一種噴粉式3d打印噴頭及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種噴粉式3D打印噴頭，其包括可調(diào)節(jié)激光光斑直徑的變光斑機(jī)構(gòu)、中間連接機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)及噴粉機(jī)構(gòu)，所述變光斑機(jī)構(gòu)通過所述中間連接機(jī)構(gòu)和所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴嘴機(jī)構(gòu)的噴嘴出口直徑隨著激光光斑直徑的調(diào)節(jié)而改變，所述噴粉機(jī)構(gòu)與所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴粉機(jī)構(gòu)具有多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，所述多套噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑的改變而進(jìn)行適用性地切換。所述噴粉式3D打印噴頭可在保證表面加工質(zhì)量的同時(shí)，有效提高加工效率。本發(fā)明另外提供一種噴粉式3D打印噴頭的控制方法，步驟簡單，易于操作實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】
一種噴粉式3D打印噴頭及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種噴粉式3D打印噴頭及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。其中，以金屬粉末為耗材的3D打印技術(shù)多采用激光恪覆成形技術(shù)(Laser cladding forming technology，LCF)，即噴粉式3D打印。
[0003]噴粉式3D打印技術(shù)的工作原理是把快速原型制造技術(shù)和激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，利用高能激光束在金屬基體上形成熔池，將通過送粉裝置和粉末噴嘴輸送到熔池的金屬粉末或事先預(yù)置于基體上的涂層熔化，快速凝固后與基體形成冶金結(jié)合，根據(jù)零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，逐線、逐層堆積材料，直接生成三維近終形金屬零件。
[0004]該技術(shù)具有成形零件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能優(yōu)良、加工材料范圍廣泛，可實(shí)現(xiàn)梯度功能、柔性化程度高、制造周期短、無模近終成形等。但是，該技術(shù)存在加工效率低等問題，且熔覆成形的堆積速度較低，約為0.1?4.1cm3/min，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)加工方法的效率，特別在加工大尺寸零件以及實(shí)心零件時(shí)，這種缺陷更加明顯，因此，如何提高噴粉式3D打印的效率是亟待解決的一個(gè)問題。
[0005]現(xiàn)有研究基本采用變大激光光斑直徑的方法來提高噴粉式3D打印的效率，研究表明，光斑直徑增大一倍，成形效率可以提高90%以上，但增大光斑直徑會(huì)嚴(yán)重影響零件成形質(zhì)量，特別是零件表面質(zhì)量，對于成形一些表面質(zhì)量要求比較高的零件，大光斑往往無法滿足加工需求。
[0006]因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種光斑直徑大小可調(diào)的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有噴粉式3D打印技術(shù)效率低的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種噴粉式3D打印噴頭，可在保證表面加工質(zhì)量的同時(shí)，有效提高加工效率。
[0008]—種噴粉式3D打印噴頭，其包括可調(diào)節(jié)激光光斑直徑的變光斑機(jī)構(gòu)、中間連接機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)及噴粉機(jī)構(gòu)，所述變光斑機(jī)構(gòu)通過所述中間連接機(jī)構(gòu)和所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴嘴機(jī)構(gòu)的噴嘴出口直徑隨著激光光斑直徑的調(diào)節(jié)而改變，所述噴粉機(jī)構(gòu)與所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴粉機(jī)構(gòu)具有多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，所述多套噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑的改變而進(jìn)行適用性地切換。
[0009]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述變光斑機(jī)構(gòu)為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)，所述升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)包括激光頭(I)、上連接套(2)、外殼(3)、升降臺(tái)(4)、聚焦鏡座(6)、聚焦鏡(7)及升降臺(tái)支架(8)，激光頭⑴通過上連接套(2)與外殼(3)相連接，升降臺(tái)⑷和升降臺(tái)支架
(8)可活動(dòng)地連接，承載聚焦鏡(7)的聚焦鏡座(6)安裝在升降臺(tái)支架(8)上，聚焦鏡(7)隨著升降臺(tái)4驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)支架(8)的升降而沿垂直方向移動(dòng)離焦。
[0010]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行降溫的水冷接頭(5)，水冷接頭(5)安裝于聚焦鏡座(6)。
[0011 ] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述變光斑機(jī)構(gòu)為擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)包括激光頭(I)、上連接套(2)、聚焦鏡座￠)、聚焦鏡(7)、擴(kuò)束鏡支架(24)、擴(kuò)束鏡
(25)及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(26)，激光頭⑴通過上連接套⑵與外殼(3)相連接，聚焦鏡(7)承載于聚焦鏡座出)，擴(kuò)束鏡(25)安裝在擴(kuò)束鏡支架(24)上，擴(kuò)束鏡支架(24)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(26)相連接，擴(kuò)束鏡支架(24)隨著電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)擴(kuò)束鏡(25)切入光路或切出光路，切入光路時(shí)擴(kuò)束鏡(25)位于聚焦鏡(7)的正上方，切出光路時(shí)擴(kuò)束鏡(25)偏離聚焦鏡⑵。
[0012]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行降溫的水冷接頭(5)，水冷接頭(5)安裝于聚焦鏡座(6)。
[0013]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行對中調(diào)節(jié)的對中支架(27)，對中支架(27)安裝于聚焦鏡座(6)。
[0014]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述中間連接機(jī)構(gòu)包括保護(hù)鏡(9)、下連接套(10)、連接套筒(11)、滑動(dòng)套筒(12)及調(diào)節(jié)螺母(13)，保護(hù)鏡(9)安裝在下連接套(10)的凹槽內(nèi)，下連接套(10)的上端和所述變光斑機(jī)構(gòu)的外殼(3)相連接，下連接套(10)的下端和連接套筒(11)相連接，連接套筒(11)具有兩個(gè)長條凹槽，滑動(dòng)套筒(12)的兩個(gè)凸臺(tái)卡入連接套筒(11)的兩個(gè)長條凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)螺母(13)套設(shè)在連接套筒(11)上，并頂緊滑動(dòng)套筒
(12)的兩個(gè)凸臺(tái)，所述變光斑機(jī)構(gòu)與工作平面之間的工作距離隨調(diào)節(jié)螺母(13)的調(diào)節(jié)而實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0015]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述噴嘴機(jī)構(gòu)包括激光噴嘴(14)、電磁鐵(15)、中軸套筒(16)、鐵滑塊(17)、擋塊(18)、連桿(19)及噴嘴擋塊(20)，激光噴嘴(14)的上方和所述中間連接機(jī)構(gòu)相連接，電磁鐵(15)設(shè)置于連桿(19)的上端，且安裝于中軸套筒(16)的兩個(gè)凹槽內(nèi)，中軸套筒(16)的上端通過螺紋連接安裝在所述中間連接機(jī)構(gòu)上，鐵滑塊(17)套設(shè)于中軸套筒(16)上，且位于連桿(19)的下端，擋塊(18)擰緊在中軸套筒(16)上頂住鐵滑塊(17)，噴嘴擋塊(20)緊貼于激光噴嘴(14)的內(nèi)側(cè)，噴嘴擋塊(20)通過連桿(19)鉸接于中軸套筒(16)。
[0016]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述的噴嘴機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)連桿(19)和四塊扇形結(jié)構(gòu)的嗔嘴擋塊(20)。
[0017]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括噴管架(21)和多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有多個(gè)噴粉管(22)，噴管架(21)連接于所述噴嘴機(jī)構(gòu)，噴粉管(22)和噴管架(21)相連接。
[0018]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括三個(gè)內(nèi)徑不同的所述噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有四個(gè)互成90度的噴粉管(22)，四個(gè)噴粉管(22)噴出的粉末匯聚于中心被激光作用形成熔池。
[0019]本發(fā)明另外提供一種用于提高打印效率的噴粉式3D打印噴頭的控制方法，其包括如下步驟:
[0020]S101、控制變光斑機(jī)構(gòu)改變激光光斑直徑；
[0021 ] S103、控制噴嘴機(jī)構(gòu)的電磁鐵處于對應(yīng)噴嘴出口直徑小的不上電狀態(tài)或?qū)?yīng)噴嘴出口直徑大的通電狀態(tài)；
[0022]S105、控制噴粉機(jī)構(gòu)的噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑進(jìn)行適應(yīng)性地切換。
[0023]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的噴粉式3D打印噴頭利用其中的變光斑機(jī)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光光斑直徑大小，實(shí)現(xiàn)有效提高噴粉式3D打印效率的情況下，滿足不同加工質(zhì)量的需求。同時(shí)，所述噴粉式3D打印噴頭利用其中的噴粉機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)噴粉管和噴嘴出口直徑大小的實(shí)時(shí)可調(diào)，隨著激光光斑直徑的改變，噴粉管和噴嘴出口直徑大小實(shí)時(shí)改變以適應(yīng)激光光斑直徑尺寸的變化，高效利用粉末和中軸保護(hù)氣，提高噴粉式3D打印的材料利用率。此外，本發(fā)明提供的噴粉式3D打印噴頭的控制方法步驟簡單，易于操作實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的噴粉式3D打印噴頭中的變光斑機(jī)構(gòu)為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)時(shí)的小光斑工作狀態(tài)示意圖；
[0025]圖2為圖1所示噴粉式3D打印噴頭中的變光斑機(jī)構(gòu)為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)時(shí)的大光斑工作狀態(tài)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的噴粉式3D打印噴頭中的變光斑機(jī)構(gòu)為擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)時(shí)的小光斑工作狀態(tài)示意圖；
[0027]圖4為圖3所示噴粉式3D打印噴頭中的變光斑機(jī)構(gòu)為擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)時(shí)的大光斑工作狀態(tài)示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的噴粉式3D打印噴頭的控制方法的流程圖；
[0029]圖6為利用圖5所示噴粉式3D打印噴頭的控制方法進(jìn)行零件加工的工作過程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施方式。相反地，提供這些實(shí)施方式的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。
[0031]需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個(gè)元件，它可以直接在另一個(gè)元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個(gè)元件被認(rèn)為是“連接”另一個(gè)元件，它可以是直接連接到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的，并不表示是唯一的實(shí)施方式。
[0032]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0033]本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種噴粉式3D打印噴頭，其包括可調(diào)節(jié)激光光斑直徑的變光斑機(jī)構(gòu)、中間連接機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)及噴粉機(jī)構(gòu)，所述變光斑機(jī)構(gòu)通過所述中間連接機(jī)構(gòu)和所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴嘴機(jī)構(gòu)的噴嘴出口直徑隨著激光光斑直徑的調(diào)節(jié)而改變，所述噴粉機(jī)構(gòu)與所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴粉機(jī)構(gòu)具有多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，所述多套噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑的改變而進(jìn)行適用性地切換。
[0034]本發(fā)明中，所述噴粉式3D打印噴頭中的變光斑機(jī)構(gòu)分別為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)(如圖I和圖2所示)和擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)(如圖3和圖4所示)O
[0035]請一并參閱圖1和圖2，所述變光斑機(jī)構(gòu)為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)，所述升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)包括激光頭1、上連接套2、外殼3、升降臺(tái)4、水冷接頭5、聚焦鏡座6、聚焦鏡7及升降臺(tái)支架8。激光頭I發(fā)出紅外激光，其通過上連接套2與外殼3相連接；升降臺(tái)4和升降臺(tái)支架8可活動(dòng)地連接，控制升降臺(tái)4進(jìn)行升降，可以實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)支架8的上下移動(dòng)，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，升降臺(tái)4采用電動(dòng)控制，由此可以實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)的自動(dòng)控制；水冷接頭5用于對聚焦鏡7進(jìn)行水冷降溫，其安裝在聚焦鏡座6上；承載聚焦鏡7的聚焦鏡座6安裝在升降臺(tái)支架8上，升降臺(tái)支架8與升降臺(tái)4連接在一起，隨著升降臺(tái)4的升降，聚焦鏡7可隨升降臺(tái)支架8在垂直方向移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離焦。
[0036]本實(shí)施例中，升降臺(tái)4、水冷接頭5、聚焦鏡座6、聚焦鏡7及升降臺(tái)支架8均設(shè)置于外殼3內(nèi)。
[0037]請參閱圖1，升降臺(tái)4處于原點(diǎn)位置不動(dòng)時(shí)，激光焦平面位于加工平面上，此時(shí)光斑直徑尺寸較小，噴粉式3D打印噴頭處于小光斑工作狀態(tài)。
[0038]請參閱圖2，升降臺(tái)4向下移動(dòng)偏移原點(diǎn)位置時(shí)，激光焦平面偏離加工平面，加工平面處于離焦?fàn)顟B(tài)，此時(shí)光斑尺寸變大，噴粉式3D打印噴頭處于大光斑工作狀態(tài)。
[0039]請一并參閱圖3和圖4，所述變光斑機(jī)構(gòu)為擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)包括激光頭1、上連接套2、外殼3、水冷接頭5、聚焦鏡座6、聚焦鏡7、擴(kuò)束鏡支架24、擴(kuò)束鏡25、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26及對中支架27。激光頭I發(fā)出紅外激光，其通過上連接套2與外殼3相連接；聚焦鏡7承載于聚焦鏡座6 ;擴(kuò)束鏡25安裝在擴(kuò)束鏡支架24上，擴(kuò)束鏡支架24和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26相連接，擴(kuò)束鏡支架24隨著電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)擴(kuò)束鏡25切入光路或切出光路，切入光路時(shí)擴(kuò)束鏡25位于聚焦鏡7的正上方，切出光路時(shí)擴(kuò)束鏡25偏離聚焦鏡7 ;對中支架27用于對聚焦鏡7進(jìn)行對中調(diào)節(jié)，其安裝于聚焦鏡座6。
[0040]可以理解的是，通過電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26即可控制擴(kuò)束鏡25和聚焦鏡7正對(切入光路)或偏離(切出光路)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光光束的增束或不增束。
[0041]請參閱圖3，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26處于原點(diǎn)位置不旋轉(zhuǎn)時(shí)，擴(kuò)束鏡25切入激光光路，擴(kuò)束鏡25處于軸心光路中，激光光束在擴(kuò)束鏡25的作用下光束直徑變大，由于光束被擴(kuò)束增大，此時(shí)，通過聚焦鏡7聚焦的光斑直徑較小，噴粉式3D打印噴頭處于小光斑工作狀態(tài)。
[0042]請參閱圖4，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)26旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，擴(kuò)束鏡25切出激光光路，激光光束不再經(jīng)過擴(kuò)束鏡25的增束作用，激光光束直徑較小，此時(shí)，通過聚焦鏡7聚焦的光斑直徑變大，噴粉式3D打印噴頭處于大光斑工作狀態(tài)。
[0043]請一并參閱圖1至圖4，所述中間連接機(jī)構(gòu)包括保護(hù)鏡9、下連接套10、連接套筒
11、滑動(dòng)套筒12及調(diào)節(jié)螺母13。保護(hù)鏡9安裝在下連接套10的凹槽(圖未標(biāo)示)內(nèi)，下連接套10的上端和所述變光斑機(jī)構(gòu)的外殼3相連接，下連接套10的下端和連接套筒11相連接，連接套筒11具有兩個(gè)長條凹槽(圖未標(biāo)示)，滑動(dòng)套筒12的兩個(gè)凸臺(tái)(圖未標(biāo)示)卡入連接套筒11的兩個(gè)長條凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)螺母13套設(shè)在連接套筒11上，并頂緊滑動(dòng)套筒12的兩個(gè)凸臺(tái)，所述變光斑機(jī)構(gòu)與工作平面之間的工作距離隨調(diào)節(jié)螺母13的調(diào)節(jié)而實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0044]可以理解的是，根據(jù)調(diào)節(jié)螺母13的上下調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)所述變光斑機(jī)構(gòu)的聚焦鏡7和工作平面之間的工作距離實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)而可以確定焦點(diǎn)位置。
[0045]所述噴嘴機(jī)構(gòu)包括激光噴嘴14、電磁鐵15、中軸套筒16、鐵滑塊17、擋塊18、連桿19及噴嘴擋塊20。所述噴嘴機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原理來改變噴嘴出口直徑尺寸。激光噴嘴14的上方和所述中間連接機(jī)構(gòu)相連接，具體地，激光噴嘴14的上方和所述中間連接機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)套筒12相連接；電磁鐵15設(shè)置于連桿19的上端，且安裝于中軸套筒16的兩個(gè)凹槽內(nèi)；中軸套筒16的上端通過螺紋連接安裝在所述中間連接機(jī)構(gòu)上，具體地，中軸套筒16的上端通過螺紋連接安裝在所述中間連接機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)套筒12上；鐵滑塊17套設(shè)在中軸套筒16上，且位于連桿19的下端；擋塊18擰緊在中軸套筒16上頂住鐵滑塊17，噴嘴擋塊20緊貼于激光噴嘴14的內(nèi)側(cè)，噴嘴擋塊20通過連桿19鉸接于中軸套筒16。
[0046]本實(shí)施例中，所述的噴嘴機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)連桿19和四塊扇形結(jié)構(gòu)的噴嘴擋塊20，即緊貼于激光噴嘴14內(nèi)側(cè)的是四塊扇形噴嘴擋塊20，噴嘴擋塊20通過兩個(gè)連桿19的鉸接于中軸套筒16，當(dāng)然，并不局限于此，連桿19和噴嘴擋塊的20的數(shù)量也可以根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0047]本實(shí)施例中，連桿19包括第一桿和第二桿(圖未標(biāo)示)，所述第一桿和所述第二桿通過銷釘或銷軸鉸接。所述第一桿遠(yuǎn)離所述第二桿的端部鉸接于中軸套筒16，所述第二桿遠(yuǎn)離所述第一桿的端部鉸接于噴嘴擋塊20。
[0048]優(yōu)選地，擋塊18和中軸套筒16螺紋配合。
[0049]請一并參閱圖1和圖3，當(dāng)噴粉式3D打印噴頭處于小光斑工作狀態(tài)時(shí)，電磁鐵15不上電，鐵滑塊17在重力的作用下降到中軸套筒16下端，連桿19與鐵滑塊17不接觸，處于松弛狀態(tài)，四個(gè)噴嘴擋塊20伸出激光噴嘴14一定距離并遮擋部分激光噴嘴14，使激光噴嘴14的出口直徑變小，以適應(yīng)光斑尺寸的變化減小中軸保護(hù)氣用量。
[0050]請一并參閱參見圖2和圖4，當(dāng)噴粉式3D打印噴頭處于大光斑工作狀態(tài)時(shí)，電磁鐵15上電，鐵滑塊17受到電磁鐵15的牽引向上頂緊連桿19，連桿19旋轉(zhuǎn)一定的角度，并牽引四個(gè)扇形噴嘴擋塊20沿著激光噴嘴14內(nèi)壁面向上移動(dòng)，四個(gè)扇形噴嘴擋塊20不再遮擋激光噴嘴14，激光噴嘴14出口直徑變大，增加中軸保護(hù)氣的用量，實(shí)現(xiàn)中軸保護(hù)氣的合理尚效利用。
[0051]請一并參閱圖1至圖4，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括噴管架21和多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有多個(gè)噴粉管22。噴管架21連接在激光噴嘴14上，噴粉管22和噴管架21相連接。本實(shí)施例中，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括采用三個(gè)內(nèi)徑不同的所述噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有四個(gè)互成90度的噴粉管22，四個(gè)噴粉管22噴出的粉末匯聚于中心被激光作用形成熔池。
[0052]可以理解的是，不同噴粉管系統(tǒng)中的噴粉管22的直徑不同。
[0053]當(dāng)噴粉式3D打印噴頭處于小光斑工作狀態(tài)時(shí)，形成的熔池較小，程序自動(dòng)控制較小內(nèi)徑的噴粉管系統(tǒng)中的噴粉管22噴粉，其余噴粉管系統(tǒng)中的噴粉管22則不噴粉，以適應(yīng)熔池的尺寸；當(dāng)噴粉式3D打印噴頭處于大光斑工作狀態(tài)時(shí)，形成的熔池較大，程序自動(dòng)控制較大內(nèi)徑的噴粉管系統(tǒng)中的噴粉管22噴粉，其余噴粉管系統(tǒng)中的噴粉管22則不噴粉，以適應(yīng)較大的熔池尺寸，實(shí)現(xiàn)金屬粉末的高效利用。
[0054]可以理解的是，本發(fā)明提供的噴粉式3D打印噴頭可以通過其中的變光斑機(jī)構(gòu)(升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)或擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu))實(shí)現(xiàn)激光光斑直徑大小在加工過程中的實(shí)時(shí)可調(diào)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)在零件表面加工和零件內(nèi)部填充加工之間實(shí)現(xiàn)光斑直徑的任意切換，滿足不同的加工質(zhì)量要求。
[0055]請參閱圖5，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種噴粉式3D打印噴頭的控制方法，其包括如下步驟:S101、控制變光斑機(jī)構(gòu)改變激光光斑直徑；S103、控制噴嘴機(jī)構(gòu)的電磁鐵處于對應(yīng)噴嘴出口直徑小的不上電狀態(tài)或?qū)?yīng)噴嘴出口直徑大的通電狀態(tài)；S105、控制噴粉機(jī)構(gòu)的噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑進(jìn)行適應(yīng)性地切換。
[0056]以下，本發(fā)明通過金屬3D打印機(jī)加工零件為例進(jìn)行說明。
[0057]請參閱圖6，當(dāng)金屬3D打印機(jī)加工零件輪廓表面時(shí)，采用噴粉式3D打印噴頭中的升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)或擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)改變激光光斑直徑，使用較小的光斑直徑，以獲得較好的表面加工質(zhì)量。
[0058]噴嘴機(jī)構(gòu)的電磁鐵15處于不上電狀態(tài)，使噴嘴出口直徑較小，以適應(yīng)較小的光斑直徑。
[0059]采用程序自動(dòng)控制切換噴粉管系統(tǒng)，采用較小內(nèi)徑的噴粉管系統(tǒng)，以適應(yīng)較小的光斑直徑。
[0060]當(dāng)金屬3D打印機(jī)加工零件內(nèi)部(即零件填充加工)時(shí)，采用噴粉式3D打印噴頭中的升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)或擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)改變激光光斑直徑，使用較大的光斑直徑，以獲得較快的加工速度。
[0061]噴嘴部分的電磁鐵15處于通電狀態(tài)，使噴嘴出口直徑較大，以適應(yīng)較大的光斑直徑。
[0062]采用程序自動(dòng)控制切換噴粉管系統(tǒng)，采用較大內(nèi)徑的噴粉管系統(tǒng)，以適應(yīng)較大的光斑直徑。
[0063]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的噴粉式3D打印噴頭利用其中的變光斑機(jī)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光光斑直徑大小，實(shí)現(xiàn)有效提高噴粉式3D打印效率的情況下，滿足不同加工質(zhì)量的需求。同時(shí)，所述噴粉式3D打印噴頭利用其中的噴粉機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)噴粉管和噴嘴出口直徑大小的實(shí)時(shí)可調(diào)，隨著激光光斑直徑的改變，噴粉管和噴嘴出口直徑大小實(shí)時(shí)改變以適應(yīng)激光光斑直徑尺寸的變化，高效利用粉末和中軸保護(hù)氣，提高噴粉式3D打印的材料利用率。此外，本發(fā)明提供的噴粉式3D打印噴頭的控制方法步驟簡單，易于操作實(shí)現(xiàn)。
[0064]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述噴粉式3D打印噴頭包括可調(diào)節(jié)激光光斑直徑的變光斑機(jī)構(gòu)、中間連接機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)及噴粉機(jī)構(gòu)，所述變光斑機(jī)構(gòu)通過所述中間連接機(jī)構(gòu)和所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴嘴機(jī)構(gòu)的噴嘴出口直徑隨著激光光斑直徑的調(diào)節(jié)而改變，所述噴粉機(jī)構(gòu)與所述噴嘴機(jī)構(gòu)相連接，所述噴粉機(jī)構(gòu)具有多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，所述多個(gè)噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑的改變而進(jìn)行適用性地切換。2.如權(quán)利要求1所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述變光斑機(jī)構(gòu)為升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)，所述升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)包括激光頭(I)、上連接套(2)、外殼(3)、升降臺(tái)(4)、聚焦鏡座(6)、聚焦鏡(7)及升降臺(tái)支架(8)，激光頭⑴通過上連接套⑵與外殼(3)相連接，升降臺(tái)(4)和升降臺(tái)支架(8)可活動(dòng)地連接，承載聚焦鏡(7)的聚焦鏡座(6)安裝在升降臺(tái)支架(8)上，聚焦鏡(7)隨著升降臺(tái)(4)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)支架(8)的升降而沿垂直方向移動(dòng)離焦。3.如權(quán)利要求2所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述升降臺(tái)離焦機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行降溫的水冷接頭(5)，水冷接頭(5)安裝于聚焦鏡座(6)。4.如權(quán)利要求1所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述變光斑機(jī)構(gòu)為擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)包括激光頭(I)、上連接套(2)、外殼(3)、聚焦鏡座(6)、聚焦鏡(7)、擴(kuò)束鏡支架(24)、擴(kuò)束鏡(25)及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(26)，激光頭(I)通過上連接套(2)與外殼(3)相連接，聚焦鏡(7)承載于聚焦鏡座￠)，擴(kuò)束鏡(25)安裝在擴(kuò)束鏡支架(24)上，擴(kuò)束鏡支架(24)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(26)相連接，擴(kuò)束鏡支架(24)隨著電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(26)的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)擴(kuò)束鏡(25)切入光路或切出光路，切入光路時(shí)擴(kuò)束鏡(25)位于聚焦鏡(7)的正上方，切出光路時(shí)擴(kuò)束鏡(25)偏離聚焦鏡(7)。5.如權(quán)利要求4所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行降溫的水冷接頭(5)，水冷接頭(5)安裝于聚焦鏡座(6)。6.如權(quán)利要求4所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)束機(jī)構(gòu)還包括對聚焦鏡(7)進(jìn)行對中調(diào)節(jié)的對中支架(27)，對中支架(27)安裝于聚焦鏡座(6)。7.如權(quán)利要求1所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述中間連接機(jī)構(gòu)包括保護(hù)鏡(9)、下連接套(10)、連接套筒(11)、滑動(dòng)套筒(12)及調(diào)節(jié)螺母(13)，保護(hù)鏡(9)安裝在下連接套(10)的凹槽內(nèi)，下連接套(10)的上端和所述變光斑機(jī)構(gòu)的外殼(3)相連接，下連接套(10)的下端和連接套筒(11)相連接，連接套筒(11)具有兩個(gè)長條凹槽，滑動(dòng)套筒(12)的兩個(gè)凸臺(tái)卡入連接套筒(11)的兩個(gè)長條凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)螺母(13)套設(shè)在連接套筒(11)上，并頂緊滑動(dòng)套筒(12)的兩個(gè)凸臺(tái)，所述變光斑機(jī)構(gòu)與工作平面之間的工作距離隨調(diào)節(jié)螺母(13)的調(diào)節(jié)而實(shí)時(shí)調(diào)整。8.如權(quán)利要求1所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述噴嘴機(jī)構(gòu)包括激光噴嘴(14)、電磁鐵(15)、中軸套筒(16)、鐵滑塊(17)、擋塊(18)、連桿(19)及噴嘴擋塊(20)，激光噴嘴(14)的上方和所述中間連接機(jī)構(gòu)相連接，電磁鐵(15)設(shè)置于連桿(19)的上端，且安裝于中軸套筒(16)的兩個(gè)凹槽內(nèi)，中軸套筒(16)的上端通過螺紋連接安裝在所述中間連接機(jī)構(gòu)上，鐵滑塊(17)套設(shè)于中軸套筒(16)上，且位于連桿(19)的下端，擋塊(18)擰緊在中軸套筒(16)上頂住鐵滑塊(17)，噴嘴擋塊(20)緊貼于激光噴嘴(14)的內(nèi)側(cè)，噴嘴擋塊(20)通過連桿(19)鉸接于中軸套筒(16) ο9.如權(quán)利要求8所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述的噴嘴機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)連桿(19)和四塊扇形結(jié)構(gòu)的噴嘴擋塊(20)。10.如權(quán)利要求1所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括噴管架(21)和多個(gè)內(nèi)徑不同的噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有多個(gè)噴粉管(22)，噴管架(21)連接于所述噴嘴機(jī)構(gòu)，噴粉管(22)和噴管架(21)相連接。11.如權(quán)利要求10所述的噴粉式3D打印噴頭，其特征在于，所述噴粉機(jī)構(gòu)包括三個(gè)內(nèi)徑不同的所述噴粉管系統(tǒng)，每個(gè)所述噴粉管系統(tǒng)均具有四個(gè)互成90度的噴粉管(22)，四個(gè)噴粉管(22)噴出的粉末匯聚于中心被激光作用形成熔池。12.一種噴粉式3D打印噴頭的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: S11、控制變光斑機(jī)構(gòu)改變激光光斑直徑； S103、控制噴嘴機(jī)構(gòu)的電磁鐵處于對應(yīng)噴嘴出口直徑小的不上電狀態(tài)或?qū)?yīng)噴嘴出口直徑大的通電狀態(tài)； S105、控制噴粉機(jī)構(gòu)的噴粉管系統(tǒng)根據(jù)激光光斑直徑進(jìn)行適應(yīng)性地切換。
【文檔編號】B29C67/00GK106032063SQ201510115235
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月16日
【發(fā)明人】王寧, 楊小君, 趙衛(wèi), 賀斌
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所