃描時尺寸誤差容易控制；當(dāng)激光功率高時，光路上的反射鏡相對增大不多，對系統(tǒng)慣性影響不大，還可以進(jìn)行快速掃描；“飛行光路”系統(tǒng)的運動機構(gòu)部件、工作頭、光學(xué)部件等價格之和遠(yuǎn)低于振鏡系統(tǒng)，從而降低了 3D打印零件的成本。
【附圖說明】
[0008]圖1為無振鏡鋪粉式激光3D打印機示意結(jié)構(gòu)主視圖；圖2為無振鏡鋪粉式激光3D打印機示意結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0009]圖1和/或圖2中I為成形工作缸，2為激光束，3為工作頭，4為X軸運動機構(gòu)，5為y軸運動機構(gòu)，6為鋪粉體，7為供粉機構(gòu)，8為工作頭頂部的x-z反射鏡，9為X軸橫梁右端y-x反射鏡，1為近入射窗口 x-y反射鏡，11為密封箱，12為激光束入射窗口，13激光頭，14操作顯示器，15控制柜，16為氣體循環(huán)過濾系統(tǒng)。X軸運動機構(gòu)4及其上的工作頭3、反射鏡9等為y軸運動機構(gòu)5的負(fù)載，通過橫梁與y軸運動機構(gòu)5的運動體連接。
【具體實施方式】
[0010]結(jié)合圖1和圖2，具體說明一下實施方式。
[0011]在3D打印過程中，在計算機控制下，激光頭13發(fā)出激光束2后，經(jīng)過窗口12進(jìn)入密封箱11，被反射鏡10反射后，方向由X軸方向轉(zhuǎn)變?yōu)閥軸方向，到達(dá)X軸橫梁右端的反射鏡9后，激光束傳輸方向又轉(zhuǎn)變?yōu)閄軸方向，前行到達(dá)工作頭頂部的反射鏡8后，改變方向沿z軸垂直向下，經(jīng)過工作頭3內(nèi)的聚焦鏡聚焦后，到達(dá)成形工作面，照射3D打印的粉末，使之熔化或燒結(jié)；同時，根據(jù)計算機規(guī)劃的掃描路徑，y軸運動機構(gòu)5驅(qū)動X軸運動機構(gòu)4及其上的工作頭3、反射鏡8、反射鏡9等進(jìn)行y軸方向的運動(此時激光束在y軸方向上的光程隨反射鏡9的運動而變化)，x軸運動機構(gòu)4驅(qū)動工作頭3及其上的反射鏡8做X軸方向的運動(此時激光束在X軸方向上的光程也隨隨反射鏡8的運動而變化)，這兩個方向的運動合成即是工作頭3的實際運動，形成了激光束的掃描軌跡。
【主權(quán)項】
1.一種鋪粉式激光3D打印機，其特征是:在成形工作缸上方采用X軸和Y軸聯(lián)動的高精度運動機構(gòu)，并形成光束傳輸準(zhǔn)確的飛行光路，使激光束對成形工作平面進(jìn)行精確的x-y 二維平面掃描，逐層熔化或燒結(jié)粉末。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋪粉式激光3D打印機，其特征還有:X軸和Y軸運動部件與工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路一起構(gòu)成一個2軸聯(lián)動的高精度的激光束掃描機構(gòu)，其運動參數(shù)以及形成的負(fù)載和慣性，必須確保滿足3D打印對掃描速度和精度的要求。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋪粉式激光3D打印機，其特征還有:激光束從激光頭發(fā)出后，在一個與工作平面平行的平面內(nèi)經(jīng)過2次精確的垂直轉(zhuǎn)向，到達(dá)工作頭頂部，再經(jīng)過精確的垂直向下轉(zhuǎn)向后沿z軸方向聚焦、照射到工作平面上，光束每次轉(zhuǎn)向的角度誤差必須保持在滿足3D打印對掃描速度和精度的要求的范圍內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋪粉式激光3D打印機，其特征還有:掃描機構(gòu)的X軸和Y軸運動部件以及工作頭、光學(xué)部件及其冷卻與保護(hù)管路都設(shè)置在鋪粉體的上方，其運動不與鋪粉動作發(fā)生干涉，其中工作頭中的聚焦鏡的焦距應(yīng)確保激光束焦點在工作平面附近。
【文檔編號】B22F3/105GK205601171SQ201620069006
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月25日
【發(fā)明人】劉繼常
【申請人】長沙嘉程機械制造有限公司