无振镜铺粉式激光3d打印机的制作方法
【专利摘要】一种无振镜铺粉式激光3D打印机。本实用新型采用“飞行光路”系统取代振镜系统实现激光熔化或烧结粉末成形。其方案是，在成形工作缸上方采用X轴和Y轴联动的高精度运动机构，并形成光束传输准确的飞行光路，使激光束对成形平面进行精确的x?y二维平面扫描。激光扫描机构由X轴和Y轴运动部件、工作头、光学部件及其冷却与保护管路一起构成，位于在铺粉体上方，其运动不与铺粉动作发生干涉；飞行光路上激光束在与成形平面平行的平面内经过2次垂直转向，到达工作头顶部后转向z轴方向聚焦、照射到成形平面上。本专利的“飞行光路”系统容易控制大幅面扫描尺寸误差；当激光功率高时，仍可进行快速扫描；“飞行光路”系统价格远低于振镜系统。
【专利说明】
无振镜铺粉式激光3D打印机
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种零件成形制造设备，具体地说，是涉及一种铺粉式激光3D打印机。
【背景技术】
[0002]3D打印(增材制造)工艺被认为是一种革命性的制造方法，正受到国内外的普遍关注，越来越多的3D打印方法及其设备被研发出来。各种3D打印工艺的成形原理各不相同，所用的材料也各不相同，因而3D打印工艺涉及多种金属与非金属材料，成形材料的原始状态也有多种。有固态的粉状、丝状和薄片状的金属与非金属材料，也有液态的光敏树脂等。对于粉状材料而言，既可能是金属，也可能是非金属(如石膏、陶瓷等)，适用的3D打印工艺主要有激光熔覆、激光选区熔化、激光选区烧结和喷墨式3D打印。其中激光选区熔化、激光熔化烧结和喷墨式3D打印(即过去定义的3D打印)采用铺粉方式供粉。铺粉式3D打印的制件尺寸精度较高，结构较复杂，因而，铺粉式3D打印更受人们欢迎，特别是用于中小零件的制造。所以，铺粉式3D打印发展势头较好。
[0003]在铺粉式3D打印过程中，如果粉末需要熔化或者烧结，如激光选区熔化(SLM)和激光选区烧结(SLS)，那么必须采用激光器作为能源，利用其激光束扫描工作缸中的粉末，以实现粉末的选区熔化或烧结。激光束从激光器出来后到达粉末表面并进行扫描动作，需要一个传输和运动机构(即扫描机构)。目前，国内外普遍采用的是振镜系统，例如美国3DSystem公司和国内滨湖机电公司的SLS 3D打印机以及德国EOS公司和SLM Solut1n公司的SLM金属3D打印机。这种采用振镜系统的3D打印机，因为存在光束偏转角，扫描的线速度需要通过复杂的函数计算，进行大幅面扫描时容易形成较大的尺寸误差；当激光功率高时，要求振镜尺寸加大，导致振镜重量增大、运动惯性增大，不利于快速扫描;另外，振镜系统的软硬件要求相当高，制作成本也较高，从而增加了 3D打印的设备成本。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本实用新型采用“飞行光路”系统取代振镜系统进行激光束对铺置粉末的扫描，实现熔化或烧结成形，可以避免振镜偏转角对扫描精度和幅面的限制，也可以降低3D打印成本。
[0005]本实用新型解决问题的方案是:在成形工作缸上方采用X轴和Y轴联动的高精度运动机构，并形成光束传输准确的飞行光路，使激光束对成形工作平面进行精确的x-y 二维平面扫描，逐层熔化或烧结粉末，实现3D打印。采用的X轴和Y轴运动部件精度高、重量轻，与轻巧的工作头、光学部件及其冷却与保护管路一起构成一个二轴联动的高精度的扫描机构；激光束从激光头发出后，在一个与工作平面平行的平面内经过2次垂直转向，到达工作头顶部，再经过垂直向下转向后沿z轴方向聚焦、照射到工作平面上;扫描机构的X轴和Y轴运动部件以及工作头、光学部件及其冷却与保护管路都设置在铺粉体的上方，它们的运动不与铺粉动作发生干涉。与X轴和Y轴运动部件、工作头、光学部件及其冷却与保护管路相关的运动参数，以及形成的负载和惯性，必须确保满足3D打印对扫描速度和精度的要求;激光束每次经过反射镜后在确定的平面内转向的角度均为90度，严格控制其误差，以确保激光束对工作平面的扫描精度;工作头的位置高度由铺粉体的高度、工作过程中产生的烟、气、渣以及气体循环状况决定，聚焦镜的焦距应确保激光束焦点在工作平面附近。
[0006]打印制件各层时的扫描运动是，z轴先下降I个层厚的高度，铺粉体进行铺粉，“飞行光路”系统按照计算机指令使工作头在x-y平面内运动，激光束扫描成形工作面内的粉末，完成熔化或烧结等，形成制件的I层，然后z轴下降，开始新的I层的打印。
[0007]本专利由振镜系统改为“飞行光路”系统，因为不存在光束偏转角，进行大幅面扫描时尺寸误差容易控制；当激光功率高时，光路上的反射镜相对增大不多，对系统惯性影响不大，还可以进行快速扫描；“飞行光路”系统的运动机构部件、工作头、光学部件等价格之和远低于振镜系统，从而降低了 3D打印零件的成本。
【附图说明】
[0008]图1为无振镜铺粉式激光3D打印机示意结构主视图；图2为无振镜铺粉式激光3D打印机示意结构俯视图。
[0009]图1和/或图2中I为成形工作缸，2为激光束，3为工作头，4为X轴运动机构，5为y轴运动机构，6为铺粉体，7为供粉机构，8为工作头顶部的x-z反射镜，9为X轴横梁右端y-x反射镜，1为近入射窗口 x-y反射镜，11为密封箱，12为激光束入射窗口，13激光头，14操作显示器，15控制柜，16为气体循环过滤系统。X轴运动机构4及其上的工作头3、反射镜9等为y轴运动机构5的负载，通过横梁与y轴运动机构5的运动体连接。
【具体实施方式】
[0010]结合图1和图2，具体说明一下实施方式。
[0011]在3D打印过程中，在计算机控制下，激光头13发出激光束2后，经过窗口12进入密封箱11，被反射镜10反射后，方向由X轴方向转变为y轴方向，到达X轴横梁右端的反射镜9后，激光束传输方向又转变为X轴方向，前行到达工作头顶部的反射镜8后，改变方向沿z轴垂直向下，经过工作头3内的聚焦镜聚焦后，到达成形工作面，照射3D打印的粉末，使之熔化或烧结；同时，根据计算机规划的扫描路径，y轴运动机构5驱动X轴运动机构4及其上的工作头3、反射镜8、反射镜9等进行y轴方向的运动(此时激光束在y轴方向上的光程随反射镜9的运动而变化)，x轴运动机构4驱动工作头3及其上的反射镜8做X轴方向的运动(此时激光束在X轴方向上的光程也随随反射镜8的运动而变化)，这两个方向的运动合成即是工作头3的实际运动，形成了激光束的扫描轨迹。
【主权项】
1.一种铺粉式激光3D打印机，其特征是:在成形工作缸上方采用X轴和Y轴联动的高精度运动机构，并形成光束传输准确的飞行光路，使激光束对成形工作平面进行精确的x-y 二维平面扫描，逐层熔化或烧结粉末。2.根据权利要求1所述的铺粉式激光3D打印机，其特征还有:X轴和Y轴运动部件与工作头、光学部件及其冷却与保护管路一起构成一个2轴联动的高精度的激光束扫描机构，其运动参数以及形成的负载和惯性，必须确保满足3D打印对扫描速度和精度的要求。3.根据权利要求1所述的铺粉式激光3D打印机，其特征还有:激光束从激光头发出后，在一个与工作平面平行的平面内经过2次精确的垂直转向，到达工作头顶部，再经过精确的垂直向下转向后沿z轴方向聚焦、照射到工作平面上，光束每次转向的角度误差必须保持在满足3D打印对扫描速度和精度的要求的范围内。4.根据权利要求1所述的铺粉式激光3D打印机，其特征还有:扫描机构的X轴和Y轴运动部件以及工作头、光学部件及其冷却与保护管路都设置在铺粉体的上方，其运动不与铺粉动作发生干涉，其中工作头中的聚焦镜的焦距应确保激光束焦点在工作平面附近。
【文档编号】B22F3/105GK205601171SQ201620069006
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】刘继常
【申请人】长沙嘉程机械制造有限公司