CN106863796B - 激光选区熔化装置、组件及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光选区熔化金属3D打印技术领域，尤其是涉及一种激光选区熔化装置、组件及3D打印机。该激光选区熔化装置包括：固定部、活动部以及移动机构；活动部与固定部滑动连接；移动机构与活动部连接，用于驱动活动部相对固定部直线滑动；活动部用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；固定部用于与3D打印机的箱体固定连接。移动机构驱动活动部带动激光耦合与激发机构进行移动并工作，这样使得激光耦合与激发机构的活动范围较广，其不受激光振镜偏转角度的限制，激光光束照射到金属粉末层的范围较大，使该工艺技术装备成型构件尺寸较大，有利于该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

Description

激光选区熔化装置、组件及3D打印机

技术领域

本发明涉及激光选区熔化金属3D打印技术领域，尤其是涉及一种激光选区熔化装置、组件及3D打印机。

背景技术

增材制造3D打印技术是一种以数字模型文件(CAD)为基础，运用粉末状金属、PVC、树脂、纤维等材料，通过熔融沉积、激光烧结、激光熔化、激光固化、激光熔覆的方式通过专用软件对CAD三维构型物体，进行切片降维，然后按片逐层打印物体的构造技术，是制造业中正在迅速发展的一项新兴技术，在英国《经济学人》杂志《第三次工业革命》一文中被称为第三次工业革命的重要标志之一。

激光选区熔化金属3D打印技术是在计算机程序的控制下利用高能量密度激光束进行扫描，将预先铺设好的金属粉末层进行选择性熔化并与基体冶金结合，然后不断逐层铺粉、扫描、熔化，最终完成三维金属零部件的制造过程，是目前增材制造领域应用较多的一种金属3D打印技术。该技术可制造复杂形状的金属零件，其成型件力学性能好、精度高，致密度达传统冶金制成件99％以上，在医疗、航空航天、军工、核电建设、产品研发等领域均有重要应用。

现有技术中的激光选区熔化3D打印机的激光光束通过激光振镜反射到金属粉末层对其进行选择性熔化，通过调节激光振镜的偏转角度来调节激光光束照射金属粉末层的位置，从而熔化不同位置处的金属粉末层。但由于受激光振镜偏转角度的限制，使得激光光束照射到金属粉末层的范围较小，使该工艺技术装备成型构件尺寸较小，严重制约该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

据已知的资料显示，目前世界运用激光选区熔化工艺设备成型的最大尺寸构件体积为长500mm×宽500mm×高500mm。2016年我国科技部对增材制造领域的科技攻关项目共下拨中央财政经费4亿元左右，其中对两项激光选区熔化工艺装备的科技攻关经费投入3850.00万元，其中一项就是攻关成形尺寸范围≥500mm×500mm×500mm的技术装备，该项目实施周期为5年。现在运用该技术设备成形尺寸范围超过500mm×500mm×500mm体积的大尺寸构件，已经成为世界各国抢占智能化高端制造技术制高点的重要竞争方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光选区熔化装置、组件及3D打印机，以解决现有技术中存在的3D打印机能够成型的构成件尺寸较小的技术问题。

本发明提供的一种激光选区熔化装置，所述激光选区熔化装置包括：固定部、活动部以及移动机构；所述活动部与所述固定部滑动连接；所述移动机构与所述活动部连接，用于驱动所述活动部相对所述固定部直线滑动；所述移动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；所述活动部用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；所述固定部用于与3D打印机的箱体固定连接。

进一步地，所述活动部包括移动件、安装件以及转动机构；所述安装件与所述移动件转动连接；所述转动机构与所述安装件连接，用于驱动所述安装件相对所述移动件转动；所述安装件用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；所述转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；

所述移动件与所述固定部滑动连接；所述移动机构与所述移动件连接，用于驱动所述移动件相对所述固定部做直线滑动。

进一步地，所述移动机构用于驱动所述活动部相对所述固定部沿前后方向直线滑动；所述活动部上设置有竖向限位结构；所述竖向限位结构用于防止所述活动部上下移动。

进一步地，所述竖向限位结构包括竖向滑槽以及滑设在所述竖向滑槽内的竖向稳定轮；所述竖向滑槽设置在所述固定部上；所述竖向稳定轮竖直设置；所述竖向稳定轮与所述活动部转动连接；所述竖向稳定轮的上端和下端分别与所述竖向滑槽的顶壁和底壁抵接。

进一步地，所述活动部上设置有横向限位结构；所述横向限位结构用于防止所述移动件左右移动。

进一步地，所述横向限位结构包括横向滑槽以及滑设在所述横向滑槽内的横向稳定轮；所述横向滑槽设置在所述固定部上；所述横向稳定轮水平设置；所述横向稳定轮与所述活动部转动连接；所述横向稳定轮的左端和右端分别与所述横向滑槽的左侧壁和右侧壁抵接。

进一步地，所述固定部包括平行间隔设置的左滑轨和右滑轨；所述移动件包括移动基座；所述移动基座的左端与所述左滑轨滑动连接，右端与所述右滑轨滑动连接。

进一步地，所述安装件的转动轴线与水平面垂直。

进一步地，本发明还提供一种激光选区熔化组件，所述激光选区熔化组件包括多个激光选区熔化设备；每个所述激光选区熔化设备均包括多个本发明所述的激光选区熔化装置；

每个所述激光选区熔化设备内的多个所述激光选区熔化装置，沿与所述活动部的移动方向相平行的方向，依次排列设置；

多个所述激光选区熔化设备，沿与所述活动部的移动方向相垂直的方向，依次排列设置。

进一步地，本发明还提供一种3D打印机，所述3D打印机包括本发明所述的激光选区熔化组件。

本发明提供的激光选区熔化装置，包括固定部、活动部以及移动机构。在使用时，固定部固定在3D打印机的箱体上，活动部上安装激光耦合与激发机构，移动机构与3D打印机的控制系统电连接。控制系统控制移动机构。移动机构驱动活动部相对所述固定部直线滑动，同时带动活动部上的激光耦合与激发机构沿直线移动，激光耦合与激发机构在移动的过程中将光束照射到工作面上的金属粉末层进行选择性熔化，最终完成构件的成型制造。

本发明提供的激光选区熔化装置，移动机构驱动活动部带动激光耦合与激发机构进行移动并工作，这样使得激光耦合与激发机构的活动范围较广，其不受激光振镜偏转角度的限制，激光光束照射到金属粉末层的范围较大，使该工艺技术装备成型构件尺寸较大，有利于该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中左滑轨的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中左滑轨的另一结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中右滑轨的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中右滑轨的另一结构示意图；

图7为本发明实施例提供的激光选区熔化组件的结构示意图。

附图标记：

1-固定部； 2-活动部； 3-竖向限位结构；

4-横向限位结构； 5-激光选区熔化设备； 11-左滑轨；

12-右滑轨； 21-移动件； 22-安装件；

31-竖向稳定轮； 32-竖向滑槽； 41-左稳定轮；

42-右稳定轮； 43-左滑槽； 44-右滑槽；

211-移动基座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的结构示意图；如图1所示，本发明实施例提供的一种激光选区熔化装置，该激光选区熔化装置包括：固定部1、活动部2以及移动机构；活动部2与固定部1滑动连接；移动机构与活动部2连接，用于驱动活动部2相对固定部1直线滑动；移动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；活动部2用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；固定部1用于与3D打印机的箱体固定连接。

本发明实施例提供的激光选区熔化装置，包括固定部1、活动部2以及移动机构。在使用时，固定部1固定在3D打印机的箱体上，活动部2上安装激光耦合与激发机构，移动机构与3D打印机的控制系统电连接。控制系统控制移动机构。移动机构驱动活动部2相对固定部1直线滑动，同时带动活动部2上的激光耦合与激发机构沿直线移动，激光耦合与激发机构在移动的过程中将光束照射到工作面上的金属粉末层进行选择性熔化，最终完成构件的成型制造。

本发明实施例提供的激光选区熔化装置，移动机构驱动活动部2带动激光耦合与激发机构进行移动并工作，这样使得激光耦合与激发机构的活动范围较广，其不受激光振镜偏转角度的限制，激光光束照射到金属粉末层的范围较大，使该工艺技术装备成型构件尺寸较大，有利于该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

其中，移动机构的结构形式可以为多种，例如，移动机构包括电机、齿轮以及与齿轮相配合的齿条。齿轮与电机的动力输出轴固定连接，活动部2与齿条固定连接。电机驱动齿轮转动，齿轮带动齿条沿直线移动，从而带动活动部2相对固定部1沿直线移动。

固定部1的形状可以为多种，例如：方形、圆形或者不规则形状等等。

如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步地，活动部2包括移动件21、安装件22以及转动机构；安装件22与移动件21转动连接；转动机构与安装件22连接，用于驱动安装件22相对移动件21转动；安装件22用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；移动件21与固定部1滑动连接；移动机构与移动件21连接，用于驱动移动件21相对固定部1做直线滑动。

本实施例中，活动部2包括安装件22和移动件21。移动机构带动移动件21相对固定部1沿直线移动，转动机构带动安装件22相对移动件21转动，也即，相对固定部1，活动部2在直线移动的同时可进行转动。此时，激光耦合与激发机构在直线移动的同时可进行转动，使得激光耦合与激发机构发射出的光束照射到的金属粉末层的范围更广，进一步提高了构件成型尺寸。

其中，转动机构的结构形式可以为多种，例如，转动机构包括电机、主动齿轮以及与主动齿轮相啮合的从动齿轮。主动齿轮与电机的动力输出轴固定连接，从动齿轮的转轴与安装件22固定连接。电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮以及安装件22转动。优选地，安装件22与移动件21通过轴承转动连接，这样可减小安装件22与移动件21的转动摩擦力，降低安装件22的转动损耗，降低电机输出的动力，节省能源，同时延长安装件22的使用寿命。

优选地，安装件22的上端与移动件21的下端转动连接，安装件22上的激光耦合与激发机构向下发射光束，这样可避免移动件21影响光束照射到金属粉末层上，提高构件加工成型的精度。

进一步地，移动机构能够驱动移动件21相对固定部1往复直线移动；当移动机构驱动移动件21向第一方向移动时，转动机构驱动安装件22顺时针转动；当移动机构驱动移动件21向第二方向移动时，转动机构驱动安装件22逆时针转动；第一方向与第二方向相反。

如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步地，移动机构用于驱动活动部2相对固定部1沿前后方向直线滑动；活动部2上设置有竖向限位结构3；竖向限位结构3用于防止活动部2上下移动。

本实施例中，在活动部2上设置竖向限位结构3，在活动部2相对固定部1沿前后方向直线滑动时，竖向限位结构3可防止活动部2上下移动，从而在竖直方向上保证活动部2的稳定，进而保证激光耦合与激发机构在竖直方向上的稳定，避免激光耦合与激发机构发生在竖直方向上晃动，提高了熔化加工成型的精度。

其中，竖向限位结构3的结构形式可以为多种，例如，在固定部1上设置滑槽，在活动部2上设置滑块，滑块滑设在滑槽内，且与滑槽的顶壁和底壁抵接，由于滑槽的顶壁和底壁同时对滑块施加作用力，从而在竖直方向上将滑块进行限位，进而避免活动部2上下移动。优选地，滑槽的顶壁和底壁的截面形状均为折线形，滑块的上表面和下表面的截面形状也均为折线形，滑块滑设在滑槽内。滑槽的顶壁和底壁可在左右方向上向滑块施加作用力，从而将滑块在左右方向上限位，这样可同时防止滑块沿左右方向移动，防止活动部2在左右方向上晃动，进一步提高了活动部2移动时的稳定性。

图2为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的局部结构示意图；图3为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中左滑轨的结构示意图；图4为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中左滑轨的另一结构示意图；图5为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中右滑轨的结构示意图；图6为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中右滑轨的另一结构示意图；如图1至图6所示，在上述实施例的基础上，进一步地，竖向限位结构3包括竖向滑槽32以及滑设在竖向滑槽32内的竖向稳定轮31；竖向滑槽32设置在固定部1上；竖向稳定轮31竖直设置；竖向稳定轮31与活动部2转动连接；竖向稳定轮31的上端和下端分别与竖向滑槽32的顶壁和底壁抵接。

本实施例中，竖向稳定轮31与活动部2转动连接，竖向稳定轮31的上端和下端分别与竖向滑槽32的顶壁和底壁抵接，竖向滑槽32的顶壁和底壁向竖向稳定轮31施加作用力，从而将竖向稳定轮31在竖直方向上限位，从而避免活动部2上下移动。同时，活动部2在移动的时候，竖向稳定轮31在竖向滑槽32内转动，将活动部2与固定部1的移动摩擦转换为滚动摩擦，从而减小了摩擦力，降低了摩擦损耗。

其中，竖向稳定轮31可以为多个，优选地，竖向稳定轮31为四个，竖向滑槽32为两个。两个竖向滑槽32平行间隔设置在固定部1上。两个竖向稳定轮31沿滑槽的延伸方向间隔设置在其中一个竖向滑槽32内，另两个竖向稳定轮31沿滑槽的延伸方向间隔设置在另一个竖向滑槽32内。四个竖向稳定轮31的设置可增加活动部2移动时的稳定性。

如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步地，活动部2上设置有横向限位结构4；横向限位结构4用于防止移动件21左右移动。

本实施例中，在活动部2上设置横向限位结构4，在活动部2相对固定部1沿前后方向直线滑动时，横向限位结构4可防止活动部2左右移动，从而在横向方向上保证活动部2的稳定，进而保证激光耦合与激发机构在横向方向上的稳定，避免激光耦合与激发机构发生在横向方向上晃动，进一步提高了熔化加工成型的精度。

其中，横向限位结构4的结构形式可以为多种，例如，横向限位结构4包括滑槽和滑块，滑槽设置在固定部1上，滑块设置在活动部2上，滑块的左端与右端分别与滑槽的左侧壁和右侧壁抵接，从而在横向上将滑块限位。优选地，滑块的上端和下端分别与滑槽的顶壁和底壁抵接，从而在竖向上将滑块限位，这样活动部2在竖向和横向均不能移动，提高了活动部2的稳定性。

如图1至图6所示，在上述实施例的基础上，进一步地，横向限位结构4包括横向滑槽以及滑设在横向滑槽内的横向稳定轮；横向滑槽设置在固定部1上；横向稳定轮水平设置；横向稳定轮与活动部2转动连接；横向稳定轮的左端和右端分别与横向滑槽的左侧壁和右侧壁抵接。

本实施例中，横向稳定轮与活动部2转动连接，横向稳定轮的左端和右端分别与横向滑槽的左侧壁和右侧壁抵接，横向滑槽的左侧壁和右侧壁向横向稳定轮施加作用力，从而将横向稳定轮在横向方向上限位，从而避免活动部2左右移动。同时，活动部2在移动的时候，横向稳定轮在横向滑槽内转动，将活动部2与固定部1的移动摩擦转换为滚动摩擦，从而减小了摩擦力，降低了摩擦损耗。

优选地，横向稳定轮包括左稳定轮41和右稳定轮42，左稳定轮41与右稳定轮42沿横向间隔地转动连接在活动部2上。横向滑槽包括左滑槽43和右滑槽44，左滑槽43和右滑槽44沿横向间隔地设置在固定部1上。左稳定轮41设置在左滑槽43内，且左稳定轮41的左端与左滑槽43的左侧壁抵接，右稳定轮42设置在右滑槽44内，且右稳定轮42的右端与右滑槽44的右侧壁抵接。

优选地，横向稳定轮为两个，也即，左稳定轮41和右稳定轮42均为两个，竖向稳定轮31为四个，这样配合八个稳定轮将活动部2进行限位，活动部2的稳定效果最好。

如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步地，固定部1包括平行间隔设置的左滑轨11和右滑轨12；移动件21包括移动基座211；移动基座211的左端与左滑轨11滑动连接，右端与右滑轨12滑动连接。

本实施例中，移动基座211的左端与左滑轨11滑动连接，右端与右滑轨12滑动连接，左滑轨11和右滑轨12分别支撑移动基座211，使得移动基座211受力稳定。

进一步地，左滑轨11上设置两个竖向稳定轮31和两个左稳定轮41。右滑轨12上设置两个竖向稳定轮31和两个右稳定轮42。

在上述实施例的基础上，进一步地，安装件22的转动轴线与水平面垂直。

本实施例中，将安装件22的转动轴线与水平面垂直，使得激光耦合与激发机构的光束可准确定位在预设位置，进一步提高加工精度。

图7为本发明实施例提供的激光选区熔化组件的结构示意图，如图7所示，在上述实施例的基础上，进一步地，本发明实施例还提供一种激光选区熔化组件，该激光选区熔化组件包括多个激光选区熔化设备5；每个激光选区熔化设备5均包括多个本发明的激光选区熔化装置；每个激光选区熔化设备5内的多个激光选区熔化装置，沿与活动部2的移动方向相平行的方向，依次排列设置；多个激光选区熔化设备5，沿与活动部2的移动方向相垂直的方向，依次排列设置。

本发明实施例提供的激光选区熔化组件，每个激光选区熔化设备5内的多个激光选区熔化装置，沿与活动部2的移动方向相平行的方向，依次排列设置；多个激光选区熔化设备5，沿与活动部2的移动方向相垂直的方向，依次排列设置。也即，激光选区熔化组件的多个激光选区熔化装置呈矩阵分布，多个激光选区熔化装置可同时进行工作，进一步扩大了激光耦合与激发机构的光束的照射范围，增大了构件成型尺寸。使用者可根据实际需要制造的构件尺寸选择合适个数的激光选区熔化装置，本实施例提供的激光选区熔化组件可适用于方形粉末床构件的成型制造，加工构件成型体积不但突破了长、宽、高500mm的尺寸，乃至长、宽、高达2米、3米或以上的体积范围。

在上述实施例的基础上，进一步地，本发明实施例还提供一种3D打印机，该3D打印机包括本发明的激光选区熔化组件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种激光选区熔化装置，其特征在于，包括：固定部、活动部以及移动机构；

所述活动部与所述固定部滑动连接；所述移动机构与所述活动部连接，用于驱动所述活动部相对所述固定部直线滑动；

所述移动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；所述活动部用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；所述固定部用于与3D打印机的箱体固定连接；

所述活动部包括移动件、安装件以及转动机构；

所述安装件与所述移动件转动连接；所述转动机构与所述安装件连接，用于驱动所述安装件相对所述移动件转动；所述安装件用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；所述转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；

所述移动件与所述固定部滑动连接；所述移动机构与所述移动件连接，用于驱动所述移动件相对所述固定部做直线滑动；

所述移动机构用于驱动所述活动部相对所述固定部沿前后方向直线滑动；

所述活动部上设置有竖向限位结构；所述竖向限位结构用于防止所述活动部上下移动；

所述竖向限位结构包括竖向滑槽以及滑设在所述竖向滑槽内的竖向稳定轮；

所述竖向滑槽设置在所述固定部上；所述竖向稳定轮竖直设置；所述竖向稳定轮与所述活动部转动连接；所述竖向稳定轮的上端和下端分别与所述竖向滑槽的顶壁和底壁抵接；

所述移动机构包括电机、齿轮以及与所述齿轮相配合的齿条，所述齿轮与所述电机的动力输出轴固定连接，所述活动部与所述齿条固定连接。

2.根据权利要求1所述的激光选区熔化装置，其特征在于，所述活动部上设置有横向限位结构；所述横向限位结构用于防止所述活动部左右移动。

3.根据权利要求2所述的激光选区熔化装置，其特征在于，所述横向限位结构包括横向滑槽以及滑设在所述横向滑槽内的横向稳定轮；

所述横向滑槽设置在所述固定部上；所述横向稳定轮水平设置；所述横向稳定轮与所述活动部转动连接；所述横向稳定轮的左端和右端分别与所述横向滑槽的左侧壁和右侧壁抵接。

4.根据权利要求1所述的激光选区熔化装置，其特征在于，所述固定部包括平行间隔设置的左滑轨和右滑轨；所述移动件包括移动基座；

所述移动基座的左端与所述左滑轨滑动连接，右端与所述右滑轨滑动连接。

5.根据权利要求1所述的激光选区熔化装置，其特征在于，所述安装件的转动轴线与水平面垂直。

6.一种激光选区熔化组件，其特征在于，包括多个激光选区熔化设备；每个所述激光选区熔化设备均包括多个如权利要求1-5任一项所述的激光选区熔化装置；

每个所述激光选区熔化设备内的多个所述激光选区熔化装置，沿与所述活动部的移动方向相平行的方向，依次排列设置；

多个所述激光选区熔化设备，沿与所述活动部的移动方向相垂直的方向，依次排列设置。

7.一种3D打印机，其特征在于，包括如权利要求6所述的激光选区熔化组件。