一种单头多光斑3D激光打印头及打印设备的制作方法

一种单头多光斑3d激光打印头及打印设备
技术领域
1.本实用新型属于激光3d打印领域，尤其涉及一种单头多光斑3d激光打印头及打印设备。


背景技术：

2.增材制造(am)技术通过材料逐层累加的方式直接制造实体零件,能够将计算机辅助设计(cad)三维软件中设计好的实体三维模型直接打印成型,相比传统加工工艺其更加方便快捷。增材制造需要打印激光产生的光斑在一个平面上扫描，实现这种功能的3d打印头目前有两种结构：一种结构由光纤输出头、准直镜头、激光扫描振镜和平场聚焦镜组成，另一种结构由光纤输出头、准直镜头、动态聚焦镜头和激光扫描振镜。平场聚焦镜是一种特殊设计光学镜头，它可以将来自不同方向的平行光汇聚在一个平面焦面上，且焦点偏离光轴的距离与偏离角度成线性关系，采用平场聚焦镜的系统可以直接使用一个两维激光扫描振镜实现光斑的平面扫描。采用动态聚焦镜头的系统，是通过动态改变聚焦镜头的位置或焦距，与激光扫描振镜协同工作，实现光斑的平面扫描。
3.目前，增材制造的主要问题是打印效率低，这严重制约了增材制造技术的应用。为了提高激光选区熔化技术的效率，中国专利申请号为202011349800.6的专利提出了一种可变光斑3d激光打印头，该技术在单个打印头上同时利用多个光斑进行打印，可以大幅提高效率。我们认为，该技术方案还存在以下问题：1、由于激光扫描振镜所允许的光束口径受到限制，进而准直镜头的最大焦距受到限制，这就限制了最小产生的光斑尺寸；2、由于激光扫描振镜所允许的光束口径受到限制，这就限制了可以引入的光斑数量，效率提高的空间受到限制；3、系统结构比较复杂。此外，采用动态聚焦镜头的3d打印技术还缺乏相应的单头多光斑打印技术。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的问题，本实用新型的目的是提供一种单头多光斑3d激光打印头及打印设备，可以拓展打印设备效率提高的空间，降低最小光斑尺寸限制的下限，简化系统结构。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种单头多光斑3d激光打印头，包括依次设置的准直镜头和激光扫描振镜，所述准直镜头的数量至少为一个；
6.还包括在每个所述准直镜头前对应设置的诸光纤输出激光模块，且至少有一个所述准直镜头前设置有至少两个光纤输出激光模块；所述准直镜头用于将所对应的诸所述光纤输出激光模块的输出光纤端面输出的光变成平行光；
7.还包括动态聚焦镜头或者平场聚焦镜头，其中：
8.当设置有动态聚焦镜头时，所述动态聚焦镜头设置在准直镜头和激光扫描振镜之间，所述动态聚焦镜头设置在所述诸准直镜头的输出光路中，用于将来自诸所述准直镜头的光汇聚成后焦面上多个按一定规律分布的光斑；所述激光扫描振镜位于所述动态聚焦镜
头的输出光路上，用于实现两维角度扫描；所述动态聚焦镜头与所述激光扫描振镜协同工作，使来自诸所述准直镜头的诸光斑在所述动态聚焦镜头后方的一个平面上扫描；
9.当设置有平场聚焦镜头时，所述激光扫描振镜设置在所述诸准直镜头的输出光路上，用于实现两维扫描；所述平场聚焦镜头设置在所述激光扫描振镜的输出光路上，用于将来自所述激光振镜的诸光束汇聚成多个光斑。
10.一种单头多光斑3d激光打印头，包括至少两个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的准直镜头、动态聚焦镜头及激光扫描镜；其中：所述准直镜头用于将所对应的光纤输出激光模块的输出光纤端面输出的光变成平行光；所述动态聚焦镜头设置在所述诸准直镜头的输出光路中，将来自诸所述准直镜头的光汇聚成后焦面上多个按一定规律分布的光斑；
11.所述激光扫描振镜位于所述动态聚焦镜头的输出光路中，用于实现两维角度扫描；所述动态聚焦镜头与所述激光扫描振镜协同工作，使来自诸所述准直镜头的诸光斑在所述动态聚焦镜头后方的一个平面上扫描。
12.进一步的，所述动态聚焦镜头至少包含一片可以沿镜头光轴方向移动的透镜，用于使所汇聚的诸光斑沿光轴方向运动。
13.进一步的，在至少一个准直镜头与与之对应的光纤输出激光模块输出光纤的端面之间的光路上设置光位移器；所述光位移器用于使其对所述诸光纤端面成的像在光纤端面所在平面内移动，实现位置和光斑间距调整；
14.所述光位移器为光楔或者反射镜，当：
15.光位移器为光楔时，光楔沿所述准直镜头的光轴方向移动调整光纤输出激光模块输出光纤端面由光楔成的像垂直于所述准直透镜光轴的位置；
16.光位移器为反射镜时，反射镜转动调整光纤输出激光模块的输出光纤端面由反射镜成的像垂直于所述准直镜头光轴的位置。
17.进一步的，包括一个准直镜头及与之对应的至少两个所述光纤输出激光模块；
18.诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面在所述准直镜头前焦面上的位置，使光纤输出激光模块输出光纤端面在所述平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度；或者，
19.使光纤输出激光模块输出光纤端面在所述动态聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度。
20.进一步的，包括两个准直镜头及对应的两组激光模块，其中，两组激光模块中的光纤输出激光模块数量相同，且数量均大于等于2；还包括设置在每个光路中的一个光位移器，所述光位移器用于使两个准直镜头形成的光斑两两对应，形成组合光斑。
21.进一步的，在垂直于准直镜头光轴的方向上，与每个准直镜头相对应的诸光纤输出激光模块的输出光纤端面之间的间距可调整；所述准直镜头为变焦镜头
22.进一步的，所述动态聚焦镜头包括一个负透镜光组和一个正透镜光组；所述负透镜光组靠近所述准直镜头设置，用于使来自诸准直镜头的多个平行光束变成来自多个虚像点的发射光；所述正透镜光组用于将来自负透镜光组的光汇聚到其后的像面上；所述负透镜光组可沿平行于光轴方向运动。
23.本实用新型还提供了一种激光打印设备，其特征是：包括上述的单头多光斑3d激
光打印头。
24.进一步的，还包括控制单元、机械单元、工艺软件和保护气体单元组成；所述机械单元包括成型腔、成型缸、铺粉装置组成，所述成型缸连接在所述成型腔的底部，所述铺粉装置用于将待打印粉末均匀铺在成型缸上；所述成型腔的顶部设置有与所述单头多光斑3d打印头一一对应的保护玻璃，所述保护玻璃用于使激光打印头的输出光通过；所述成型腔上开设有用于连接保护气体单元的入气口和出气口；所述控制单元用于根据所述工艺软件设定的参数，控制所述成型缸和所述铺粉装置工作，并控制所述单头多光斑3d激光打印头输出的光通过成型腔体上的保护玻璃烧结成型缸上的粉末。
25.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果，当本实用新型采用一个准直镜头多光斑结构时，本方案所能提供的最小光斑直径为已公开技术方案的一半，可使打印工艺参数变化空间大幅增加；并且，可采用的光斑数量只取决于激光扫描振镜的最大承载功率。
26.进一步的，当本实用新型采用多个准直镜头多光斑结构时，使打印光斑组合的灵活性大幅提高的同时，打印工艺参数变化空间也大幅增加。
27.进一步的，光纤输出激光模块输出光纤端面在所述平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度；或者光纤输出激光模块输出光纤端面在所述动态聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度；45度的角度设计，能够很好的满足3d打印的横纵两个方向的高效打印，可以大幅降低打印过程的残余应力。
28.进一步的，本实用新型还提供了采用单头多光斑打印头的打印设备技术方案，采用多光斑3d打印头的设备由于共享机械单元、控制单元、工艺软件及保护气体单元，使得单位打印效率的设备成本大幅降低，此方案不仅填补了现有技术的空白，还大幅提高了打印效率。
附图说明
29.图1为本实用新型提出的采用平场聚焦镜头的单头多光斑激光打印头的结构示意图。
30.图2为本实用新型提出的采用动态聚焦镜头的第一种单头多光斑激光打印头的结构示意图。
31.图3为本实用新型提出的采用动态聚焦镜头的第二种单头多光斑激光打印头的结构示意图。
32.图4a为本实用新型提出的采用光楔作为光位移器且采用平场聚焦镜头的单头多光斑动3d激光打印头的结构示意图。
33.图4b为本实用新型提出的采用反射镜作为光位移器且采用平场聚焦镜头的单头多光斑3d激光打印头的结构示意图。
34.图5a为本实用新型提出的采用光楔作为光位移器且采用动态聚焦镜头的单头多光斑3d激光打印头的结构示意图。
35.图5b为本实用新型提出的采用反射镜作为光位移器且采用动态聚焦镜头的单头
多光斑3d激光打印头的结构示意图。
36.图6为本实用新型提出的采用动态聚焦镜头的单头多光斑3d激光打印头的一种实施结构。
37.图7为本实用新型提出的采用单个单头多光斑3d激光打印头的3d打印设备的结构示意图。
38.图8为本实用新型提出的采用多个单头多光斑3d激光打印头的3d打印设备的结构示意图。
39.其中：m-1、m-n、m-1-1、m-1-m、m-n-1、m-n-m分别表示光纤输出激光模块；zz-1、zz-n分别表示准直镜头；smzj表示激光扫描振镜；djjj表示动态聚焦镜，djjj-1表示动态聚焦镜中的负透镜光组，djjj-1表示动态聚焦镜中的正透镜光组；pcjjj表示平场聚焦镜；dyt-1、dyt-m分别表示单头多光斑3d打印头；gx-1、gx-n表示作为透射式位移器的光楔；fsj-1、fsj-n表示作为反射式位移器的反射镜；cxq表示成型腔；bhbl-1、bhbl-m表示成型腔上的保护玻璃；pfzz表示铺粉装置；cxg表示成型缸。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型提出的单头多光斑3d激光打印头及设备进行详细说明。
41.本实用新型提出的采用平场聚焦镜头的单头多光斑3d激光打印头的技术方案如图1所示。该打印头包括依次设置的至少一个准直镜头、激光扫描振镜和平场聚焦镜头，还包括在每个准镜头前对应设置的诸光纤输出激光模块，且至少有一个准直镜头前设置有至少两个光纤输出激光模块。其中：准直镜头zz-1、
…
、zz-n并行设置，分别用于将设置在其前焦面上的诸光纤输出激光模块m-1-1、
…
、m-1-m和m-n-1、m-n-m的输出光纤端面输出的光变成平行光；激光扫描振镜smzj设置在诸准直镜头的输出光路上，用于实现角空间两维扫描；平场聚焦镜头pcjjj设置在激光扫描振镜smzj的输出光路上，将来自激光扫描振镜smzj的诸光束汇聚成多个光斑，用于3d打印。
42.本实用新型提出的采用动态聚焦镜头的第一种单头多光斑3d激光打印头的技术方案如图2所示。该打印头包括依次设置的至少一个准直镜头、动态聚焦镜头和激光扫描振镜，还包括在每个准镜头前对应设置的诸光纤输出激光模块，且至少有一个准直镜头前设置有至少两个光纤输出激光模块。其中：准直镜头zz-1、
…
、zz-n并行设置，分别用于将设置在其前焦面上的光纤输出激光模块m-1-1、
…
、m-1-m和m-n-1、m-n-m的输出光纤端面输出的光变成平行光；动态聚焦镜头djjj设置在诸准直镜头的输出光路上，将诸准直镜头的光束汇聚多个光斑；激光扫描振镜smzj设置在动态聚焦镜头djjj的输出光路上，用于实现角空间两维扫描；动态聚焦镜头与激光扫描振镜协同工作，在动态聚焦镜头后方的一个平面上实现两维扫描，用于3d打印。
43.本实用新型提出的采用动态聚焦镜头的第二种单头多光斑3d激光打印头的技术方案如图3所示。该打印头包括至少两个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的准直镜头、动态聚焦镜头及激光扫描镜。其中：准直镜头zz-1、
…
、zz-n并行设置，分别用于将设置在其前焦面上的光纤输出激光模块m-1、
…
、m-n的输出光纤端面输出的光变成平行光；动态聚焦镜头djjj设置在诸准直镜头的输出光路上，将诸准直镜头的光束汇聚多个
光斑；激光扫描振镜smzj设置在动态聚焦镜头djjj的输出光路上，用于实现角空间两维扫描；动态聚焦镜头与激光扫描振镜协同工作，在动态聚焦镜头后方的一个平面上实现两维扫描，用于3d打印。
44.在实际激光3d打印生产中，为了使设备满足不同打印材料的工艺要求，需要多个打印光斑的位置可以根据需要进行调整。本实用新型给出的技术方案是：在至少一个准直镜头与之对应的诸光纤输出激光模块输出光纤的端面之间的光路上设置光位移器；光位移器可以使其对诸光纤端面成的像在光纤端面所在平面内移动，实现位置和光斑间距调整。其中：光位移器可以为光楔，光楔沿准直镜头的光轴方向移动调整光纤输出激光模块输出光纤端面由光楔成的像的垂直于准直透镜光轴的位置；光位移器还可以为反射镜，反射镜转动调整光纤输出激光模块的输出光纤端面由反射镜成的像的垂直于准直镜头光轴的位置。
45.根据上述基础性的技术方案，一种优选的实施方案是：只采用一个准直镜头及与之对应的至少两个光纤输出激光模块；设置诸光纤输出激光模块输出光纤端面在准直镜头前焦面上的位置，使光纤输出激光模块输出光纤端面在平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度；或者，使光纤输出激光模块输出光纤端面在所述动态聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述激光扫描振镜的两个垂直扫描方向之间夹角成45度。这种结构的光斑可以实现两维交替打印，消除残余热应力。
46.根据上述基础性的技术方案，一种优选的实施方案是：并行设置两个所述准直镜头及对应的两组所述光纤输出激光模块，每组所述激光模块数量相同且大于等于2；还在每个光路中设置一个光位移器；使来自两个所述准直镜头的形成的光斑两两对应，形成特定组合光斑。这种结构的好处是，可以利用特定光斑结构进行3d打印。比如，两种光斑大小不一样套在一起，大光斑可以起预热和缓冷功能。此外，在打印高反射材料时，大光斑可起到预热降低材料反射率的作用，增加作为工作光斑的小光斑的吸收率。
47.优选的，准直镜头为变焦镜头。这时，光斑大小可以灵活变化以满足不同材料的打印工艺要求。
48.优选的，与每个准直镜头对应的诸激光输出模块的输出光纤端面垂直于准直镜头光轴方向的间距可以调整。这是，可以满足不同材料的打印工艺要求。
49.优选的，动态聚焦镜头包括一个负透镜光组和一个正透镜光组；负透镜光组靠近所述准直镜头设置，使来自诸准直镜头的多个平行光束变成来自多个虚像点的发射光；正透镜光组将来自负透镜光组的光汇聚到其后的像面上；负透镜光组可以沿平行于光轴方向运动。参见图6，为本实用新型提出的采用负透镜光组合正透镜光组结构的动态聚焦镜头的单头多光斑3d激光打印头的一种实施结构，在这里，负透镜光组djjj-1可以沿光轴方向运动来改变其虚光点像的位置，正透镜光组djjj-2固定不动。动态聚焦镜还可以采用所以透镜都沿光轴方向运动的结构，相比之下，这种优选的结构可以大幅降低透镜的运动距离，提高动态聚焦镜头的相应速度，降低动态聚焦镜头实现的技术难度和成本。
50.本实用新型提出一种激光打印设备，它包括至少一个上述的单头多光斑3d激光打印头。
51.本实用新型提出了一种采用单个单头多光斑3d激光打印头的设备。参见图7，该设
备由单头多光斑3d打印头dyt-1、控制单元、机械单元、工艺软件和保护气体单元组成；其中，机械单元包括成型腔cxq、成型缸cxg、铺粉装置pfzz组成；成型缸cxg位于所述成型腔的底部，铺粉装置pfzz将待打印粉末均匀铺在成型缸cxg上；成型腔的顶部设置有保护玻璃bhbl-1；成型腔上设置有保护气体输入输出口，与保护气体单元相连。该设备的控制单元，根据工艺软件设定的参数，控制成型缸和铺粉装置工作，并控制单头多光斑3d激光打印头dyt-1输出的光通过成型腔cxq体上的保护玻璃bhbl-1烧结成型缸上的粉末。这种设备与现有设备技术方案相比，扫描烧结环节的速度会大幅提升，同时，由于多个激光器共享设备上的控制单元、机械单元、工艺软件和保护气体单元，单位打印重量的成本会大幅降低。该设备通过调整打印头上的光位移器，可以改变光斑间距，满足不同工艺要求。该设备还可以通过调整打印头上的准直镜头的焦距，改变光斑大小，满足不同工艺要求。
52.本实用新型还提出了一种采用多个单头多光斑3d激光打印头的设备，参见图8，由m个单头多光斑3d打印头dyt-1、
…
dyt-m、控制单元、机械单元、工艺软件和保护气体单元组成。其中：机械单元包括成型腔cxq、成型缸cxg、铺粉装置pfzz组成，成型缸位于成型腔的底部，铺粉装置将待打印的粉末均匀铺在成型缸上；成型腔的顶部设置有多个与诸可变光斑3d打印头一一对应的保护玻璃；成型腔上设置有保护气体输入输出口，与保护气体单元相连。该设备的控制单元，根据工艺软件设定的参数，控制成型缸和铺粉装置工作，并控制诸单头多光斑3d激光打印头输出的光通过成型腔体上的相应保护玻璃烧结成型缸上的粉末。该设备可以用于高效率的打印大型产品。该设备通过调整打印头上的光位移器，可以改变光斑间距，满足不同工艺要求。该设备还可以通过调整打印头上的准直镜头的焦距，改变光斑大小，满足不同工艺要求。
53.实施例1：根据图1所示技术方案，我们在某个实施例中，研制了一个单头多光斑打印头，技术参数为：1、准直镜头数：1，焦距125毫米；2、光纤输出激光模块数：3，每个模块激光功率500瓦，输出光纤包层直径250微米，芯径14微米，每个光纤输出端焊接一个玻璃端帽，3个光纤排列正直线，间距600微米，排列方向与激光扫描振镜的两个正交方向成45度；3、平场聚焦镜头焦距650毫米；4、打印区域300毫米x300毫米。该系统可以将激光烧结环节的速度提高3倍！
54.实施例2：根据图2所示技术方案，我们在某个实施例中，研制了一个单头多光斑打印头，技术参数为：1、准直镜头数：1，焦距150毫米；2、光纤输出激光模块数：3，每个模块激光功率500瓦，输出光纤包层直径250微米，芯径14微米，每个光纤输出端焊接一个玻璃端帽，3个光纤排列正直线，间距600微米，排列方向与激光扫描振镜的两个正交方向成45度；3、动态聚焦镜头焦距1000毫米，整体可以沿光轴方向移动，移动量为40毫米；4、打印区域400毫米x400毫米。该系统可以将激光烧结环节的速度提高3倍！
55.实施例3：根据图4a所示技术方案，我们在某个实施例中，研制了一个单头多光斑打印头，技术参数为：1、准直镜头数：2，两准直镜头焦距分别为100毫米和30毫米；2、光纤输出激光模块数：4，每个模块激光功率500瓦，输出光纤包层直径250微米，芯径14微米，每个光纤输出端焊接一个玻璃端帽，每两个光纤输出激光模块对应一个准直镜头，2个光纤间距250微米，排列方向与激光扫描振镜的两个正交方向成45度；3、平场聚焦镜头焦距650毫米；4、每个准直器与对应的两个光纤输出激光模块之间设置一个光楔，光楔可以沿准直镜头光轴方向移动，方便调整两组光斑之间的相对位置；5、打印区域300毫米x300毫米；6、调整两
组光斑之间的位置，使两组光斑重合。该系统可以将激光烧结环节的速度提高2倍，同时，该系统可以用于高反射材料的打印，这时，大光斑用于预热粉末，减小作为工作光斑的小光斑的反射率。该系统还可以减低打印应力，其中，大光斑的作用是预热和缓冷打印区域。
56.实施例4：根据图6所示方案，我们在某个实施例中，研制了一个单头多光斑打印头，技术参数为：(1)采用2个功率为500瓦的光纤激光器，波长1064纳米，输出光纤芯径14微米，数值孔径0.09；(2)2个准直镜头焦距85毫米，两镜头光轴间距9.5毫米；(3)动态聚焦镜头焦距在650毫米到685毫米间变化，动态聚焦镜中负光组的焦距为负324毫米，运动量6.5毫米，正透镜焦距252.6毫米；(4)激光扫描振镜在平场聚焦镜头焦面上的打印范围为300毫米x300毫米；(5)2个光斑在与水平扫描方向成45度的方向上排成一列，间距180微米；(6)设置两个光楔，作为光位移器，可沿光轴运动，使间距调整范围为正负100微米。该打印头的烧结速度可达传统技术方案的2倍。
57.本实用新型提供的单头多光斑3d激光打印头技术方案，可以在保证打印精度的情况下大幅提高激光烧结环节的效率，采用该打印头的设备的成本也会大幅降低，在一定程度上解决了当前激光3d打印设备效率低和成本高的问题。采用光斑间距可调整技术，使该设备能灵活满足不同材料的加工工艺要求。