一种扫描式激光打印头制造技术

本实用新型专利技术公开一种扫描式激光打印头，尤其是一种基于扫描式激光加热的打印头，属于增材制造技术领域。与现有的“同轴送丝”激光熔覆头/打印头相比，本发明专利技术的有益效果显著，例如：可实现灵活的加热策略；支持更精细结构的打印；可避免对刚完成沉积的原料过度加热；对激光光路的机械结构与打印头其它部件之间的机械装配精度具有极高的容错能力；对熔池产生搅拌的效果，提升三维打印最终获得的零件的性能；可提前预热即将沉积原料的区域，减小熔池区域与工件的其它区域之间的温度梯度，从而抑制热裂纹；可在三维打印过程中整合“激光清洗”，实现在空气中不使用保护气体的前提下进行三维打印，具有更低的成本。本发明专利技术具有突出的实质性进步。的实质性进步。的实质性进步。

【技术实现步骤摘要】
一种扫描式激光打印头


[0001]本专利技术涉及一种用于三维打印的打印头，尤其是一种基于扫描式激光加热的打印头，属于增材制造


技术介绍

[0002]三维打印也称为增材制造，是先进制造技术的一大门类。三维打印使用的原料有多种形态，例如液体、固体粉末、颗粒、线材、棒材、丝材等，其中线材或丝材原料往往比粉末原料成本低、且易于存储、更安全和环保。在现有的采用激光作为加热源、采用线材或丝材作为原料的三维打印技术中，存在“旁轴送丝”和“同轴送丝”两种技术类型。例如申请号为2018800071130的中国专利申请所公开的技术方案就是采用“旁轴送丝”方式，该技术激光束垂直于当前成型面，丝材从激光束围成的空间之外输送到工件(也称为打印体，工件/打印体是熔融原料沉积后形成的物体)表面，激光束将丝材和工件表面与丝材相邻的区域一起熔化，此方式无需考虑丝材对激光的遮挡问题，光路结构较简单，但存在诸如打印有方向性缺陷、打印路径规划困难、多轴运动平台编程复杂、零件表面质量不高、打印效率较低、难以打印复杂结构等问题。在题为A Comprehensive Study of Auxiliary Arrangements for Attaining Omnidirectionality in Additive Manufacturing Machine Tools(DOI:10.1115/1.4049094)的论文中就有对增材制造“旁轴送丝”面临的方向性问题的论述。而“同轴送丝方式”为了解决丝材遮挡激光束和被过早加热熔化的问题，一般是先将激光束扩束，再整形至环形激光束(空心激光束)，丝材从环形激光束中心穿过，然后将环形激光束进行聚焦，丝材在激光束聚焦点附近熔化。例如申请号为2018103767579和申请号为2018104031543的中国专利申请所公开的技术方案就是采用“同轴送丝”方式，激光束的轴向空间(即激光束中心)不存在激光，丝材沿着激光束中心输送到工件表面，激光束在工件表面聚焦并将丝材和工件表面与丝材相邻的区域熔化，此方式的光路较复杂，光路制作难度大于旁轴送丝方式，但由于丝材垂直于正在累积(也称为沉积)熔融原料的工件表面，丝材和激光束可在工件表面上一起往任意方向打印，解决了传统旁轴送丝方式带来的方向性问题，还具有打印路径规划简单、所需的运动平台结构简单、程序编程简单、零件表面质量更高、能打印复杂结构等诸多旁轴送丝所不容易获得的优点。

技术实现思路

[0003]专利技术人发现：现有的同轴送丝方式，激光束与丝材之间的位置关系相对固定，光斑与丝材或丝材产生的熔融原料之间的相对位置关系固定，从而导致打印缺乏灵活性，具体来说，例如：在金属三维打印过程中，金属丝被加热熔化并在工件上沉积，熔融金属沉积后立即被激光束投射在工件表面的环形光斑加热，沉积后的熔融金属被过度加热，导致流动性增加，流动性增加进一步带来形态可控性低、表面形貌较粗糙、成型精度较低等问题；过度加热还会导致蒸发量增加、气孔增多等问题；如果要避开对刚刚沉积的熔融金属进行加热，就需要激光束可根据打印路径变化而快速调整光斑在熔融金属周边的位置，但现有的
激光同轴送丝三维打印技术不具备这样的灵活性。又如：在金属三维打印过程中，激光束投射在工件上、环绕在熔融金属周边的环形光斑对不在打印路径上的区域也一同加热，导致熔池大、热影响区大，在打印薄壁结构等较精细和散热慢的结构时，导致结构被过度加热破坏或者形变；较理想的加热方式是对打印路径的前方进行加热，并且熔池的宽度与薄壁结构的宽度基本一致，这也需要激光束可根据打印路径变化快速调整光斑位置，而现有的激光同轴送丝三维打印技术不具备这样的灵活性。上述的现有问题是激光同轴送丝三维打印技术所使用的环形光斑激光头的不足所导致的。环形光斑激光头也同样可以应用于激光焊接系统中，当然也存在上述不足。此外，由于现有的激光“同轴送丝”的加热方式与激光焊接的“热传导方式”相同，激光光斑功率密度与传统的热传导型激光焊接相同，光斑功率密度值不能使得被加热的工件或原料产生显著气化，否则对三维打印过程产生严重危害，因此无法采用提高光斑功率密度的方式来实现“激光清洗”功能。
[0004]鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种使用一束以上的激光通过扫描方式进行加热的激光打印头(也称为激光熔覆头)，能灵活地进行扫描式激光加热，区别于现有的“同轴送丝”激光熔覆头/打印头。
[0005]为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种扫描式激光打印头，其特征在于：
[0007]设置有激光接口、光束移动聚焦透镜组和原料输送通道，来自激光接口的激光束经所述光束移动聚焦透镜组调制后，从所述的原料输送通道的周围空间投射到工件上；打印所需的原料经原料输送通道抵达工件，原料为液态或固态，液态原料或者固态原料熔化后形成的熔融原料在工件上沉积；(解释：工件是三维打印过程中的打印原料在沉积后形成的物体；)
[0008]所述的光束移动聚焦透镜组可转动和/或移动以调制激光束投射在工件上的位置，从而使得激光束对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热；激光束在对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热的同时，激光束在工件上的扫描加热区相对工件移动；(解释：在三维打印过程中，打印头与工件相对移动，激光束在工件上的扫描加热区也是相对工件移动的；)
[0009]可被投射的激光束数量至少两束；每束激光束可被独立控制；在同一时刻内投射的激光束数量可控；对应的，所述激光接口、光束移动聚焦透镜组的数量与激光束的数量相同，每束激光束对应通过一个激光接口和一个光束移动聚焦透镜组；
[0010]所述的正在沉积原料的区域是指工件上的与正在沉积的原料接触的区域；
[0011]所述的正在沉积原料的区域的边缘是指工件上的与正在沉积的原料接触的区域的边缘；
[0012]所述的正在沉积原料的区域的周边是指工件上与正在沉积原料的区域相邻或相连的区域。
[0013](解释：“正在沉积的原料”理解为：已经接触到工件、位于原料输送通道的出口与工件之间的空间的原料。)
[0014]可选地：
[0015]所述的光束移动聚焦透镜组包括光束移动透镜与聚焦镜，所述的光束移动透镜与聚焦镜为互相独立的组件，通过转动和/或移动所述光束移动透镜以调制激光束投射在工
件上的位置进而使得激光束对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热，所述聚焦镜用于对所述激光束进行聚焦。(需要说明的是，这里的“光束移动透镜”指的是能对光束投射位置进行改变的透镜，而不一定具备对光束进行聚焦的作用)。
[0016]可选地：
[0017]所述的光束移动透镜可进行一个维度平移或转动，以使激光束进行一维移动(也可称之为一维扫描)；或者，所述的光束移动透镜可进行两个维度平移或转动，以使激光束进行二维移动(也可称之为二维扫描)。当激光束进行二维移动时，且聚焦镜可电动调焦和可编程调焦时，通过光束移动透镜进行X轴和Y轴方向上的二维扫描，通过对聚焦透镜的调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扫描式激光打印头，其特征在于：设置有激光接口、光束移动聚焦透镜组和原料输送通道，来自激光接口的激光束经所述光束移动聚焦透镜组调制后，从所述的原料输送通道的周围空间投射到工件上；打印所需的原料经原料输送通道抵达工件，原料为液态或固态，液态原料或者固态原料熔化后形成的熔融原料在工件上沉积；所述的光束移动聚焦透镜组可转动和/或移动以调制激光束投射在工件上的位置，从而使得激光束对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热；激光束在对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热的同时，激光束在工件上的扫描加热区相对工件移动；可被投射的激光束数量至少两束；每束激光束可被独立控制；在同一时刻内投射的激光束数量可控；对应的，所述激光接口、光束移动聚焦透镜组的数量与激光束的数量相同，每束激光束对应通过一个激光接口和一个光束移动聚焦透镜组；所述的正在沉积原料的区域是指工件上的与正在沉积的原料接触的区域；所述的正在沉积原料的区域的边缘是指工件上的与正在沉积的原料接触的区域的边缘；所述的正在沉积原料的区域的周边是指工件上与正在沉积原料的区域相邻或相连的区域。2.根据权利要求1所述的扫描式激光打印头，其特征在于：所述的光束移动聚焦透镜组包括光束移动透镜与聚焦镜，所述的光束移动透镜与聚焦镜为互相独立的组件，通过转动和/或移动所述光束移动透镜以调制激光束投射在工件上的位置进而使得激光束对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热，所述聚焦镜用于对所述激光束进行聚焦。3.根据权利要求2所述的扫描式激光打印头，其特征在于：所述的光束移动透镜可进行一个维度平移或转动，以使激光束进行一维移动；或者，所述的光束移动透镜可进行两个维度平移或转动，以使激光束进行二维移动。4.根据权利要求1所述的扫描式激光打印头，其特征在于：所述的光束移动聚焦透镜组采用至少一个能转动和/或移动的聚焦镜构成，所述的聚焦镜同时用于对所述激光束进行移动和聚焦，通过转动和/或移动所述聚焦镜以调制激光束投射在工件上的位置进而使得激光束对工件上的正在沉积原料的区域的边缘和/或周边扫描加热。5.根据权利要求4所述的扫描式激光打印头，其特征在于：所述聚焦镜可进行一个维度平移或转动，以使激光束进行一维移动；或者，所述聚焦镜可进行两个维度平移或转动，以使激光束进行二维移动；或者，所述聚焦镜可进行两个维度平移或转动，以使激光束进行一维移动和对所述聚焦镜进行调焦；或者，所述聚焦镜可进行三个维度平移或转动，以使激光束进行二维移动和对所述聚焦镜进行调焦。6.根据权利要求4所述的扫描式激光打印头，其特征在于：所述的光束移动聚焦透镜组包括两组透镜，两组透镜依次设置在激光束的传播路径上，两组透镜分别绕各自的转轴转动，两组透镜的转轴互相垂直设置。7.根据权利要求6所述的扫描式激光打印头，其特征在于：每组透镜至少包括一个透
镜，所述透镜采用凸透镜或凹透镜，两组透镜中至少有一个是凸透镜以作为聚焦镜。8.根据权利要求1所述的扫描式激光打印头，其特征在于：当所述的原料为固态时，所述激光束还对所述的原料输送通道出口外的固态原料进行加热以在所述的原料输送通道出口与所述工件之间的空间产生熔融原料。9.根据权利要求1所述的扫描式激光打印头，其特征在于：当同时投射在工件上的激光束数量为两束或多于两束时，激光束投射在工件上的光斑扫描区域可组成复合扫描区，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，
申请(专利权)人：南京钛陶智能系统有限责任公司，
类型：新型
国别省市：