二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法技术

本发明专利技术公开了一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列尾纤相连；半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端且位于打印控制平台的打印平台上方。本发明专利技术将单点控制的半导体激光阵列通过尾纤排列形成二维面阵激光输出，一次扫描打印一个二维面，将打印速度提升数一到两个数量级。

High Precision Laser 3D Metal Printer with Two-Dimensional Optical Fiber Array and Its Printing Control Method

【技术实现步骤摘要】
二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法
本专利技术涉及激光3D打印
，特别是一种二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法。
技术介绍
3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。传统的金属材料的3D打印制造技术，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固，周边需要有送粉装置、惰性气体保护、喷头控制等来配套。加工过程是一个点堆积过程，对于一些较大工件的加工需要很长的加工时间，加工效率低下。目前实现金属3D打印的高功率激光器基本采用半导体激光器阵列整形技术主要集中在如何将半导体阵列耦合进光纤或者输出加工光束，通常以牺牲加工精度为代价来提高加工效率，因此，在传统金属材料的3D打印制造技术基础上进行研究，在不牺牲加工精度的情况下提高加工效率是非常有必要的。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提供一种二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机，将二维半导体激光器阵列输出的激光经过整形后获得可进行单点控制的输出功率密度达到激光3D打印要求的线阵激光输出，再配以同轴送粉喷嘴，实现快速激光3D金属打印。为了达到上述技术效果，本专利技术采用如下的技术解决方案：一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控制平台的打印平台上方。进一步的，所述二维面阵光纤排列及整形装置包括二维阵列尾纤固定器、微透镜阵列、微透镜阵列支架、激光边界指示器及激光封口镜，其中，m×n个带有尾纤输出的半导体激光器阵列的尾纤通过二维阵列尾纤固定器固定为m×n的平行四边形，用于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜阵列包括m×n个微透镜，它们通过微透镜阵列支架安装在二维阵列尾纤固定器下方，实现每个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜安装在阵列微透镜支架的下端。进一步的，所述二维阵列尾纤固定器包括固定板，该固定板上分布有多个排列为平行四边形的孔；相邻孔之间的纵向间隔即相邻行的距离为n×a，横向间隔即相邻列的距离为s×a，s为正整数，a为光斑直径。进一步的，所述激光边界指示器包括4个安装在微透镜阵列的四角位置处的可见光半导体激光器。进一步的，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。进一步的，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。进一步的，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。进一步的，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。本专利技术的另一个目的，是公开一种应用于上述二维面阵高精度激光3D金属打印机的文件转换方法，包括如下步骤：第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1；所述三维打印数据文件file0有4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标，x、y方向上的步长均为a，z方向上步长为c，p为对应坐标点的打印控制信息；x∈[0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数；所述阵列打印数据控制文件file1包含6个数据项，以(x1,y1,z1,i,j,p1)表示，前三项x1,y1,z1表示该坐标系下对应的分别是x、y、z的方向上的序列坐标、第四五项i、j分别对应激光阵列位置坐标、第六项表示的是其相应的打印控制信息；文件file1与文件file0中数据的关系如下：x1＝x+(n-mod(y,n))×s；y1＝Ceiling(y/(m×n))-1；z1＝z；i＝INT(y,n)；j＝mod(y,n)；p1＝p；式中mod(y,n)表示y除以n的余数，Ceiling()为把数值向上舍入为整数，INT(y,n)表示y除以n下舍取整，取值范围分别是：x1∈[0,A+n×s-1]；y1∈[0,Ceiling(B/(m×n))-1]；z1∈[0,C-1]；i∈[0,m-1]；j∈[0,n-1]；p1∈[0,1]；第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2，file2包含3+m×n个数据项，其中，前3个数据项是x2,y2,z2,分别表示x、y、z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a，y方向上步长为b＝m×n×a，z方向上步长为c；m×n个数据项是相应的m×n个激光头对应的打印控制信息，file2与file1中数据关系如下：x2＝x1；y2＝y1；z2＝z1；m×n个数据项的序号分别为0，1，…，i*m+j，…，m*n-1；其中第i*m+j项的取值为file1中对应(x1,y1,z1,i,j)坐标对应的p值，也即p2(i*m+j)＝p1(x1,y1,z1,i,j)，其中i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]。本专利技术再一个目的，是公开一种采用上述二维面阵高精度激光3D金属打印机的打印控制方法，包括如下步骤：步1，单点输出控制模块3生成三维打印数据文件file2；步2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，包括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控制平台的打印平台上方。

【技术特征摘要】
1.一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，包括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控制平台的打印平台上方。2.如权利要求1所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述二维面阵光纤排列及整形装置包括二维阵列尾纤固定器、微透镜阵列、微透镜阵列支架、激光边界指示器及激光封口镜，其中，m×n个带有尾纤输出的半导体激光器阵列的尾纤通过二维阵列尾纤固定器固定为m×n的平行四边形，用于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜阵列包括m×n个微透镜，它们通过微透镜阵列支架安装在二维阵列尾纤固定器下方，实现每个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜安装在阵列微透镜支架的下端。3.如权利要求2所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述二维阵列尾纤固定器包括固定板，该固定板上分布有多个排列为平行四边形的孔；相邻孔之间的纵向间隔即相邻行的距离为n×a，横向间隔即相邻列的距离为s×a，s为正整数，a为光斑直径。4.如权利要求2所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述激光边界指示器包括4个安装在微透镜阵列的四角位置处的可见光半导体激光器。5.如权利要求1所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。6.如权利要求5所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。7.如权利要求5任一所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。8.如权利要求7所述的二维光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯选旗，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61