CN107303607A - 一种送粉式激光3d打印光纤送粉头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于送粉式激光3D打印技术领域，具体来说是一种送粉式激光3D打印光纤送粉头。包括依次同轴连接的窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段、连接套筒及喷粉嘴，所述连接套筒上设有双层冷却结构，激光束依次穿过窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段及连接套筒的中心孔，投射到加工面上，所述喷粉嘴从四周喷射粉流到光束内部，粉末快速熔凝实现成形加工。本发明具有送粉精度高、可承载高功率长时间工作、抗氧化等优势。

Description

一种送粉式激光3D打印光纤送粉头
技术领域
本发明属于送粉式激光3D打印技术领域，具体来说是一种送粉式激光3D打印光纤送粉头。
技术背景
3D打印技术，又称增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，是一项涉及物理、化学、材料科学与工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、机械工程、生物医学与工程等多学科交叉领域的前沿性先进制造技术。送粉式激光3D打印技术是在由快速原型制造技术和同步送料激光熔覆技术结合而发展起来的一项新的先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板上逐线、逐层熔覆堆积出任意形状的功能性三维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件。
目前，3D打印技术具有非常广泛的应用前景，被欧美发达国家誉为第三次工业革命的载体之一，将带动工业生产、新材料、精益制造等多个领域颠覆性的改变。但当前，常用送粉器存在着送粉精度不高、粉末利用率低、易堵塞、不能承受高功率等问题。
一套稳定实用的送粉头是决定3D打印成形精度和成形效率的关键，当前市场上主流送粉头在送粉精度及承载高功率方面存在较多不足，在实际加工中可以实现稳定承受3000W光纤激光器的送粉头较少，且在送粉精度和粉流喷射挺度上存在较大的不足。
发明内容：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种送粉式激光3D打印光纤送粉头。该送粉头将合金粉末同轴送达激光聚焦后的合适位置，并满足激光3D打印加工的工艺要求。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种送粉式激光3D打印光纤送粉头，包括依次同轴连接的窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段、连接套筒及喷粉嘴，所述连接套筒的内外侧设有双层冷却结构，激光束依次穿过窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段及连接套筒的中心孔，投射到加工面上，所述喷粉嘴从四周喷射粉流到光束内部，粉末快速熔凝实现成形加工，所述双层冷却结构用于冷却激光束周边的热辐射和载气粉流。
所述双层冷却结构包括内腔冷却层和外腔冷却层，所述内腔冷却层为设置于所述连接套筒内壁上的密封腔，用于直接冷却由于激光束周边的热辐射和激光束反射而造成的热积累，间接冷却载气粉流；所述外腔冷却层为设置于喷粉嘴外侧的密封腔，用于直接冷却载气粉流，并与内腔冷却层配合间接冷却激光束周边的热辐射和激光束反射而造成的热积累。
所述内腔冷却层设有进水接口和出水接口，所述进水接口和出水接口分别与两个内腔水冷管连接。
所述内腔冷却层上的进水接口和出水接口对称布设。
所述外腔冷却层与喷粉嘴螺纹连接。
所述窗口防护系统包括激光增透镜、保护镜架及锁紧装置，其中激光增透镜安装在保护镜架上，所述保护镜架通过锁紧装置与所述伸缩套筒连接；所述保护镜架的作用是定位及锁紧激光增透镜；所述激光增透镜的作用是防止成形过程产生的烟气、回弹粉末进入光纤送粉头之前的光路部分，而造成核心光学器件损坏。
所述伸缩套筒包括多个螺纹连接的套筒，通过旋转各套筒实现伸缩，所述伸缩套筒用于调节加工平面上激光光斑尺寸和离焦量。
所述对中装置包括支撑环和位置调节螺钉，所述伸缩套筒端部设有的轴肩容置于所述保护气输送段端部设有的凹槽内，所述支撑环与所述保护气输送段端部连接，使伸缩套筒与保护气输送段连接，所述保护气输送段端部外圆周上均布有多个与凹槽连通的对中螺纹孔，各对中螺纹孔内均设有一个与伸缩套筒接触的位置调节螺钉，通过调节位置调节螺钉，实现保护气输送段相对与伸缩套筒发生位置变化，实现送粉头中心与激光光斑位置重合。
所述保护气输送段上对称设有两个充气孔，实现保护气与激光束的同轴输送，直接作用于熔池。
所述喷粉嘴为多个、并且均布于连接套筒的外侧。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明设计的送粉头采用两层冷却结构，内腔冷却层主要冷却激光光束周围，外腔冷却层主要冷却喷粉嘴。两套冷却层相互配合，提高了送粉头高功率激光的耐受度。
2.本发明的喷粉嘴采用高精密电火花工艺加工，具有较高的加工质量，且孔内壁具有较高表面粗糙度，提高了粉流的挺度和送粉精度。同时，喷粉嘴采用螺纹结构与外腔冷却层连接，方便喷粉嘴的拆装和更换。
3.本发明设计的送粉头具有伸缩套筒和对中装置，可方便调节加工平面上激光光斑尺寸和离焦量，同时也可通过调节喷粉嘴的宏观位置，实现光粉同轴，提高了成形质量和送粉精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明中窗口防护系统的结构示意图；
图4为图3中A-A剖视图；
图5为本发明中对中装置的结构示意图；
图6为图5中B-B剖视图。
图中：1为窗口防护系统，2为伸缩套筒，3为对中装置，4为保护气输送段，5为连接套筒，6为喷粉嘴，7为内腔冷却层，8为外腔冷却层，9为激光束，11为锁紧装置，12为保护镜架，13为压紧螺钉，14为激光增透镜，31为支撑环，32为对中螺纹孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1、图2所示，本发明提供的一种送粉式激光3D打印光纤送粉头，包括依次连接的窗口防护系统1、伸缩套筒2、对中装置3、保护气输送段4、连接套筒5及喷粉嘴6，所述连接套筒5上设有双层冷却结构。激光束9为聚焦式，激光束9依次穿过窗口防护系统1、伸缩套筒2、对中装置3、保护气输送段4及连接套筒5的内孔中央，投射到加工面上，所述喷粉嘴6从四周喷射粉流到光束内部，粉末快速熔凝实现成形加工。
所述双层冷却结构包括内腔冷却层7和外腔冷却层8，所述内腔冷却层7为设置于所述连接套筒5内壁上的密封腔，用于直接冷却由于激光束9周边的热辐射和激光束9反射而造成的热积累，间接冷却载气粉流；所述外腔冷却层8为设置于喷粉嘴6外侧的密封腔，用于直接冷却载气粉流，并与内腔冷却层7配合间接冷却激光束9周边的热辐射和激光束9反射而造成的热积累。
所述内腔冷却层7设有进水接口和出水接口，所述进水接口和出水接口分别与两个内腔水冷管连接。所述内腔冷却层7上的进水接口和出水接口对称布设。激光束9从内腔冷却层7的内孔中央通过。
所述外腔冷却层8与喷粉嘴6螺纹连接，方便喷粉嘴6的拆装和更换。
所述喷粉嘴6为多个、并且均布于连接套筒5的外侧。本实施例中，所述喷粉嘴6为四个。所述外腔冷却层8位于四个喷粉嘴的外围，可冷却喷粉嘴6，并与内腔冷却层7相配合，实现整套送粉头冷却效率的提升，提高送粉头对高功率激光的耐受度。
所述喷粉嘴6采用高精度电火花打孔制备，紫铜材料，具有较高加工精度和表面质量，提高了粉末流的喷射挺度和送粉精度，粉末流从喷粉嘴喷出，并在激光束9的外围形成倒锥形载粉气流层，汇聚于激光束9的中心轴线上，粉末的汇聚点位于工件表面上。
所述窗口防护系统1位于整套送粉头的上部，采用激光增透镜作为封闭材料，起到透射激光、隔断烟尘的作用，保护光学套件。
如图3、图4所示，所述窗口防护系统1包括激光增透镜14、保护镜架12及锁紧装置11，其中激光增透镜14安装在保护镜架12上，所述保护镜架12通过锁紧装置11与所述伸缩套筒2连接；所述保护镜架12由带支撑外延的环形结构构成，作用是定位及锁紧激光增透镜14；所述激光增透镜14的作用是防止成形过程产生的烟气、回弹粉末进入光纤送粉头之前的光路部分，而造成核心光学器件损坏；所述锁紧装置11是通过压紧螺钉13将所述保护镜架12锁紧于所述伸缩套筒2上。
所述伸缩套筒2包括多个螺纹连接的套筒，通过旋转各套筒实现伸缩，所述伸缩套筒2用于调节加工平面上激光光斑尺寸和离焦量。
所述对中装置3位于喷粉嘴6的上部，采用环形结构，通过扭转相关位置的螺栓，可调节喷粉嘴的宏观位置，实现光粉同轴，提高成形质量。
如图5、图6所示，所述对中装置3包括支撑环31和位置调节螺钉，所述伸缩套筒2端部设有的轴肩容置于所述保护气输送段4端部设有的凹槽内，所述支撑环31与所述保护气输送段4端部连接，使伸缩套筒2与保护气输送段4连接，即轴向定位。所述保护气输送段4端部外圆周上均布有多个与凹槽连通的对中螺纹孔32，各对中螺纹孔32内均设有一个与伸缩套筒2的轴肩接触的位置调节螺钉，通过调节位置调节螺钉，实现保护气输送段4相对与伸缩套筒2发生位置变化，实现送粉头中心与激光光斑位置重合。
本实施例中，所述保护气输送段4的端部侧面间隔90°方向排布四个中螺纹孔32，四个位置调节螺钉分别穿过四个对中螺纹孔32、并且与伸缩套筒2接触，通过调节四个位置调节螺钉松紧程度，实现保护气输送段4相对与伸缩套筒2发生位置变化，实现送粉头中心与激光光斑位置重合。
所述保护气输送段4上对称设有两个充气孔，所述保护气输送段4通过两个充气孔将保护气射到激光束9的内部，并与激光束9的同轴输送，直接作用于熔池，提高保护效果，防止氧化。
本发明提供的一种送粉式激光3D打印光纤送粉头，是一种两层水冷高精密喷射式送粉头，整套装置具有送粉精度高、可承载高功率长时间工作、抗氧化等优势。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，包括依次同轴连接的窗口防护系统(1)、伸缩套筒(2)、对中装置(3)、保护气输送段(4)、连接套筒(5)及喷粉嘴(6)，所述连接套筒(5)的内外侧设有双层冷却结构，激光束(9)依次穿过窗口防护系统(1)、伸缩套筒(2)、对中装置(3)、保护气输送段(4)及连接套筒(5)的中心孔，投射到加工面上，所述喷粉嘴(6)从四周喷射粉流到光束内部，粉末快速熔凝实现成形加工，所述双层冷却结构用于冷却激光束(9)周边的热辐射和载气粉流。
2.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述双层冷却结构包括内腔冷却层(7)和外腔冷却层(8)，所述内腔冷却层(7)为设置于所述连接套筒(5)内壁上的密封腔，用于直接冷却由于激光束(9)周边的热辐射和激光束(9)反射而造成的热积累，间接冷却载气粉流；所述外腔冷却层(8)为设置于喷粉嘴(6)外侧的密封腔，用于直接冷却载气粉流，并与内腔冷却层(7)配合间接冷却激光束(9)周边的热辐射和激光束(9)反射而造成的热积累。
3.根据权利要求2所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述内腔冷却层(7)设有进水接口和出水接口，所述进水接口和出水接口分别与两个内腔水冷管连接。
4.根据权利要求3所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述内腔冷却层(7)上的进水接口和出水接口对称布设。
5.根据权利要求2所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述外腔冷却层(8)与喷粉嘴(6)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述窗口防护系统(1)包括激光增透镜(14)、保护镜架(12)及锁紧装置(11)，其中激光增透镜(14)安装在保护镜架(12)上，所述保护镜架(12)通过锁紧装置(11)与所述伸缩套筒(2)连接；所述保护镜架(12)的作用是定位及锁紧激光增透镜(14)；所述激光增透镜(14)的作用是防止成形过程产生的烟气、回弹粉末进入光纤送粉头之前的光路部分，而造成核心光学器件损坏。
7.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述伸缩套筒(2)包括多个螺纹连接的套筒，通过旋转各套筒实现伸缩，所述伸缩套筒(2)用于调节加工平面上激光光斑尺寸和离焦量。
8.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述对中装置(3)包括支撑环(31)和位置调节螺钉，所述伸缩套筒(2)端部设有的轴肩容置于所述保护气输送段(4)端部设有的凹槽内，所述支撑环(31)与所述保护气输送段(4)端部连接，使伸缩套筒(2)与保护气输送段(4)连接，所述保护气输送段(4)端部外圆周上均布有多个与凹槽连通的对中螺纹孔(32)，各对中螺纹孔(32)内均设有一个与伸缩套筒(2)接触的位置调节螺钉，通过调节位置调节螺钉，实现保护气输送段(4)相对与伸缩套筒(2)发生位置变化，实现送粉头中心与激光光斑位置重合。
9.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述保护气输送段(4)上对称设有两个充气孔，实现保护气与激光束(9)的同轴输送，直接作用于熔池。
10.根据权利要求1所述的送粉式激光3D打印光纤送粉头，其特征在于，所述喷粉嘴(6)为多个、并且均布于连接套筒(5)的外侧。
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