一种金属3D打印装置的制作方法

本发明涉及3d打印领域，尤其是涉及一种金属3d打印装置。

背景技术：

3d打印机(3dprinters)又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。3d打印机由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。在打印之前，先在电脑中建模设计一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。由于无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。

3d打印的核心是将所需成形工件的复杂3d形体通过切片处理转化称为简单的2d截面的组合，因此不必采用传统的加工机床和模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，在计算机控制的快速成形机上，沿着高度方向逐层沉积材料，成形工件的一系列2d截面薄片层，并使片层与片层相互粘接，最终堆积成三维工件。

当使用3d打印制造金属工件时，需要使用激光打印设备。传统的激光打印设备包括激光发生器、激光喷头、机械臂及工作台，激光发生器的作用是产生激光、该激光喷头安装于机械臂上。在整个3d打印过程中，由机械臂带动激光喷头在工作台上完成。激光喷头组件主要包括激光头和粉末喷头组件，该粉末喷头组件包括粉末喷头，粉末喷头连接送粉管路和保护气体管路。在工作过程中，粉末被喷出后，激光快速将粉末融化，然后在极短的时间内快速凝固形成工件的形状。

决定金属工件成型质量的重要因素是粉末喷头，即能够保证粉末均匀稳定的聚焦供应到激光的聚光点上，现有技术中公开了很多这样的同轴送粉装置。中国专利cn104178763公开了一种激光同轴熔覆送粉头，包括外筒壁、内筒壁、冷却水腔、送粉嘴外圈、送粉嘴内圈，送粉嘴内圈和送粉嘴外圈包括可调整的活动支板构成，能够在不拆卸各种管路的情况下达到改变粉末汇聚点和激光焦点的相对位置及粉末浓度分布；但在一些情况下，粉末喷头仅要调整粉末的汇聚点及粉末浓度分布来适应具体的金属工件的成型，而粉末的汇聚点和激光焦点不产生变化，从而在满足要求的情况下保证粉末能够被聚焦的激光充分融化并重新成型。

因此，本专利在以上现有技术的基础上进行改进，实现装置可以进行粉末的汇聚点和激光焦点的同步调整，满足加工需要。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，便于实现粉末的汇聚点和激光焦点进行同步调整的金属3d打印装置。

本发明采用以下技术方案：一种金属d打印装置，包括同轴送粉机构，同轴送粉机构包括可组配在一起的外筒壁、内筒壁、送粉嘴外圈、送粉嘴内圈和升降调节筒，送粉嘴外圈和送粉嘴内圈分别由若干片周向对称分布并各自相互搭接的外活动支板和内活动支板组成，送粉嘴外圈和送粉嘴内圈共同组成周向封闭的锥形送粉嘴；外活动支板和内活动支板通过铰链分别与外筒壁、内筒壁相连；外活动支板和内活动支板设有联动机构，可使外活动支板能够带动内活动支板围绕铰链做相应转动；联动机构为上表面光滑的局部突起物，局部突起物固定在外活动支板的内表面，局部突起物的上表面与内活动支板可滑动的相接触，能够沿内活动支板的外表面滑动；升降调节筒可旋转设置于外筒壁的端部并在旋转时进行上下移动相对位置，升降调节筒的下沿与外活动支板的外表面可滑动的相接触并在上下移动时调节外活动支板与外筒壁的轴线夹角；外筒壁的后部设置透镜安装架，透镜安装架内设置聚焦透镜；透镜安装架包括下支架和上支架，下支架与外筒壁固定安装，上支架可旋转设置于下支架的端部并在旋转时进行上下移动相对位置，聚焦透镜设置于上支架处；还包括同步调整机构和驱动机构，同步调整机构包括卡架、联动轴、上联动齿轮和下联动齿轮，上联动齿轮和下联动齿轮分别设置于联动轴的上下部进行联动，联动轴可旋转的设置于卡架上，卡架可拆卸的设置于外筒壁上，升降调节筒和上支架外壁均设置有配合齿，下联动齿轮与升降调节筒的配合齿啮合联动，上联动齿轮与上支架的配合齿啮合联动，令升降调节筒在活动调整外活动支板与外筒壁的轴线夹角时同步进行上支架的上下位置调整；驱动机构设置于卡架上，通过驱动机构的工作带动联动轴旋转。

作为一种改进，上联动齿轮包括主齿轮和副齿轮，主齿轮和副齿轮相互啮合并分别与联动轴、上支架配合传动，主齿轮和副齿轮的大小不同，令上支架和升降调节筒的旋转角度不同，令上支架和升降调节筒上下同步移动位置后粉末的汇聚点和激光焦点相适应重合。

作为一种改进，卡架包括一对呈半环形的子架，外筒壁的上端具有一柱形连接体，下支架和外筒壁之间通过柱形连接体进行套设连接，子架内侧具有与柱形连接体相适配的卡槽，一对子架通过卡槽定位卡设于柱形连接体处，并由子架两端设置紧固件进行安装固定；一处子架上设置上下延伸的子安装架，子安装架上竖直设置供联动轴在其中旋转配合的旋转孔，子安装架上下部均设置供上联动齿轮和下联动齿轮容纳的安装腔。

作为一种改进，柱形连接体上设置有一定位柱，子架的卡槽中设置有与定位柱相配合卡设的定位槽。

作为一种改进，上支架套设于下支架内，子安装架上部向上支架延伸形成靠近部，靠近部向下开设一嵌槽，当卡架安装至外筒壁上到位时，嵌槽与下支架上端边缘相卡限位。

作为一种改进，上联动齿轮和下联动齿轮均配合设置有锁止机构，锁止机构包括抵触凸轮、锁止板和限位弹簧，锁止板可滑移的设置在子安装架上，抵触凸轮通过一转轴可旋转的设置在子安装架上，锁止板上设置一布置孔供抵触凸轮容纳于其中，抵触凸轮在旋转时由突出部分抵触布置孔的孔壁将锁止板抵向上联动齿轮或下联动齿轮，锁止板朝向上联动齿轮或下联动齿轮一侧设置有用于卡住上联动齿轮或下联动齿轮的锁定齿；限位弹簧设置在锁止板和子安装架之间，并在抵触凸轮限位锁止板令锁定齿锁定上联动齿轮或下联动齿轮时被压缩或拉伸而积蓄势能，在抵触凸轮解除对锁止板的锁定时解放势能令锁止板远离上联动齿轮或下联动齿轮。

作为一种改进，上联动齿轮和下联动齿轮的锁止机构共用一根转轴而令两组抵触凸轮联动，转轴伸出于子安装架外，并设置驱动气缸对转轴进行旋转驱动。

作为一种改进，驱动机构包括可滑移设置于子安装架上的滑移架、固定设置于滑移架上的驱动电机、设置于驱动电机的轴上的第一斜齿轮和设置于联动轴上的第二斜齿轮，滑移架上设置一连接架，连接架连接至驱动气缸的轴上；驱动气缸具有伸出和收回两个工位，一个工位对应转轴运动至抵触凸轮限位锁止板令锁定齿锁定上联动齿轮或下联动齿轮，同时滑移架滑移至驱动电机轴上的第一斜齿轮与第二斜齿轮分离；另一个工位对应转轴运动至抵触凸轮解除对锁止板的锁定令锁定齿与上联动齿轮或下联动齿轮分离，同时滑移架滑移至驱动电机轴上的第一斜齿轮与第二斜齿轮啮合传动。

作为一种改进，外活动支板和内活动支板的数量相同，形状为等腰梯形，与铰链连接一端的边长大于相对的一端的边长。

作为一种改进，升降调节筒与外筒壁通过螺纹连接。

本发明的有益效果：金属3d打印装置在采用在现有同轴送粉机构结构所能实现功能的基础上，通过同步调整机构的设置，令同轴送粉装置可以实现对粉末的汇聚点和激光焦点进行同步调整的效果，保证了在激光同轴熔覆时焦点的聚焦，在能够改变粉末浓度分布的情况下，并满足激光聚焦将粉末彻底融化并重新成型的需求。同时设置驱动机构，令同步调整的功能可以自动实现，在配合计算机控制后可以实时的进行调整，满足更灵活的加工需要。以上结构及功能可以在现有结构的基础上进行一定的改动和添加，本身良好的控制了成本。

附图说明

图1是本发明的纵向剖视结构示意图。

图2是本发明的升降调节筒、外活动支板和内活动支板处的横向剖视结构示意图。

图3是本发明的锁止机构的俯视结构示意图。

图4是本发明的驱动机构的侧面结构示意图。

图5是本发明的驱动机构的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图1-5所示，为本发明金属3d打印装置的一种具体实施例。该实施例包括同轴送粉机构，同轴送粉机构包括可组配在一起的外筒壁01、内筒壁02、送粉嘴外圈、送粉嘴内圈和升降调节筒06，送粉嘴外圈和送粉嘴内圈分别由若干片周向对称分布并各自相互搭接的外活动支板04和内活动支板05组成，送粉嘴外圈和送粉嘴内圈共同组成周向封闭的锥形送粉嘴；外活动支板04和内活动支板05通过铰链分别与外筒壁01、内筒壁02相连；外活动支板04和内活动支板05设有联动机构，可使外活动支板04能够带动内活动支板05围绕铰链做相应转动；联动机构为上表面光滑的局部突起物00，局部突起物00固定在外活动支板04的内表面，局部突起物00的上表面与内活动支板05可滑动的相接触，能够沿内活动支板05的外表面滑动；升降调节筒06可旋转设置于外筒壁01的端部并在旋转时进行上下移动相对位置，升降调节筒06的下沿与外活动支板04的外表面可滑动的相接触并在上下移动时调节外活动支板04与外筒壁01的轴线夹角；外筒壁01的后部设置透镜安装架07，透镜安装架07内设置聚焦透镜08；透镜安装架07包括下支架071和上支架072，下支架071与外筒壁01固定安装，上支架072可旋转设置于下支架071的端部并在旋转时进行上下移动相对位置，聚焦透镜08设置于上支架072处；还包括同步调整机构1和驱动机构2，同步调整机构1包括卡架11、联动轴12、上联动齿轮13和下联动齿轮14，上联动齿轮13和下联动齿轮14分别设置于联动轴12的上下部进行联动，联动轴12可旋转的设置于卡架11上，卡架11可拆卸的设置于外筒壁01上，升降调节筒06和上支架072外壁均设置有配合齿3，下联动齿轮14与升降调节筒06的配合齿3啮合联动，上联动齿轮13与上支架072的配合齿3啮合联动，令升降调节筒06在活动调整外活动支板04与外筒壁01的轴线夹角时同步进行上支架072的上下位置调整；驱动机构2设置于卡架11上，通过驱动机构2的工作带动联动轴12旋转。

本发明的金属3d打印装置在使用时，其他部件可以采用现有的技术实现，而同轴送粉机构采用本发明的技术方案。同轴送粉机构首先以现有结构为基础。如图1、2所示，送粉嘴外圈由8片(片数可以为＞3的正整数)沿周向对称分布的外活动支板04组成，送粉嘴内圈由8片(片数可以为＞3的正整数)沿周向对称分布的内活动支板05组成，外活动支板04和内活动支板05各自相互搭接，送粉嘴外圈和送粉嘴内圈两者共同组成周向封闭的锥形送粉嘴；外活动支板04和内活动支板05通过铰链分别与外筒壁01和内筒壁02相连，从而可以实现上下转动；外活动支板04的数量与内活动支板05的数量可以相同，也可以不同，形状为等腰梯形，与铰链连接一端的边长大于相对的一端的边长。外活动支板04与内活动支板05之间设有联动机构，可使外活动支板04能够带动内活动支板05围绕铰链做相应转动；联动机构为上表面光滑的局部突起物00，局部突起物00固定在外活动支板04的内表面，局部突起物00的上表面与内活动支板05可滑动的相接触，可以沿内活动支板05的外表面滑动，从而当外活动支板04向上或者向下转动时，内活动支板05跟随外活动支板04一起向上或向下转动。升降调节筒06与外筒壁01可通过螺纹连接，升降调节筒06下沿与外活动支板04的外表面可滑动的相接触。内筒壁02上部安装有保护镜片031，可以防止受激光加热的粉末飞起而损坏激光头。外筒壁01上设有冷却水腔，并开设冷却水入口及冷却水出口，通过冷却水循环降低保护镜片031周围温度，防止其受热炸裂。外筒壁01上均匀开设有多个载粉气流入口。8片内活动支板05和8片外活动支板04各自相互搭接，相邻两片有一部分重叠，形成封闭多边形，其和内筒壁02、外筒壁01共同构成粉末输送通道。

在以上现有结构的基础上，如图1、3、4、5所示，激光同轴送粉头和激光头连接，激光头包括透镜安装架07，透镜安装架07包括下支架071和上支架072，上支架072内的聚焦透镜08对通过的激光束进行聚焦；下支架071作为固定的结构保持激光头的稳定，由上支架072的活动调整聚焦透镜08的位置。同步调整机构1的设置来实现上支架072和升降调节筒06的同步上下活动。其中卡架11作为可拆卸的结构，可以由使用者选择性的安装于外筒壁01上，从而为同轴送粉机构赋予上支架072和升降调节筒06同步上下活动的功能，来实现粉末的汇聚点和激光焦点的位置一致；而拆卸下来时，可通过现有的紧固件结构固定下支架071和上支架072，同轴送粉机构保持原来的使用功能，从而适应不同使用者的具体需求。同步调整机构1中的上联动齿轮13、联动轴12和下联动齿轮14在安装至同轴送粉机构上后具体联动上支架072和升降调节筒06来实现联动功能，以齿轮啮合的方式进行传动比较稳定。进一步设置的驱动机构2可以实现同步调整的自动化进行，在配合计算机控制后可以实时的进行调整，满足更灵活的加工需要，避免原来人工调整所造成的停机时间的浪费，提高加工效率来保证产量。

当升降调节筒06向上运动，内活动支板05和外活动支板04绕铰链转动而抬起，使得送粉通道的末端出口向上移，粉末流的汇聚点较原来提升，同时下联动齿轮14被带动旋转，联动轴12、上联动齿轮13同步把旋转传递至上支架072令上支架072上移，从而激光焦点较原来提升。相反，当升降调节筒06向下运动时，内活动支板05和外活动支板04落下，送粉通道的末端出口向下移动，粉末流的汇聚点较之前下降，同时同步调整机构1的活动令上支架072下移，令激光焦点较原来下降。从而使得粉末流的汇聚点和粉末浓度分布产生变化，而粉末流的汇聚点和激光焦点没有变化，满足具体的加工需要。

作为一种改进的具体实施方式，上联动齿轮13包括主齿轮131和副齿轮132，主齿轮131和副齿轮132相互啮合并分别与联动轴12、上支架072配合传动，主齿轮131和副齿轮132的大小不同，令上支架072和升降调节筒06的旋转角度不同，令上支架072和升降调节筒06上下同步移动位置后粉末的汇聚点和激光焦点相适应重合。

如图1所示，因外活动支板04和内活动支板05转动所带来的粉末的汇聚点的变化与聚焦透镜08移动所带来的激光焦点的变化不是完全同步的，因此可以通过齿轮组的设计来实现上支架072和升降调节筒06呈比例的上下移动；具体采用上联动齿轮13处大小不同的主齿轮131和副齿轮132实现，来改变上支架072和升降调节筒06之间的旋转速率，进而达到在外活动支板04和内活动支板05位置变化和聚焦透镜08位置变化存在差异的情况下，保证最后粉末的汇聚点的变化和激光焦点的变化会达到同步，满足两者可以重合的状态，实现功能。具体齿轮组的大小参数，可以根据具体其他零部件的大小、配合移动时的具体偏差情况进行选择确定，可满足不同规格的金属3d打印装置的加工需要。

作为一种改进的具体实施方式，卡架11包括一对呈半环形的子架111，外筒壁01的上端具有一柱形连接体09，下支架071和外筒壁01之间通过柱形连接体09进行套设连接，子架111内侧具有与柱形连接体09相适配的卡槽112，一对子架111通过卡槽112定位卡设于柱形连接体09处，并由子架111两端设置紧固件进行安装固定；一处子架111上设置上下延伸的子安装架113，子安装架113上竖直设置供联动轴12在其中旋转配合的旋转孔114，子安装架113上下部均设置供上联动齿轮13和下联动齿轮14容纳的安装腔115。

如图1所示，结构上采用原来的柱形连接体09设计，可以不必去改动模具，降低结构改动的制造成本，而需要改变的是透镜安装架07的配合结构。以柱形连接体09的结构为基础，设计卡架11的具体结构，即为一对呈半环形的子架111，通过卡槽112可以相匹配的限位安装于柱形连接体09处，保证了上下位置的固定；一对卡架11相合即可定位于柱形连接体09处，拆装方便，有利于上联动齿轮13和下联动齿轮14分别与上支架072和升降调节筒06的配合齿3接触啮合与分离，不会产生干扰。一处子架111用于设置子安装架113，子安装架113内的旋转孔114可具体设置现有结构例如轴承来满足联动轴12限位和旋转的需要，上下分别设置安装腔115供上联动齿轮13和下联动齿轮14可旋转的安装容纳，结构简单便于制造，其集中位于同轴送粉机构的一侧，不影响其他部件的设置。

作为一种改进的具体实施方式，柱形连接体09上设置有一定位柱091，子架111的卡槽112中设置有与定位柱091相配合卡设的定位槽092。

如图1所示，定位柱091和定位槽092的设置良好的限定了子架111唯一的安装位置，在安装完成后能够保证上联动齿轮13和下联动齿轮14分别与上支架072和升降调节筒06的对应位置，实现准确安装，且使用过程不会出现子架111位移的情况，提高结构间配合的稳定性，降低零部件磨损的可能。

作为一种改进的具体实施方式，上支架072套设于下支架071内，子安装架113上部向上支架072延伸形成靠近部116，靠近部116向下开设一嵌槽117，当卡架11安装至外筒壁01上到位时，嵌槽117与下支架071上端边缘相卡限位。

如图1所示，进一步的设置靠近部116，在子架111与柱形连接体09安装完成后，靠近部116的侧边靠近上支架072，可以尽量封闭安装腔115，令上联动齿轮13和配合齿3的配合不被外界的粉尘干扰，粉尘或杂物不易进入安装腔115。嵌槽117的设置可以在子架111与柱形连接体09安装完成后，与下支架071上端边缘相卡限位，从而稳定了同步调整机构1和下支架071的相对位置，令两者的结构更加稳定，提高产品一体性，降低零部件运行可能产生的抖动磨损。

作为一种改进的具体实施方式，上联动齿轮13和下联动齿轮14均配合设置有锁止机构4，锁止机构4包括抵触凸轮41、锁止板42和限位弹簧43，锁止板42可滑移的设置在子安装架113上，抵触凸轮41通过一转轴44可旋转的设置在子安装架113上，锁止板42上设置一布置孔421供抵触凸轮41容纳于其中，抵触凸轮41在旋转时由突出部分抵触布置孔421的孔壁将锁止板42抵向上联动齿轮13或下联动齿轮14，锁止板42朝向上联动齿轮13或下联动齿轮14一侧设置有用于卡住上联动齿轮13或下联动齿轮14的锁定齿422；限位弹簧43设置在锁止板42和子安装架113之间，并在抵触凸轮41限位锁止板42令锁定齿422锁定上联动齿轮13或下联动齿轮14时被压缩或拉伸而积蓄势能，在抵触凸轮41解除对锁止板42的锁定时解放势能令锁止板42远离上联动齿轮13或下联动齿轮14。

如图3所示，锁止机构4的设置用于保证上联动齿轮13和下联动齿轮14被锁定，两者分别啮合着的上支架072和升降调节筒06不会被外力轻易的带动旋转，从而保证了粉末的汇聚点和激光焦点位置的稳定，保证加工出的成本率。具体实施时，转轴44通过驱动气缸5来驱动，可以保证抵触凸轮41的位置稳定。抵触凸轮41将锁止板42的锁定齿422抵向上联动齿轮13或下联动齿轮14，抵触凸轮41的突出部分正对上联动齿轮13或下联动齿轮14，从而可以达到一个结构的平衡，锁止板42在子安装架113上的滑移方向为正向的靠近或远离上联动齿轮13或下联动齿轮14，就算上联动齿轮13或下联动齿轮14受到外力想要旋转，锁止板42也难以顶开正对的抵触凸轮41，结构上非常稳定。另一方面，通过限位弹簧43的设计，在没有抵触凸轮41抵触的情况下，可以保证锁止板42被限位弹簧43的回复力带离开上联动齿轮13或下联动齿轮14，确保上联动齿轮13或下联动齿轮14的正常工作。具体的结构可由图3所示来设计，子安装架113上设置一立板，锁止板42上开一方孔，立板容纳于其中，并通过立板和方孔侧壁限位限位弹簧43，进行压缩和释放。当然，如图只是锁止机构4的一种实施方式，现实中可以根据同步调整机构1结构设计不同的具体结构来适应整体结构需要。

作为一种改进的具体实施方式，上联动齿轮13和下联动齿轮14的锁止机构4共用一根转轴44而令两组抵触凸轮41联动，转轴44伸出于子安装架113外，并设置驱动气缸5对转轴44进行旋转驱动。

如图4、5所示，以上实施方式作为一种功能上的优化，通过一组驱动气缸5同时控制两个位置锁止机构4，达到控制上的统一化，也是简化零部件，控制成本。具体实施时，可以在驱动气缸5的轴上设置齿条，转轴44上设置轮齿，两者进行啮合传动，驱动气缸5的伸出和收回两个工位，可以良好的为抵触凸轮41提供抵触到位和解除抵触的两个位置状态。

作为一种改进的具体实施方式，驱动机构2包括可滑移设置于子安装架113上的滑移架24、固定设置于滑移架24上的驱动电机21、设置于驱动电机21的轴上的第一斜齿轮22和设置于联动轴12上的第二斜齿轮23，滑移架24上设置一连接架25，连接架25连接至驱动气缸5的轴上；驱动气缸5具有伸出和收回两个工位，一个工位对应转轴44运动至抵触凸轮41限位锁止板42令锁定齿422锁定上联动齿轮13或下联动齿轮14，同时滑移架24滑移至驱动电机21轴上的第一斜齿轮22与第二斜齿轮23分离；另一个工位对应转轴44运动至抵触凸轮41解除对锁止板42的锁定令锁定齿422与上联动齿轮13或下联动齿轮14分离，同时滑移架24滑移至驱动电机21轴上的第一斜齿轮22与第二斜齿轮23啮合传动。

如图4、5所示，驱动机构2和锁止机构4如果同时在工作可能会产生冲突造成零部件的损坏，因此进一步设计了以上的联动结构。具体的，驱动电机21轴上的第一斜齿轮22是否与联动轴12上的第二斜齿轮23啮合由驱动气缸5控制；如图为例，驱动气缸5处于收回工位，此时锁止机构4对上联动齿轮13和下联动齿轮14解除锁定，同时第一斜齿轮22和第二斜齿轮23处于啮合状态，驱动电机21可以带动上联动齿轮13和下联动齿轮14旋转工作；若驱动气缸5伸出而处于伸出状态，驱动气缸5驱动转轴44、抵触凸轮41、锁止板42联动，锁止板42的锁定齿422锁定上联动齿轮13或下联动齿轮14，同时第一斜齿轮22和第二斜齿轮23分离，此时就算误操作启动了驱动电机21也不会有事，大大提高了结构上的安全性，有利于零部件的良好配合和长期使用，避免机械故障带来的损失。当然，如图只是驱动机构2和驱动气缸5的一种实施方式，现实中可以根据同步调整机构1结构设计不同的具体结构来适应整体结构需要。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。