專利名稱：一種以低熔點(diǎn)玻璃粉末為原材料的3d激光打印裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種3D激光打印裝置，尤其涉及一種以低熔點(diǎn)玻璃粉末為原材料的3D激光打印頭。
背景技術(shù)：
3D打印機(jī)是一種近年來流行的技術(shù)，它廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)模具的打印，節(jié)約了很多產(chǎn)品到市場(chǎng)的開發(fā)時(shí)間。使用3D打印機(jī)可以將電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)制作的物體三維模型直接以立體的形式打印出來。通常的3D打印機(jī)使用塑料為原材料，以堆積薄層的形式生成固態(tài)實(shí)體。即軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)像2維打印一樣在塑料粉末層上噴出黏合劑，并將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。其他的塑料粉末固化方法有熔積成型法，即在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層?；蛘呤峭ㄟ^激光燒結(jié)的方法將塑料粉末熔鑄成指定形狀。以塑料為打印材料具有一定的局限性，比如在一些工作溫度比較高的應(yīng)用就無法使用塑料。使用玻璃或金屬材料可以用激光燒結(jié)的方法熔鑄成指定形狀，但這種3D激光打印機(jī)通常價(jià)格極其昂貴，并且體積龐大。主要因?yàn)椴ＡЩ蚪饘俚娜刍瘻囟容^高，通常超過1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固體激光器固定在打印頭的位置，這類激光器體積較大，安裝和調(diào)試不便。這里需要說明的是低熔點(diǎn)的金屬粉末在空氣中易燃，因而不具有3D打印的實(shí)用性。為了解決塑料3D打印材料使用溫度低，以及普通金屬和玻璃3D打印機(jī)體積大和成本高的問題，本發(fā)明提出了一種使用低熔點(diǎn)的磷酸鹽玻璃(Phosphate glass)為原材料的3D激光打印裝置。所選取的磷酸鹽玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg小于450度，其激光燒結(jié)的溫度在800度以內(nèi)，因而用幾組商用的光纖激光器共同照射在燒結(jié)點(diǎn)就可以產(chǎn)生足夠的功率密度以實(shí)現(xiàn)玻璃的熔鑄成型。本發(fā)明所采用的光纖激光器是以摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，它是在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器與傳統(tǒng)的固體和氣體激光器相比具有以下優(yōu)勢(shì)，如:能量轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。


圖1是3D激光打印頭的等軸測(cè)立體視 圖2是3D激光打印頭的剖面圖。其中附圖標(biāo)記 I為準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)； 2為玻璃粉末噴射裝置；
3為內(nèi)層空腔；4為低熔點(diǎn)玻璃粉末；
5為玻璃粉末噴口；
6為固定支架；
7為燒結(jié)點(diǎn)；
8為增益光纖管路。

圖1是3D激光打印頭的 等軸測(cè)立體視 圖2是3D激光打印頭的剖面圖。其中附圖標(biāo)記 I為準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)；
2為玻璃粉末噴射裝置；
3為內(nèi)層空腔；
4為低熔點(diǎn)玻璃粉末；
5為玻璃粉末噴口；
6為固定支架；
7為燒結(jié)點(diǎn)；
8為增益光纖管路。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)發(fā)明作更詳細(xì)描述，相同標(biāo)記表示相同的部件。為了更好的理解，附圖中所示的部件是按比例繪制的示意性表示，即該附圖的部件不表示真實(shí)尺寸，這些真實(shí)尺寸對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說都是公知的，因此在這里不作詳細(xì)描述。本發(fā)明中的光纖激光器米用摻稀土兀素光纖作為增益介質(zhì)，波長(zhǎng)為1460nm,輸出功率為300w飛00w。參考圖1是3D激光打印頭的等軸測(cè)立體視圖。I為光纖激光器的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，8為其增益光纖管路。光纖激光器的泵浦源和稱合光學(xué)系統(tǒng)布置在3D打印機(jī)的其他位置，由增益光纖管路8與3D打印頭連接。光纖激光器共有四組，由固定支架6對(duì)稱安置在玻璃粉末噴射裝置2的四周。其四組激光束與玻璃粉末噴口 5都對(duì)準(zhǔn)燒結(jié)點(diǎn)7。固定支架6的材料為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)由CNC車床精密加工制成，保證激光器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的精確定位。四組激光器的方向都經(jīng)過校準(zhǔn)使其光軸與燒結(jié)點(diǎn)7的空間位置偏差控制在0.05mm內(nèi)。每一束激光在燒結(jié)點(diǎn)7的50%高斯能量分布直徑控制在小于1mm。這樣如果都采用500w輸出功率的光纖激光器，則四束激光在燒結(jié)點(diǎn)的峰值功率密度約為IOOOw/ mm 2，可以使噴出的玻璃粉末在極短時(shí)間內(nèi)快速燒結(jié)。在本發(fā)明的實(shí)施方案及其附圖中采用了四組光纖激光器，其實(shí)如果采用更高輸出功率的光纖激光器，激光器的數(shù)量可以減少為三組或兩組。不管采用幾組光纖激光器，它們的輸出功率應(yīng)該一致，并且各個(gè)激光器的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)在玻璃粉末噴射裝置周圍呈對(duì)稱分布，各個(gè)激光束都會(huì)聚在燒結(jié)點(diǎn)上。參考圖2中3D激光打印頭的剖面圖。玻璃粉末噴射裝置2由兩層空腔構(gòu)成，其內(nèi)層空腔3內(nèi)部裝有低熔點(diǎn)玻璃粉末4。內(nèi)層空腔的底部有出口與外層空腔之間的間隙聯(lián)通，外層空腔的底部加工成噴口 5。玻璃粉末4的顆粒直徑為l(T50um。當(dāng)3D激光打印機(jī)工作時(shí)，兩層空腔之間的間隙充高壓氣體，氣體從噴口 5流出。氣體壓力控制在1.5到2個(gè)大氣壓之間。噴口 5的內(nèi)壁直徑為2mm左右。當(dāng)氣體高速?gòu)膰娍?5流出時(shí)，帶動(dòng)空腔3下方出口的玻璃粉末一起由噴口 5噴出。玻璃粉末噴射裝置2及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都由不銹鋼制成，其中內(nèi)層腔體3與裝有玻璃粉末盒的導(dǎo)管相連。噴口 5到激光燒結(jié)點(diǎn)7的位置約為20_。3D激光打印機(jī)工作時(shí)，打印頭始終處于噴口垂直向下的姿態(tài)，這樣才能保證由噴口噴出的低熔點(diǎn)玻璃粉末落入燒結(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)打印速度需要加快時(shí)，則要提高玻璃粉末噴射裝置內(nèi)部的氣體壓力以及光纖激光器的輸出功率。由于磷酸鹽體系的低熔點(diǎn)玻璃粉末易潮解，所以在粉末原料盒內(nèi)部需要加干燥劑。另外一次3D打印后在粉末噴射裝置內(nèi)殘留的玻璃粉末要全部由高壓氣體帶動(dòng)排除，否則玻璃粉末潮解后會(huì)堵塞噴口。3D打印機(jī)是一種近年來流行的技術(shù)，它廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)模具的打印，節(jié)約了很多產(chǎn)品到市場(chǎng)的開發(fā)時(shí)間。使用3D打印機(jī)可以將電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)制作的物體三維模型直接以立體的形式打印出來。通常的3D打印機(jī)使用塑料為原材料，以堆積薄層的形式生成固態(tài)實(shí)體。即軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)像2維打印一樣在塑料粉末層上噴出黏合劑，并將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。其他的塑料粉末固化方法有熔積成型法，即在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層?；蛘呤峭ㄟ^激光燒結(jié)的方法將塑料粉末熔鑄成指定形狀。以塑料為打印材料具有一定的局限性，比如在一些工作溫度比較高的應(yīng)用就無法使用塑料。使用玻璃或金屬材料可以用激光燒結(jié)的方法熔鑄成指定形狀，但這種3D激光打印機(jī)通常價(jià)格極其昂貴，并且體積龐大。主要因?yàn)椴ＡЩ蚪饘俚娜刍瘻囟容^高，通常超過1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固體激光器固定在打印頭的位置，這類激光器體積較大，安裝和調(diào)試不便。這里需要說明的是低熔點(diǎn)的金屬粉末在空氣中易燃，因而不具有3D打印的實(shí)用性。 為了解決塑料3D打印材料使用溫度低，以及普通金屬和玻璃3D打印機(jī)體積大和成本高的問題，本發(fā)明提出了一種使用低熔點(diǎn)的磷酸鹽玻璃(Phosphate glass)為原材料的3D激光打印裝置。所選取的磷酸鹽玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg小于450度，其激光燒結(jié)的溫度在800度以內(nèi)，因而用幾組商用的光纖激光器共同照射在燒結(jié)點(diǎn)就可以產(chǎn)生足夠的功率密度以實(shí)現(xiàn)玻璃的熔鑄成型。本發(fā)明所采用的光纖激光器是以摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，它是在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器與傳統(tǒng)的固體和氣體激光器相比具有以下優(yōu)勢(shì)，如:能量轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)發(fā)明作更詳細(xì)描述，相同標(biāo)記表示相同的部件。為了更好的理解，附圖中所示的部件是按比例繪制的示意性表示，即該附圖的部件不表示真實(shí)尺寸，這些真實(shí)尺寸對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說都是公知的，因此在這里不作詳細(xì)描述。本發(fā)明中的光纖激光器米用摻稀土兀素光纖作為增益介質(zhì)，波長(zhǎng)為1460nm,輸出功率為300w飛00w。參考圖1是3D激光打印頭的等軸測(cè)立體視圖。I為光纖激光器的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，8為其增益光纖管路。光纖激光器的泵浦源和稱合光學(xué)系統(tǒng)布置在3D打印機(jī)的其他位置，由增益光纖管路8與3D打印頭連接。光纖激光器共有四組，由固定支架6對(duì)稱安置在玻璃粉末噴射裝置2的四周。其四組激光束與玻璃粉末噴口 5都對(duì)準(zhǔn)燒結(jié)點(diǎn)7。固定支架6的材料為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)由CNC車床精密加工制成，保證激光器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的精確定位。四組激光器的方向都經(jīng)過校準(zhǔn)使其光軸與燒結(jié)點(diǎn)7的空間位置偏差控制在0.05mm內(nèi)。每一束激光在燒結(jié)點(diǎn)7的50%高斯能量分布直徑控制在小于1mm。這樣如果都采用500w輸出功率的光纖激光器，則四束激光在燒結(jié)點(diǎn)的峰值功率密度約為IOOOw/ mm 2，可以使噴出的玻璃粉末在極短時(shí)間內(nèi)快速燒結(jié)。在本發(fā)明的實(shí)施方案及其附圖中采用了四組光纖激光器，其實(shí)如果采用更高輸出功率的光纖激光器，激光器的數(shù)量可以減少為三組或兩組。不管采用幾組光纖激光器，它們的輸出功率應(yīng)該一致，并且各個(gè)激光器的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)在玻璃粉末噴射裝置周圍呈對(duì)稱分布，各個(gè)激光束都會(huì)聚在燒結(jié)點(diǎn)上。參考圖2中3D激光打印頭的剖面圖。玻璃粉末噴射裝置2由兩層空腔構(gòu)成，其內(nèi)層空腔3內(nèi)部裝有低熔點(diǎn)玻璃粉末4。內(nèi)層空腔的底部有出口與外層空腔之間的間隙聯(lián)通，外層空腔的底部加工成噴口 5。玻璃粉末4的顆粒直徑為l(T50um。當(dāng)3D激光打印機(jī)工作時(shí)，兩層空腔之間的間隙充高壓氣體，氣體從噴口 5流出。氣體壓力控制在1.5到2個(gè)大氣壓之間。噴口 5的內(nèi)壁直徑為2mm左右。當(dāng)氣體高速?gòu)膰娍?5流出時(shí)，帶動(dòng)空腔3下方出口的玻璃粉末一起由噴口 5噴出。玻璃粉末噴射裝置2及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都由不銹鋼制成，其中內(nèi)層腔體3與裝有玻璃粉末盒的導(dǎo)管相連。噴口 5到激光燒結(jié)點(diǎn)7的位置約為20_。3D激光打印機(jī)工作時(shí)，打印頭始終處于噴口垂直向下的姿態(tài)，這樣才能保證由噴口噴出的低熔點(diǎn)玻璃粉末落入燒結(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)打印速度需要加快時(shí)，則要提高玻璃粉末噴射裝置內(nèi)部的氣體壓力以及光纖激光器的輸出功率。由于磷酸鹽體系的低熔點(diǎn)玻璃粉末易潮解，所以在粉末原料盒內(nèi)部需要加干燥劑。另外一次3D打印后在粉末噴射裝置內(nèi)殘留的玻璃粉末要全部由高壓 氣體帶動(dòng)排除，否則玻璃粉末潮解后會(huì)堵塞噴口。
權(quán)利要求
1.一種以低熔點(diǎn)玻璃粉末為原材料的3D激光打印頭，包括兩到四組光纖激光器和低熔點(diǎn)玻璃粉末噴射裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光打印頭，其特征在于，所使用的低熔點(diǎn)玻璃粉末為磷酸鹽體系玻璃，其轉(zhuǎn)變溫度Tg值小于450度。
3.根據(jù)上述權(quán)利I和權(quán)利要求2所述的3D激光打印頭，其特征在于，各組光纖激光器的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)在玻璃粉末噴射裝置周圍呈對(duì)稱分布，各個(gè)激光束都匯聚在噴射裝置下方的玻璃燒結(jié)點(diǎn)上。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的3D激光打印頭，其特征在于，玻璃粉末噴射裝置由兩層空腔構(gòu)成，其內(nèi)層空腔裝有低熔點(diǎn)玻璃粉末，內(nèi)層空腔的底部有出口與外層空腔之間的間隙聯(lián)通，外層空腔的底部加工成噴口形狀。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的3D激光打印頭，其特征在于，3D激光打印機(jī)工作時(shí)，玻璃粉末噴射裝置內(nèi)部的兩層空腔之間充高壓氣體，氣體從噴口高速流出，同時(shí)帶動(dòng)內(nèi)層空腔下方出口的玻璃粉末一起噴出。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的3D激光打印頭，其特征在于，3D激光打印機(jī)工作時(shí)，打印頭始終處于噴口垂直向下的姿態(tài)，這樣才能保證由噴口噴出的低熔點(diǎn)玻璃粉末落入燒結(jié)點(diǎn) 位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種3D激光打印裝置，是一種以低熔點(diǎn)玻璃粉末為原材料的3D激光打印頭。普通的3D激光打印機(jī)因?yàn)椴ＡЩ蚪饘俚娜刍瘻囟韧ǔ３^1000度，需要大功率的二氧化碳激光器或固體激光器固定在打印頭的位置，所以體積較大，安裝和調(diào)試不便。本發(fā)明是用低熔點(diǎn)的磷酸鹽玻璃(Phosphateglass)為原材料的3D激光打印裝置，所選取的磷酸鹽玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg小于450度，其激光燒結(jié)的溫度在800度以內(nèi)，因而用幾組商用的光纖激光器共同照射在燒結(jié)點(diǎn)就可以產(chǎn)生足夠的功率密度以實(shí)現(xiàn)玻璃的熔鑄成型。具有能量轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)C03B19/06GK103073174SQ201310052930
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月19日
發(fā)明者張倩 申請(qǐng)人:蘇州百納思光學(xué)科技有限公司