光斑间距可调整的单头多光斑3D激光打印头及打印设备的制作方法

光斑间距可调整的单头多光斑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，尤其涉及一种光斑间距可调整的单头多光斑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。激光选区熔化(slm)技术是金属am领域的重要技术之一,它采用高能量密度激光器作为热源,选择熔化颗粒直径在5～50μm间的球形金属粉末,可以得到高自由度的复杂金属构件,生成近乎100％的高致密度零件,表面粗糙度可达20～30μm,尺寸精度可达20～50μm。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。
3.在实际激光打印应用中，为了匹配具体的打印工艺要求，需要对诸光斑的相对位置进行调整，该专利没有给出具体的解决方案。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头及打印设备，可以使打印设备更加灵活的适配各种打印工艺的要求。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头，其特征是：包括n个光纤输出激光模块、以及与光纤输出激光模块一一对应的多个准直镜头，所述n大于等于2；还包括m个光位移器，所述m小于等于n；以及激光扫描振镜和聚焦镜头；其中：
6.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；所述光位移器位于所述光纤输出激光模块及所述准直镜头之间的光路上，用于使所述光纤输出激光模块输出光纤端面由其成的像的位置发生位移；所述激光扫描振镜位于所述准直镜头的输出光路中，用于实现两维扫描，将来自诸所述准直镜头的诸平行光指向所需位置；所述聚焦镜头设置在所述激光扫描振镜的输出光路中，将激光扫描振镜的输出光汇聚到后焦面上。
7.进一步的，所述光纤输出激光模块输出光纤端面在相应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一个扫描方向垂直。
8.进一步的，所述光纤输出激光模块输出光纤端面在相应所述准直镜头前焦面上的位置，使光纤输出激光模块在所述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扫描方向之间夹角成45度。
9.进一步的，所述准直镜头采用变焦镜头；所述激光扫描振镜为两维激光扫描振镜；所述聚焦镜头为平场聚焦镜头。
10.进一步的，所述准直镜头光轴基本平行。
11.进一步的，所述光位移器为透射位移器，或者是反射位移器。
12.进一步的，所述光位移器是光楔，且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的垂直于所述准直透镜光轴的位置。
13.进一步的，所述光位移器是反射镜，且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所述准直镜头光轴的位置。
14.本发明还提供了一种激光打印设备，包括上述光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头。
15.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；
16.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，并控制所述光斑间距可调整的单头多光斑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。
17.进一步的，所述光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头至少有两个。
18.优选的，所述诸光纤输出激光模块输出光纤的参数相同；所述诸准直镜头光学参数相同。
19.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果，本实用新型通过单头多光斑结构，使3d打印烧结过程的效率在保证同等打印精度的前提下成多倍增加。同时，本实用新型基于光斑间距可调整技术，可使设备灵活适应各种打印工艺要求，进一步拓宽了本实用新型打印头的适用范围。
20.进一步的，本实用新型的准直镜头选用变焦镜头，采用变焦准直镜头的好处是打印方便调整光斑大小，更好适应打印工艺要求。
21.进一步的，本实用新型还提供了采用光斑间距可调整的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，通过合理的结构设计，对光纤输出激光模块进行合理布局，调整形成打印光斑的位置，从而提升3d打印的效率，单位效率的设备成本也将大幅降低。
附图说明
22.图1为本实用新型提出的采用光楔作为光位移器的光斑间距可调整的3d激光打印头的结构示意图。
23.图2为本实用新型提出的采用反射镜作为光位移器的光斑间距可调整的3d激光打印头的结构示意图。
24.图3为本实用新型提出的采用单个光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头的3d打印设备的结构示意图。
25.图4为本实用新型提出的采用多个光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头的3d打印设备的结构示意图。
26.其中：m-1
…
m-n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；pcjjj表示平场聚焦镜；dyt-1
…
dyt-m分别表示光斑间距可调整的单头多光斑3d打印头；tswyq-1
…
tswyq-m表示透射式位移器；fswyq-1
…
fswyq-m表示反射式位移器；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
27.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型提出的光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头及设备进行详细说明。
28.图1为本实用新型提出的采用光楔作为光位移器的光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头结构示意图，在本实施例中，n个光纤输出激光模块m-1
…
m-n的输出光纤的端面分别位于与之一一对应的准直镜头zzj-1
…
zzj-n的前方焦面上，n个准直镜头的光轴基本平行，准直镜头光轴在实际的生产过程中，很难保证绝对的平行，基本平行即可满足本技术的需求。另外，即使准直镜头光轴稍微不平行，本技术通过位置变化也可以进行补偿。还包括m个光位移器，所述m小于等于n；本实用新型的方案中，光位移器的数量m与光纤输出激光模块的数量n可以相同，此时，光位移器与光纤输出激光模块之间是一一对应的关系，所有的光纤输出激光模块的输出光的光路都处在可调节的状态。当然，在实际的生产使用过程中，因为光斑之间的间距是相互的，所以即使需要对最终形成光斑之间的间距进行调整，也不需要所有的光路都进行调节，比如在n个光纤输出激光模块的n个输出光路中，第一个光纤输出激光模块不设置光位移器，仅调节其余的n-1条光路依然可以实现本实用新型的目的；同理，有两条光路不进行调节或者更多一些的光路不进行调节对于本领域的技术人员来说，也是可以推导出来的。
29.在图1所示的实施例中，光位移器选用透射式光位移器，透射式光位移器位于光纤输出激光模块与准直镜头之间的光路上，在本实施例的结构中，光位移器是采用光楔，通过沿准直镜头光轴方向位移，可以调整光纤输出激光模块输出光纤端面通过光楔成的像沿垂直与光轴方向的位移量，该位移量由光楔的偏转角及光楔的位移量联合决定。由诸准直镜头输出的平行光进入两维激光扫描振镜smzj，然后根据激光扫描振镜smzj的输出指向成像在平场聚焦镜头的后焦面上。通过控制诸光纤输出激光模块的开关、诸光位移器的位置及两维激光扫描振镜，可实现光斑间距可调整的单头多光斑激光3d打印。
30.在图1所示的光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头中，设置诸光纤输出激光模块输出光纤的参数相同；诸准直镜头光学参数相同；调整诸光纤输出激光模块输出光纤端面在相应所述准直镜头前焦面上的位置，使它们在平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述两维激光扫描振镜的一个扫描方向垂直，通常垂直于水平扫描方向；通过控制诸所述光纤输出激光模块的开关及所述两维激光扫描振镜，该打印头可在保持打印精度的情况下，提升打印速度n倍。当进行不同材料的打印时，由于熔池特性存在差异，采用本实用新型的激光打印头，可以通过调整诸光楔的位置，就可以调整诸光斑的间距，灵活满足打印工艺要求。
31.在图1所示的光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头中，设置诸光纤输出激光模块输出光纤的参数相同；诸准直镜头光学参数相同；调整诸光纤输出激光模块输出光纤端面在相应所述准直镜头前焦面上的位置，使它们在平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述两维激光扫描振镜的两个扫描方向成一定夹角。在本实用新型的某一优选实施例中，线的走向与所述两维激光扫描振镜的两个扫描方向成45度角；通过控制诸所述光纤输出激光模块的开关及所述两维激光扫描振镜，该打印头可在保持打印精度的情况下，提升打印速度n倍。这种设计可以满足打印方向交替变化的应用，这种应用可以降低打印产品的内应力。当进行不同材料的打印时，由于熔池特性会有差异，通过调整诸光楔的位置，就可以调整诸光斑的间距，灵活满足打印工艺要求。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，线的走向与所述两维激光扫描振镜的两个扫描方向也可以为其他角度，也可以实现对两维方向的3d打印的支撑。
32.在本实用新型的某一优选实施例中，准直镜头选用变焦镜头，采用变焦准直镜头能够方便调整光斑大小，更好适应打印工艺要求。
33.图2为本实用新型提出的采用反射镜作为光位移器的光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头结构示意图。n个光纤输出激光模块m-1
…
m-n的输出光纤的端面分别位于与之一一对应的准直镜头zzj-1
…
zzj-n的前方焦面上，n个准直镜头的光轴基本平行。反射式光位移器位于光纤输出激光模块与准直镜头之间的光路上。
34.在本实施结构中，光位移器是一片反射镜，通过调整反射镜的角度，可以调整光纤输出激光模块输出光纤端面通过反射镜成的像沿垂直与光轴方向的位移量，该位移量由反射镜的偏转角及反射镜距输出光纤端面的距离联合决定。由诸准直镜头输出的平行光进入两维激光扫描振镜smzj，然后根据激光扫描振镜smzj的输出指向成像在平场聚焦镜头的后焦面上。通过控制诸光纤输出激光模块的开关、诸光位移器的位置及两维激光扫描振镜，可实现光斑间距可调整的单头多光斑激光3d打印。
35.在该光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头中，如果诸光纤输出激光模块输出光纤的参数相同；诸准直镜头光学参数相同；调整诸光纤输出激光模块输出光纤端面在相应所述准直镜头前焦面上的位置，使它们在平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述两维激光扫描振镜的一个扫描方向垂直，通常垂直于水平扫描方向；通过控制诸所述光纤输出激光模块的开关及所述两维激光扫描振镜，该打印头可在保持打印精度的情况下，提升打印速度n倍。当进行不同材料的打印时，由于熔池特性会有差异，通过调整诸反射镜的角度，就可以调整诸光斑的间距，灵活满足打印工艺要求。
36.在该光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头中，如果诸光纤输出激光模块输出光纤的参数相同；诸准直镜头光学参数相同；调整诸光纤输出激光模块输出光纤端面在相应所述准直镜头前焦面上的位置，使它们在平场聚焦镜头焦面上的像以一定间距排成线状，且线的走向与所述两维激光扫描振镜的两个扫描方向成45度角；通过控制诸所述光纤输出激光模块的开关及所述两维激光扫描振镜，该打印头可在保持打印精度的情况下，提升打印速度n倍。这种设计可以满足打印方向交替变化的应用，这种应用可以降低打印产品的内应力。当进行不同材料的打印时，由于熔池特性会有差异，通过调整诸反射镜的角度，就可以调整诸光斑的间距，灵活满足打印工艺要求。
37.优选的，准直镜头可为变焦镜头。采用变焦准直镜头的好处是打印方便调整光斑
大小，更好适应打印工艺要求。
38.根据上述光斑间距可调整单头多光斑3d激光打印头技术方案，本实用新型提出了一种采用单个光斑间距可调整的单头多光斑3d激光打印头的设备。参见图3，该设备由光斑间距调整单头多光斑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，并控制光斑间距可调单头多光斑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。
39.根据上述光斑间距可调整单头多光斑3d激光打印头，本实用新型还提出了一种采用多个光斑间距可调整单头多光斑3d激光打印头的设备，参见图4，由m个光斑间距可调整的单头多光斑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，并控制诸光斑间距可调整单头多光斑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。
40.根据本实用新型所提出的光斑间距可调整单头多光斑3d激光打印头技术方案，我们设计了一种打印头，技术参数为：
41.1、采用3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；
42.2、3个准直镜头焦距60毫米，成品字形排列，光轴基本平行，相邻镜头中心间距10毫米；
43.3、平场聚焦镜头焦距420毫米；
44.4、激光扫描振镜在平场聚焦镜头焦面上的打印范围为250毫米
×
250毫米；
45.5、3个光斑在垂直于水平扫描方向上排成一列，间距240微米；
46.6、光斑大小98微米；
47.7、设置两个光位移器，位于边缘两光斑对应的光路中，光位移器为光楔，光楔沿光轴方向调整范围为15毫米，间距调整范围为正负50微米。该打印头的烧结速度可达传统技术方案的3倍。
48.根据本实用新型所提出的光斑间距可调整单头多光斑3d激光打印头技术方案，我们设计了一种打印头，技术参数为：
49.1、采用3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；
50.2、3个准直镜头焦距60毫米，成品字形排列，光轴基本平行，相邻镜头中心间距10毫米；
51.3、平场聚焦镜头焦距420毫米；
52.4、激光扫描振镜在平场聚焦镜头焦面上的打印范围为250毫米
×
250毫米；
53.5、3个光斑在与水平扫描方向成45度的方向上排成一列，间距339.4微米；
54.6、光斑大小98微米；
55.7、设置两个光位移器，位于边缘两光斑对应的光路中，光位移器为反射镜，反射镜用压电陶瓷驱动，反射镜中心距输出光学端面15毫米，间距调整范围为正负50微米。该打印头的烧结速度可达传统技术方案的3倍。
56.本实用新型提供的光斑间距可调整单头多光斑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。
57.以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。