CN106696263B - 一种3d打印激光结烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印激光结烧器，属于3D打印配件领域。本发明的一种3D打印激光结烧器，包括由下至上顺序连接的激光发生部，光束调节部和结烧头，所述光束调节部包括滤光模块，所述滤光模块通过角度调节模块与光束扩展棱镜相连。本发明的一种3D打印激光结烧器具有增加激光光束的光照面积，同时能够在光源出对光源的照射角度进行调整，降低对控制器移动速度、移动距离精确度的要求，能够更加灵活的对非规则平面进行结烧，降低使用成本，利于选择性激光加工大面积推广和应用的特点。

Description

一种3D打印激光结烧器

技术领域

本发明涉及一种烧结器，特别是一种3D打印激光结烧器。

背景技术

3D 打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。目前典型的快速成型的方法有：光固化立体造型SLA(StereoLithography Apparatus)、分层物件制作LOM(Laminated ObjectManufacturing)、选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)和熔融沉积造型FDM(Fused Deposition Modeling)等。

选择性激光加工(SLS)又称选区激光烧结，是以CO₂激光器为能源，利用计算机控制红外激光束对非金属粉末、金属粉末或复合物的粉末薄层，以一定的速度和能龟密度按分层面的二维数据进行扣描烧结，层层堆积，最后形成成形件。由于SLS工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，成为当前发展最快、最为成功的且已经商业化的RP方法之一，在现代制造业得到越来越广泛的重视。

现有的选择性激光加工装置由粉末缸、成型缸、激光器、计算机控制系统四部分组成。工作时，粉末缸活塞上升，先在基体上用滚筒均匀铺上一薄层金属粉末，并将其加热至略低于材料熔点，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。然后，激光束在计算机控制光路系统的精确引导下，按照零件的分层轮廓有选择地进行烧结，使材料粉末烧结或熔化后凝固形成零件的一个层面，没有烧过的地方仍保持粉末状态，并可作为有悬臂的微结构下一层烧结的支撑。烧结完一层后，基体下移一个截面层厚，铺粉系统铺设新粉，计算机控制激光束再次扫描进行下一层的烧结。如此循环，层层叠加，就得到三维零件。最后，将未烧结的粉末回收至粉末缸中，取出成型件，再进行打磨、烘干等后处理工艺，最终形成满足要求的原形或制件。

但是现有的选择性激光加工装置仅通过计算机来控制激光的光路，通过计算机控制反射镜的翻转角度和翻转速度来实现对光路的控制，如专利号CN201310060577.7，发明名称：一种3D激光快速成型机，公开对光路的控制为光源控制器，同样是单纯靠计算机进行控制，这样的控制方法虽然快速有效，但是在精度上会有一定的偏差。激光光束的光照面积极小，需要在移动速度、移动距离上进行精准的控制，对控制反射镜翻转的控制器的稳定性要求极高，但是往往这样的高精度很难达到，容易出现重复结烧的现象，重复结烧会导致成品与预设产品之间的差异，更甚者可能会破坏材料而致使生产失败；这样的高精度设备不仅在生产上具有一定难度，生产成本奇高，同时维护成本、使用成本也很高，这样的装置并不利于选择性激光加工的大面积推广和应用。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种增加激光光束的光照面积，同时能够在光源出对光源的照射角度进行调整，降低对控制器移动速度、移动距离精确度的要求，能够更加灵活的对非规则平面进行结烧，降低使用成本，利于选择性激光加工大面积推广和应用的3D打印激光结烧器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种3D打印激光结烧器，包括由下至上顺序连接的激光发生部，光束调节部和结烧头，所述光束调节部包括滤光模块，所述滤光模块通过角度调节模块与光束扩展棱镜相连。

由于采用了上述技术方案，将光束进行调节后，包括对光束的照射角度、光强度、辐射面积等进行调节后，再将激光输出，使得激光能够获得更佳的照射角度，降低激光输出后再经过控制器调节的难度，从而降低对控制器移动速度、移动距离精确度的要求，通过滤光模块能够对激光的波长进行筛选，从而针对不同的待结烧平面选择更加适合的波段，光束调节部能够更加灵活的对光角度、光强度、辐射面积进行调节，从而在对非规则平面结烧时，能够大大避免重复结烧，保证生产的稳定性。

本发明的一种3D打印激光结烧器，所述角度调节模块包括由左挡板，右挡板，上转板和下转板围成的调节区，所述调节区内设有两个沿竖直方向相对设置的转子，所述转子中部设有通孔，所述通孔的两端孔径大小不同，分别为大孔端和小孔端，所述左挡板和右挡板内表面均设有若干凹槽，所述左挡板和右挡板通过凹槽将转子夹持，所述上转板和下转板设有透光孔，所述透光孔与小孔端连通，所述上转板和下转板能够以中点为中心摆动，所述通孔内壁均由反光材料制成。

由于采用了上述技术方案，角度调节模块通过两个转子相对角度不同程度的转动，对光照射角度进行小角度的调整，经过小角度调整后再经扩束后，光束的发散角得到增加后，最终射出的激光再经过出口处的调整，最终在结烧头处进行偏振等调整，最终保证射出光能够完美适应待结烧表面。

角度调节模块采用上述结构，能够通过上转板和下转板的摆动从而带动转子的转动，转子后，通孔路径发生变化，从而使得光路发生变化，采用这样的调整结构，在对上转板和下转板的精度控制要求度较低，在出现一定范围的摆动幅度偏差，仍然能够使光路按照既定的路线发射出去。

本发明的一种3D打印激光结烧器，所述上转板和下转板的摆动幅度为0~7°。

由于采用了上述技术方案，角度调节模块仅仅是对光路角度进行初步的调整，将上转板和下转板的摆动幅度较小，使得在初调阶段光路的偏转角度范围较小，若在初调阶段光路的偏转角度范围较大，则会导致后续的调整配件需要配合较大的范围进行更大自由度和精度的调整配合，上转板和下转板的范围控制在0~7°，光路初调的范围达到0~14°，这已经是较为合适的初调范围。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述光束扩展棱镜内掺杂有CaF₂和PbF₂，所述CaF₂的掺杂量为0.14g/100g，所述PbF₂的掺杂量为0.02g/100g。

由于才用了上述技术方案，在扩束棱镜中掺杂CaF₂和PbF₂，在激光经过扩束棱镜时，会激活Ca²⁺和Pb²⁺，具有良好的光谱和激光特性，能够实现连续的激光运转，现在的对连续激光，通常采用掺Yb氟化物，通过激活Yb来实现连续激光，而采用Ca和Pb作为激发离子，器光谱和激光特性与Yb离子相当，但成本较低。掺Yb离子的吸收峰在977nm附近，发射光谱分别对应于977，1011，1030和1046nm；而本发明掺Ca和Pb的吸收峰在983nm附近，发射光谱分别对应于983，1007，1024，1069nm，在性能上与掺Yb离子相当。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述光束扩展棱镜与角度调节模块间隔，所述光束扩展棱镜的长度等于光束调节部内径大小。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述结烧头包括光路腔室，所述光路腔室顶端与光束出口相连，所述光路腔室内部设有偏振分光镜和分光镜。

由于采用了上述技术方案，在烧结头内部设有分光镜和偏振分光镜，能够将经过扩束的光路分成多束偏振方向相反的光路，烧结头与整个激光烧结器的外壳连接方式为活动连接，烧结头能够以连接点为支点转动，烧结头转动即可调整光路出口方向，只需将烧结头的出口转动至对准待结烧处，结烧器内部偏振、角度一致的光路即可从出口处射出，进行结烧。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述偏振分光镜设于光路腔室中部，所述分光镜设于光路腔室的底部，所述偏振分光镜两侧设有滑轨，所述偏振分光镜能沿滑轨在竖直方向上运动。

由于采用了上述技术方案，偏振分光镜在竖直方向上运动，缩短或增加与分光镜之间的距离，而一些角度偏差过大的光路即可被自动过滤掉，从而减小误差范围，降低由于控制器精度而产生的偏差而需要的校准。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述偏振分光镜与分光镜之间的距离≥17mm。

本发明的一种3D打印激光烧结器，所述滤光模块包括滤光镜头，所述滤光镜头上设有若干滤光片，所述滤光镜头中部与滤光通道连通，所述滤光通道与下转板的透光孔连通，所述滤光通道两侧对称设有散射光反射镜，散射光反射镜表面为粗糙表面。

由于采用了上述技术方案，通过滤光模块能够调整激光强度和波段，从而针对不同的待结烧平面选择更加适合的波段和强度。本发明的一种3D打印激光烧结器，所述激光发生部包括激光器和增益谐振腔，所述增益谐振腔顶部设有出口，所述出口与滤光通道处于同一直线上，所述激光器包括半导体泵浦激光器和CO₂激光器。

由于采用了上述技术方案，传统的光源均采用CO₂激光器，半导体泵浦激光器输出的波长固定，在长时间对同一种待烧结表面上工作时，采用半导体泵浦激光器，能够提高光转效率，大大减少运行成本，半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、增加激光光束的光照面积，同时能够在光源出对光源的照射角度进行调整，降低对控制器移动速度、移动距离精确度的要求，能够更加灵活的对非规则平面进行结烧，降低使用成本，利于选择性激光加工大面积推广和应用。

2、能够将经过扩束的光路分成多束偏振方向相反的光路，烧结头与整个激光烧结器的外壳连接方式为活动连接，烧结头能够以连接点为支点转动，烧结头转动即可调整光路出口方向，只需将烧结头的出口转动至对准待结烧处，结烧器内部偏振、角度一致的光路即可从出口处射出，进行结烧。

3、降低对控制器移动速度、移动距离精确度的要求，通过滤光模块能够对激光的波长进行筛选，从而针对不同的待结烧平面选择更加适合的波段，光束调节部能够更加灵活的对光角度、光强度、辐射面积进行调节，从而在对非规则平面结烧时，能够大大避免重复结烧，保证生产的稳定性，本发明的激光结烧器，能够允许误差≤0.72%，具有较大范围的容错率。

附图说明

图1是一种3D打印激光结烧器。

图中标记：1为结烧头，11为光束出口，12为偏振分光镜，13为分光镜，14为光路腔室，15为滑轨，2为激光发生部，21为增益谐振腔， 3为角度调节模块，31为转子，32为左挡板，33为右挡板，34为上档板，35为下挡板，4为光束扩展棱镜，5为滤光模块，51为滤光通道，52为滤光镜头，53为散射光反射镜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种3D打印激光结烧器，包括由下至上顺序连接的激光发生部2，光束调节部和结烧头1，烧结头1与整个激光烧结器的外壳连接方式为活动连接，烧结头1能够以连接点为支点转动，光束调节部包括滤光模块5，滤光模块5通过角度调节模块3与光束扩展棱镜4相连。角度调节模块3包括由左挡板32，右挡板33，上转板34和下转板35围成的调节区，调节区内设有两个沿竖直方向相对设置的转子31，转子31中部设有通孔，通孔的两端孔径大小不同，分别为大孔端和小孔端，左挡板32和右挡板33内表面均设有若干凹槽，左挡板32和右挡板33通过凹槽将转子31夹持，上转板34和下转板35设有透光孔，透光孔与小孔端连通，上转板34和下转板35能够以中点为中心摆动，通孔内壁均由反光材料制成。上转板34和下转板35的摆动幅度为0~7°。光束扩展棱镜4内掺杂有CaF₂和PbF₂，CaF₂的掺杂量为0.14g/100g，PbF₂的掺杂量为0.02g/100g。光束扩展棱镜4与角度调节模块3间隔，光束扩展棱镜4的长度等于光束调节部内径大小。结烧头1包括光路腔室14，光路腔室顶端与光束出口11相连，光路腔室14内部设有偏振分光镜12和分光镜13。偏振分光镜12设于光路腔室14中部，分光镜13设于光路腔室14的底部，偏振分光镜12两侧设有滑轨15，偏振分光镜12能沿滑轨15在竖直方向上运动。偏振分光镜12与分光镜13之间的距离≥17mm。滤光模块5包括滤光镜头52，滤光镜头52上设有若干滤光片，滤光镜头52中部与滤光通道51连通，滤光通道51与下转板35的透光孔连通，滤光通道51两侧对称设有散射光反射镜53，散射光反射镜53表面为粗糙表面。激光发生部2包括激光器和增益谐振腔21，增益谐振腔21顶部设有出口，出口与滤光通道51处于同一直线上，激光器包括半导体泵浦激光器和CO₂激光器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印激光结烧器，其特征在于：包括由下至上顺序连接的激光发生部（2），光束调节部和结烧头（1），所述光束调节部包括滤光模块（5），所述滤光模块（5）通过角度调节模块（3）与光束扩展棱镜（4）相连，所述角度调节模块（3）包括由左挡板（32），右挡板（33），上转板（34）和下转板（35）围成的调节区，所述调节区内设有两个沿竖直方向相对设置的转子（31），所述转子（31）中部设有通孔，所述通孔的两端孔径大小不同，分别为大孔端和小孔端，所述左挡板（32）和右挡板（33）内表面均设有若干凹槽，所述左挡板（32）和右挡板（33）通过凹槽将转子（31）夹持，所述上转板（34）和下转板（35）设有透光孔，所述透光孔与小孔端连通，所述上转板（34）和下转板（35）能够以中点为中心摆动，所述通孔内壁均由反光材料制成。

2.如权利要求1所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述上转板（34）和下转板（35）的摆动幅度为0~7°。

3.如权利要求2所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述光束扩展棱镜（4）内掺杂有CaF₂和PbF₂，所述CaF₂的掺杂量为0.14g/100g，所述PbF₂的掺杂量为0.02g/100g。

4.如权利要求3所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述光束扩展棱镜（4）与角度调节模块（3）间隔，所述光束扩展棱镜（4）的长度等于光束调节部内径大小。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述结烧头（1）包括光路腔室（14），所述光路腔室顶端与光束出口（11）相连，所述光路腔室（14）内部设有偏振分光镜（12）和分光镜（13）。

6.如权利要求5所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述偏振分光镜（12）设于光路腔室（14）中部，所述分光镜（13）设于光路腔室（14）的底部，所述偏振分光镜（12）两侧设有滑轨（15），所述偏振分光镜（12）能沿滑轨（15）在竖直方向上运动。

7.如权利要求6所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述偏振分光镜（12）与分光镜（13）之间的距离≥17mm。

8.如权利要求 6或7所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于：所述滤光模块（5）包括滤光镜头（52），所述滤光镜头（52）上设有若干滤光片，所述滤光镜头（52）中部与滤光通道（51）连通，所述滤光通道（51）与下转板（35）的透光孔连通，所述滤光通道（51）两侧对称设有散射光反射镜（53），散射光反射镜（53）表面为粗糙表面。

9.如权利要求8所述的一种3D打印激光结烧器，其特征在于，所述激光发生部（2）包括激光器和增益谐振腔（21），所述增益谐振腔（21）顶部设有出口，所述出口与滤光通道（51）处于同一直线上，所述激光器包括半导体泵浦激光器和CO₂激光器。