专利名称：一种以低熔点玻璃粉末为原材料的3d激光打印装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种3D激光打印装置，尤其涉及一种以低熔点玻璃粉末为原材料的3D激光打印头。
背景技术：
3D打印机是一种近年来流行的技术，它广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。使用3D打印机可以将电脑辅助设计技术(CAD)制作的物体三维模型直接以立体的形式打印出来。通常的3D打印机使用塑料为原材料，以堆积薄层的形式生成固态实体。即软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会像2维打印一样在塑料粉末层上喷出黏合剂，并将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。其他的塑料粉末固化方法有熔积成型法，即在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。或者是通过激光烧结的方法将塑料粉末熔铸成指定形状。以塑料为打印材料具有一定的局限性，比如在一些工作温度比较高的应用就无法使用塑料。使用玻璃或金属材料可以用激光烧结的方法熔铸成指定形状，但这种3D激光打印机通常价格极其昂贵，并且体积庞大。主要因为玻璃或金属的熔化温度较高，通常超过1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固体激光器固定在打印头的位置，这类激光器体积较大，安装和调试不便。这里需要说明的是低熔点的金属粉末在空气中易燃，因而不具有3D打印的实用性。为了解决塑料3D打印材料使用温度低，以及普通金属和玻璃3D打印机体积大和成本高的问题，本发明提出了一种使用低熔点的磷酸盐玻璃(Phosphate glass)为原材料的3D激光打印装置。所选取的磷酸盐玻璃的转变温度Tg小于450度，其激光烧结的温度在800度以内，因而用几组商用的光纤激光器共同照射在烧结点就可以产生足够的功率密度以实现玻璃的熔铸成型。本发明所采用的光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，它是在光纤放大器的基础上开发出来的。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。光纤激光器与传统的固体和气体激光器相比具有以下优势，如:能量转换效率高，结构紧凑，可靠性高。
图1是3D激光打印头的等轴测立体视 图2是3D激光打印头的剖面图。其中附图标记 I为准直光学系统； 2为玻璃粉末喷射装置；
3为内层空腔；4为低熔点玻璃粉末；
5为玻璃粉末喷口；
6为固定支架；
7为烧结点；
8为增益光纤管路。
图1是3D激光打印头的 等轴测立体视 图2是3D激光打印头的剖面图。其中附图标记 I为准直光学系统；
2为玻璃粉末喷射装置；
3为内层空腔；
4为低熔点玻璃粉末；
5为玻璃粉末喷口；
6为固定支架；
7为烧结点；
8为增益光纤管路。
具体实施例方式下面对发明作更详细描述，相同标记表示相同的部件。为了更好的理解，附图中所示的部件是按比例绘制的示意性表示，即该附图的部件不表示真实尺寸，这些真实尺寸对本领域普通技术人员来说都是公知的，因此在这里不作详细描述。本发明中的光纤激光器米用掺稀土兀素光纤作为增益介质，波长为1460nm,输出功率为300w飞00w。参考图1是3D激光打印头的等轴测立体视图。I为光纤激光器的准直光学系统，8为其增益光纤管路。光纤激光器的泵浦源和稱合光学系统布置在3D打印机的其他位置，由增益光纤管路8与3D打印头连接。光纤激光器共有四组，由固定支架6对称安置在玻璃粉末喷射装置2的四周。其四组激光束与玻璃粉末喷口 5都对准烧结点7。固定支架6的材料为不锈钢，其结构由CNC车床精密加工制成，保证激光器准直光学系统的精确定位。四组激光器的方向都经过校准使其光轴与烧结点7的空间位置偏差控制在0.05mm内。每一束激光在烧结点7的50%高斯能量分布直径控制在小于1mm。这样如果都采用500w输出功率的光纤激光器，则四束激光在烧结点的峰值功率密度约为IOOOw/ mm 2，可以使喷出的玻璃粉末在极短时间内快速烧结。在本发明的实施方案及其附图中采用了四组光纤激光器，其实如果采用更高输出功率的光纤激光器，激光器的数量可以减少为三组或两组。不管采用几组光纤激光器，它们的输出功率应该一致，并且各个激光器的准直光学系统在玻璃粉末喷射装置周围呈对称分布，各个激光束都会聚在烧结点上。参考图2中3D激光打印头的剖面图。玻璃粉末喷射装置2由两层空腔构成，其内层空腔3内部装有低熔点玻璃粉末4。内层空腔的底部有出口与外层空腔之间的间隙联通，外层空腔的底部加工成喷口 5。玻璃粉末4的颗粒直径为l(T50um。当3D激光打印机工作时，两层空腔之间的间隙充高压气体，气体从喷口 5流出。气体压力控制在1.5到2个大气压之间。喷口 5的内壁直径为2mm左右。当气体高速从喷口 5流出时，带动空腔3下方出口的玻璃粉末一起由喷口 5喷出。玻璃粉末喷射装置2及其内部结构都由不锈钢制成，其中内层腔体3与装有玻璃粉末盒的导管相连。喷口 5到激光烧结点7的位置约为20_。3D激光打印机工作时，打印头始终处于喷口垂直向下的姿态，这样才能保证由喷口喷出的低熔点玻璃粉末落入烧结点位置。当打印速度需要加快时，则要提高玻璃粉末喷射装置内部的气体压力以及光纤激光器的输出功率。由于磷酸盐体系的低熔点玻璃粉末易潮解，所以在粉末原料盒内部需要加干燥剂。另外一次3D打印后在粉末喷射装置内残留的玻璃粉末要全部由高压气体带动排除，否则玻璃粉末潮解后会堵塞喷口。3D打印机是一种近年来流行的技术，它广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。使用3D打印机可以将电脑辅助设计技术(CAD)制作的物体三维模型直接以立体的形式打印出来。通常的3D打印机使用塑料为原材料，以堆积薄层的形式生成固态实体。即软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会像2维打印一样在塑料粉末层上喷出黏合剂，并将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。其他的塑料粉末固化方法有熔积成型法，即在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。或者是通过激光烧结的方法将塑料粉末熔铸成指定形状。以塑料为打印材料具有一定的局限性，比如在一些工作温度比较高的应用就无法使用塑料。使用玻璃或金属材料可以用激光烧结的方法熔铸成指定形状，但这种3D激光打印机通常价格极其昂贵，并且体积庞大。主要因为玻璃或金属的熔化温度较高，通常超过1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固体激光器固定在打印头的位置，这类激光器体积较大，安装和调试不便。这里需要说明的是低熔点的金属粉末在空气中易燃，因而不具有3D打印的实用性。 为了解决塑料3D打印材料使用温度低，以及普通金属和玻璃3D打印机体积大和成本高的问题，本发明提出了一种使用低熔点的磷酸盐玻璃(Phosphate glass)为原材料的3D激光打印装置。所选取的磷酸盐玻璃的转变温度Tg小于450度，其激光烧结的温度在800度以内，因而用几组商用的光纤激光器共同照射在烧结点就可以产生足够的功率密度以实现玻璃的熔铸成型。本发明所采用的光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，它是在光纤放大器的基础上开发出来的。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。光纤激光器与传统的固体和气体激光器相比具有以下优势，如:能量转换效率高，结构紧凑，可靠性高。
具体实施例方式下面对发明作更详细描述，相同标记表示相同的部件。为了更好的理解，附图中所示的部件是按比例绘制的示意性表示，即该附图的部件不表示真实尺寸，这些真实尺寸对本领域普通技术人员来说都是公知的，因此在这里不作详细描述。本发明中的光纤激光器米用掺稀土兀素光纤作为增益介质，波长为1460nm,输出功率为300w飞00w。参考图1是3D激光打印头的等轴测立体视图。I为光纤激光器的准直光学系统，8为其增益光纤管路。光纤激光器的泵浦源和稱合光学系统布置在3D打印机的其他位置，由增益光纤管路8与3D打印头连接。光纤激光器共有四组，由固定支架6对称安置在玻璃粉末喷射装置2的四周。其四组激光束与玻璃粉末喷口 5都对准烧结点7。固定支架6的材料为不锈钢，其结构由CNC车床精密加工制成，保证激光器准直光学系统的精确定位。四组激光器的方向都经过校准使其光轴与烧结点7的空间位置偏差控制在0.05mm内。每一束激光在烧结点7的50%高斯能量分布直径控制在小于1mm。这样如果都采用500w输出功率的光纤激光器，则四束激光在烧结点的峰值功率密度约为IOOOw/ mm 2，可以使喷出的玻璃粉末在极短时间内快速烧结。在本发明的实施方案及其附图中采用了四组光纤激光器，其实如果采用更高输出功率的光纤激光器，激光器的数量可以减少为三组或两组。不管采用几组光纤激光器，它们的输出功率应该一致，并且各个激光器的准直光学系统在玻璃粉末喷射装置周围呈对称分布，各个激光束都会聚在烧结点上。参考图2中3D激光打印头的剖面图。玻璃粉末喷射装置2由两层空腔构成，其内层空腔3内部装有低熔点玻璃粉末4。内层空腔的底部有出口与外层空腔之间的间隙联通，外层空腔的底部加工成喷口 5。玻璃粉末4的颗粒直径为l(T50um。当3D激光打印机工作时，两层空腔之间的间隙充高压气体，气体从喷口 5流出。气体压力控制在1.5到2个大气压之间。喷口 5的内壁直径为2mm左右。当气体高速从喷口 5流出时，带动空腔3下方出口的玻璃粉末一起由喷口 5喷出。玻璃粉末喷射装置2及其内部结构都由不锈钢制成，其中内层腔体3与装有玻璃粉末盒的导管相连。喷口 5到激光烧结点7的位置约为20_。3D激光打印机工作时，打印头始终处于喷口垂直向下的姿态，这样才能保证由喷口喷出的低熔点玻璃粉末落入烧结点位置。当打印速度需要加快时，则要提高玻璃粉末喷射装置内部的气体压力以及光纤激光器的输出功率。由于磷酸盐体系的低熔点玻璃粉末易潮解，所以在粉末原料盒内部需要加干燥剂。另外一次3D打印后在粉末喷射装置内残留的玻璃粉末要全部由高压 气体带动排除，否则玻璃粉末潮解后会堵塞喷口。
权利要求
1.一种以低熔点玻璃粉末为原材料的3D激光打印头，包括两到四组光纤激光器和低熔点玻璃粉末喷射装置。
2.根据权利要求1所述的3D激光打印头，其特征在于，所使用的低熔点玻璃粉末为磷酸盐体系玻璃，其转变温度Tg值小于450度。
3.根据上述权利I和权利要求2所述的3D激光打印头，其特征在于，各组光纤激光器的准直光学系统在玻璃粉末喷射装置周围呈对称分布，各个激光束都汇聚在喷射装置下方的玻璃烧结点上。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的3D激光打印头，其特征在于，玻璃粉末喷射装置由两层空腔构成，其内层空腔装有低熔点玻璃粉末，内层空腔的底部有出口与外层空腔之间的间隙联通，外层空腔的底部加工成喷口形状。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的3D激光打印头，其特征在于，3D激光打印机工作时，玻璃粉末喷射装置内部的两层空腔之间充高压气体，气体从喷口高速流出，同时带动内层空腔下方出口的玻璃粉末一起喷出。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的3D激光打印头，其特征在于，3D激光打印机工作时，打印头始终处于喷口垂直向下的姿态，这样才能保证由喷口喷出的低熔点玻璃粉末落入烧结点 位置。
全文摘要
本发明涉及一种3D激光打印装置，是一种以低熔点玻璃粉末为原材料的3D激光打印头。普通的3D激光打印机因为玻璃或金属的熔化温度通常超过1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固体激光器固定在打印头的位置，所以体积较大，安装和调试不便。本发明是用低熔点的磷酸盐玻璃(Phosphateglass)为原材料的3D激光打印装置，所选取的磷酸盐玻璃的转变温度Tg小于450度，其激光烧结的温度在800度以内，因而用几组商用的光纤激光器共同照射在烧结点就可以产生足够的功率密度以实现玻璃的熔铸成型。具有能量转换效率高，结构紧凑，可靠性高的优势。
文档编号C03B19/06GK103073174SQ201310052930
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月19日 优先权日2013年2月19日
发明者张倩 申请人:苏州百纳思光学科技有限公司