CN108015281A - 3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印装置及其打印方法，该3D打印装置包括：成型工作台，设置在成型工作室内；铺粉装置和激光器，所述激光器为光纤激光器，包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；其中：所述连续激光用于对所述铺设粉末的成型工作台扫描成型，所述脉冲激光用于对打印成型件边缘进行精密加工。所述3D打印装置及其打印方法稳定性高，精度好，成本低。

Description

3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及一种激光3D打印技术，尤其涉及一种基于连续脉冲激光的选区激光熔化3D打印装置及其打印方法。

背景技术

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是目前金属3D打印技术中成型精度最高的成型方法，SLM技术是利用高密度激光斑点在具有保护气氛的箱体里进行的二维图形的快速扫描，使熔化的金属粉末材料凝固成20μm-30μm的薄层，并逐层堆积打印出精密的3D成型件，广泛应用于航空航天，生物医疗等行业的精密零部件、植入器件制造。尽管SLM打印精度可达到0.05mm-0.02mm，但受制于粉末粒度，激光聚焦光斑尺寸、逐层打印等材料与工艺因数，SLM技术成型零部件的尺寸精度和表面粗糙度仍然无法满足高精密零部件的精度要求。

脉冲激光器具有高稳定性、低成本、高峰值功率等优势，采用这种超快脉冲激光器加工脆硬、超薄材料，割口光滑(粗糙度Ra＜1.0μm)无热损伤，属于冷加工，是目前材料微加工领域出现的“颠覆性技术”。然而，目前国外进口的皮秒固体脉冲激光器价格昂贵，系统复杂，稳定性差，根本无法应用于SLM快速成型的精密加工。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种3D打印装置及其打印方法，利用光纤激光的连续或脉冲激光打印并加工工件，可满足3D打印系统高稳定性、高精度、低成本的要求。

本发明提供了一种3D打印装置，所述3D打印装置包括：

成型工作台，设置在成型工作室内；

铺粉装置，用于在所述成型工作台铺设粉末；

第一激光器，所述第一激光器为光纤激光器，包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；

激光控制模块，所述激光控制模块与所述第一激光器连接，用于控制所述第一激光器输出连续激光或脉冲激光；

第一扫描振镜，所述第一扫描振镜用于将所述第一激光器输出的连续激光或脉冲激光通过第一扫描振镜聚焦在铺设在所述成型工作台上的粉末，其中：

所述连续激光用于对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型，所述脉冲激光用于对成型件进行精密加工,所述脉冲激光的焦距范围为100～500mm。

优选地，还包括摄像头，

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌后，所述脉冲激光对所述平面轮廓进行精密加工，并通过所述摄像头进行实时监控。

优选地，还包括第二激光器，

在所述第一激光器对所述铺设粉末的成型工作台扫描成型和轮廓加工完成后，所述第二激光器对所述成型的表面进行微结构减材加工。

优选地，所述第二激光器沿相互垂直的两个方向移动地设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

优选地，还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室进行热处理，所述热处理机构包括设置在所述成型工作台上的加热元件，用于对粉末进行预热，和/或，

所述热处理机构包括设置在所述成型工作室内的辐射源，用于对所述成型件的面成型轨迹进行加热。

优选地，还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括冷却机构、隔热板、加热器和温度传感器；

所述冷却机构包括气冷机构和水冷机构，所述气冷机构包括设置在气体循环净化装置的管道上的气体热交换器和与所述气体喷射孔，所述气体喷射孔用于对所述第一扫描振镜、第二扫描振镜和激光入射窗中至少一种进行喷射气体冷却；所述水冷机构包括相互连通的冷却通道，所述水冷通道具有水冷入口和水冷出口，并且所述水冷通道设置于所述成型工作室的侧壁和成型缸的底面；

所述隔热板设于所述成型工作室的侧壁，以及所述成型缸基台的下方，并且所述隔热板的边缘与所述成型缸基台连接，形成一密闭空间，所述加热器设于该密闭空间内；

所述温度传感器设于所述成型工作室的内壁，以及所述成型工作台的朝向所述加热器的表面。

本发明还提供了一种3D打印方法，所述3D打印方法包括：

利用铺粉装置在成型工作台铺设粉末；

控制所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型；及

控制所述第一激光器发出脉冲激光以对成型件的表面轮廓进行精密加工。

优选地，在所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型和轮廓加工形成成型件后，还通过第二激光器对所述成型件的表面进行微结构减材加工，其中，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

优选地，所述控制所述第一激光器发出脉冲激光以对成型件的表面轮廓进行精密加工和所述第二激光器进行对所述成型件的表面进行微结构减材加工的步骤包括：

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌，通过所述脉冲激光对所述平面轮廓进行精密加工，以及通过所述第二激光器进行对所述成型件的表面进行微结构减材加工，并通过所述摄像头进行实时监控。

优选地，在所述控制所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型的步骤之前，还包括：对所述成型工作室进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源对所述成型件的面成形轨迹进行加热。

相较于现有技术，本发明提供的3D打印装置及其打印方法采用高稳定性的第一激光器分别发出连续激光和脉冲激光，仅一台激光器即可实现成型及精加工，稳定性高，精度好，且成本较低。

进一步，本发明提供的3D打印装置及其打印方法还可以通过摄像头获取成型件的表面形貌，实时观测脉冲激光对连续激光增材加工形成的成型表面进行轮廓加工，以及微结构加工的表面形貌，这样，可以在增材过程中一次实现打印成形和精加工，不再需要对成型件再次进行研磨。

更进一步的，本发明提供的3D打印装置及其打印方法还通过第一激光器扫描成型形成成型件的打印层后，通过第二激光器对打印层进行微结构减材加工，尤其适合应用在具有微结构的3D打印，例如口腔器件、骨关节、椎体、精密导管、航天航空器件、精密过滤器件、微结构反应器等领域的3D打印。

而且，本发明提供的3D打印装置及其打印方法又可以通过热处理机构对打印件进行热处理，可以降低成型件在打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在差别而导致3D打印工件存在的应力，消除变形和裂纹，使得打印出的工件具有更好的微观组织。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。

图2是本发明第二实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。

图3是本发明第三实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。

图4是本发明第四实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。

图5是本发明第五实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。

图6是图5中A-A处的剖面结构图。

图7是本发明第五实施方式提供的一种3D打印装置的成型缸的结构图。

主要元件符号说明

3D打印装置 1000

成型工作室 1

激光入射窗 10

摄像头 11

成型工作台 2

成型缸 21

成型缸基台 210

成型缸升降杆 212

工作平台 22

铺粉装置 3

铺粉缸 31

铺粉缸基台 310

铺粉缸升降杆 312

铺粉件 32

气体控制系统 4

气体供应装置 40

抽真空装置 41

气体循环净化装置 42

气体热交换器 43

热交换格栅 431

冷却水降温板 432

第一激光器 5

连续激光种子源 51

脉冲激光种子源 52

光纤耦合器 53

光纤放大器 54

第一扫描振镜 55

辐射源 6

水冷通道 61

温度传感器 62

加热器 63

隔热板 64

水冷保护板 65

气体喷射孔 66

第二激光器 8

激光发生器 81

聚焦镜 82

第二扫描振镜 83

横向位移机构 84

纵向位移机构 85

激光控制模块 9

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以下所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，所述模块或电路的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由同一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1所示，为本发明实施例的3D打印装置1000。所述3D打印装置1000包括，成型工作室1、成型工作台2、铺粉装置3、气体控制系统4、第一激光器5、第一扫描振镜55、激光控制模块9。其中所述成型工作室1为封闭密封腔，其内为真空或充盈预定浓度的惰性气体。优选地，所述成型工作室1内的氧含量＜100ppm，以避免对金属粉末或成型件的氧化损害。所述成型工作室1大致呈方形，可以理解的是，所述成型工作室1的形状也可以是其他任意适宜的形状，例如圆形等。

所述成型工作台2设置于所述成型工作室1内，所述成型工作台2包括成型缸21及设置在所述成型缸21上的工作平台22。所述成型缸21用于在垂直于所述工作平台22的方向推送所述工作平台22，以便能形成多层打印结构。所述工作平台22大致水平设置。所述成型缸21包括成型缸基台210及设置在所述成型缸基台210及所述工作平台22之间的成型升降杆212。在一些实施例中，所述成型缸基台210可为方形或圆形不锈钢板，所述成型缸升降杆212可为活塞。所述成型缸基台210能在所述成型缸升降杆212的驱动下沿大致垂直于所述工作平台22的方向移动。

所述铺粉装置3用于在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末。在图所示的实施例中，所述铺粉装置3设置在所述成型工作室1内，包括铺粉缸31及铺粉件32。所述铺粉缸31用于将所述粉末推送至与所述工作平台22大致平齐的位置，所述铺粉件32用于将所述粉末铺设至所述工作平台22，在一些实施例中，所述铺粉件32可为刮刀或铺粉辊。可以理解的是，所述铺粉缸31也可不设置在图所示的位置，只要能将所述粉末推送至与所述工作平台22大致平行的位置即可。例如，所述铺粉缸31可以设置在所述成型工作室1的旁边或上方，所述粉末相应地从所述成型工作室1的侧边或上方输送至与所述工作平台22大致平行的位置，再由所述铺粉件32将所述粉末均匀地铺设至所述工作平台22即可。所述铺粉件32的位置设置在与所述工作平台22大致平行的平台上，位置与铺粉缸31的位置相对应，所述铺粉缸31的粉末输出口正好位于所述铺粉件32的附近，以便于所述铺粉件32将从所述粉末输出口输出的粉末铺设至所述工作平台22。所述铺粉缸31结构可类似于所述成型缸21，包括铺粉缸基台310及设置在所述铺粉缸基台310一端的铺粉缸升降杆312，所述粉末设置于所述铺粉缸基台310远离所述成型缸基台210的一侧。所述铺粉缸基台310能够在所述铺粉缸升降杆312的驱动下沿大致垂直于所述工作平台的方向移动，以推送所述粉末从所述粉末输出口输出。在一些实施例中，所述铺粉缸基台310可为方形或圆形不锈钢板，所述铺粉缸升降杆312可为活塞。

可以理解的是，所述成型缸21和所述铺粉缸31均可与一控制系统相连接，以根据打印需要精确控制所述工作平台22的高度及所述粉末的厚度。

所述气体控制系统4用于控制所述成型工作室1内的气体。所述气体控制系统4包括气体供应装置40、抽真空装置41及气体循环净化装置42。所述气体供应装置40用于向所述成型工作室1内充入惰性气体。所述抽真空装置41用于对所述成型工作室1进行抽真空处理。所述气体循环净化装置42用于对所述成型工作室1内的气体进行循环净化。本发明的3D打印装置1000是在封闭的氩气保护气氛中进行，通过所述气体循环净化装置42，可使所述成型工作室1内的氧含量控制在100ppm以下。

所述第一激光器5可以是光纤激光器，包括连续激光种子源51、脉冲激光种子源52、光纤耦合器53及光纤放大器54。其中所述连续激光种子源51与所述脉冲激光种子源52均与所述光纤耦合器53相连接，用于对所述连续激光种子源51和所述脉冲激光种子源52发出的激光进行光耦合。所述光纤放大器54用于对所述光纤耦合器53输出的激光进行放大处理，以输出满足预定参数条件的激光。其中所述第一激光器5输出的连续激光的波长可为1.01μm、1.02μm、1.03μm、1.04μm、1.05μm、1.06μm、1.01μm-1.08μm或其他任意适宜的波长；功率可为40W-50W、40W-60W、40W-70W、40W-80W、40W-90W、40W-100W、40W-450W、450W-2000W、40W-2000W等或其他任意适宜的功率；光斑直径可为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、60μm-70μm、50μm-100μm、50μm-200μm或其他任意适宜的值。所述第一激光器5输出的脉冲激光的脉冲宽度为200ps-1ps，脉冲峰值功率大于100KW，光斑直径可为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、60μm-70μm、50μm-100μm。所述脉冲激光的焦距范围为100～500mm。在一些实施例中，在所述第一激光器5的光路中可增设光束直径调节器，用于对输出的激光的光斑直径进行调节，以使得输出的光斑大小更加符合预期。

所述第一扫描振镜55用于将所述第一激光器5输出的激光反射聚焦在所述工作平台22上，通过所述第一扫描振镜55的扫描，使得所述第一激光器5输出的激光以预定路径投射在所述工作平台22上，从而在所述工作平台22的粉末层上打印出预设的图案。在本实施例中，所述第一扫描振镜55的扫描速度为0～10000mm/s，例如200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s、600mm/s、700mm/s、800mm/s、900mm/s、1000mm/s、2000mm/s、3000mm/s、4000mm/s、5000mm/s，可以理解的是，所述第一扫描振镜55的扫描速度也不限于上所述的范围，还可以是其他任意适宜的值，所述第一扫描振镜55的扫描速度可根据打印具体需求进行适当设置。所述第一扫描振镜55的扫描间距为40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、或40μm-70μm，或其他任意适宜的间距值，所述第一扫描振镜55的扫描间距可根据打印具体需求进行适当设置。

所述激光控制模块9用于控制所述第一激光器5，以使得所述第一激光器5输出满足预定参数的激光。

所述第一激光器5及所述第一扫描振镜55设置在所述成型工作室1的上方，在所述成型工作室1上对应于所述第一扫描振镜55的扫描范围处设置有激光入射窗10，所述激光入射窗10处可由透明材质覆盖，例如透明玻璃等。

利用本实施方式的所述3D打印装置1000进行3D打印的方法步骤如下：

首先，建立待生成实体工件的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据规划成型的激光扫描路径，所述激光扫描路径包括层数、每层的厚度、每层的横截面层状数据及各层扫描路径。

接着，将所述成型工作室1通过所述抽真空装置41抽真空处理，然后通过所述气体供应装置40充入预定浓度的惰性气体，以使得所述成型工作室1内的氧含量小于100ppm。

接着，利用所述铺粉装置3在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末，所述粉末的厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。可以理解的是，所述粉末的厚度可根据所述每层的厚度进行具体设置。

再接着，控制所述第一激光器5输出的满足预订参数条件的连续激光(波长1.06μm,功率40W-2000W，光斑直径30μm-200μm)，所述第一扫描振镜55以预设的工作参数(扫描速度200-5000mm/s，扫描间距40μm-70μm)将所述激光扫描反射至所述工作平台22，按照预定的打印程序，完成三维模型一层横截面的打印。

然后，再控制所述第一激光器5输出满足预定参数条件的皮秒级脉冲激光(脉冲宽度200ps-0.4ps，光斑直径30μm-100μm，脉冲峰值功率大于100KW)，所述第一扫描振镜55以预设的打印程序将所述脉冲激光投射至所述工作平台22，完成已生成横截面轮廓边缘的精密微加工，提高轮廓边缘的精密度。

接着，完成一薄层精密微加工后，所述工作平台22在所述成型缸升降杆212的作用下下降一个薄层厚度，接着进行下一层三维模型横截面的打印，重复上述步骤直至生成实体工件。所述三维模型的每一层横截面厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段检测所述成型工作室1内的氧含量，当氧含量达到或超过预设值时补充惰性气体以控制氧含量低于所述预设值(例如100ppm)。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段利用所述气体循环净化装置42对所述成型工作室1内的气体进行循环净化处理。

可以理解的是，上述打印方法的实施例中，是每个横截面都要先采用连续激光打印，然后用脉冲激光进行精密加工。在其他实施例中，也可以是两个或多个横截面分别采用连续激光打印，然后再采用脉冲激光对已成型的包括该多个横截面的轮廓进行精加工。

如下以具体的打印示例来进一步说明。

示例1

利用计算机设计建立实体零件的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据生成每层厚度为20μm的横截面层状数据和各层扫描路径程序。

将CoCrMo合金粉末均匀置于铺粉装置3内，通过所述铺粉缸31将所述铺粉装置3内的粉末输送至与所述工作平台22大致平齐的位置，再通过所述铺粉件32把所述铺粉缸31输送的粉末铺设至所述工作平台22，在其表面铺一薄层。

设置3D打印工艺参数为：功率45W，扫描速度250mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，成型工作室1内氧含量＜100ppm。

启动打印程序，所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出连续激光，按照设定好的扫描程序进行第一层截面图形的打印，第一层打印完成后，待脉冲激光进行精密加工后，再开始进行第二层横截面图形打印。

完成一层打印后，在所述激光控制模块9的控制下，所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出脉冲激光，按照设定好的成型件轮廓扫描程序进行第一层截面轮廓的精密加工，加工参数为：激光脉冲宽度10皮秒，峰值功率大于100KW，扫描速度2500mm/s。

上述过程循环进行，直至所有横截面打印完毕，得到精密的打印成型制件。

所述三维模型的每一层横截面厚度为20μm，经连续/脉冲光纤激光加工后的成型制件表面粗糙度由Ra4.86μm降至Ra1.0μm，制件精度0.0045mm。

示例2

利用计算机设计建立实体零件的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据生成每层厚度为20μm的横截面层状数据和各层扫描路径程序。

将Ti合金属粉末均匀置于铺粉装置3内，通过所述铺粉缸31将所述铺粉装置3内的粉末输送至与所述工作平台22大致平齐的位置，再通过所述铺粉件32把所述铺粉缸31输送的粉末铺设至所述工作平台22，在其表面铺一薄层。

设置3D打印工艺参数为：功率450W，扫描速度2500mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，成型工作室1内氧含量＜100ppm。

所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出连续激光，按照设定好的扫描程序进行第一层截面图形的打印，第一层打印完成后，待脉冲激光进行精密加工后，再开始进行第二层横截面图形打印。

完成一层打印后，在所述激光控制模块9的控制下，所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出脉冲激光，按照设定好的成型件轮廓扫描程序进行第一层截面轮廓的精密加工，加工参数为：激光脉冲宽度10ps，峰值功率大于100KW，扫描速度3000mm/s。

上述过程循环进行，直至所有横截面打印完毕，得到精密的打印成型制件。

所述三维模型的每一层横截面厚度为20μm，经连续/脉冲光纤激光加工后的成型制件表面粗糙度由Ra4.86μm降至Ra1.0μm，制件精度0.0045mm。

示例3：

利用计算机设计建立实体零件的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据生成每层厚度为20μm的横截面层状数据和各层扫描路径程序。

将Ti合金/ZrO2复合粉末均匀置于铺粉装置3内，通过所述铺粉缸31将所述铺粉装置3内的粉末输送至与所述工作平台22大致平齐的位置，再通过所述铺粉件32把所述铺粉缸31输送的粉末铺设至所述工作平台22，在其表面铺一薄层。

设置3D打印工艺参数为：功率450W，扫描速度2300mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，成型工作室1内氧含量＜100ppm。

所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出连续激光，按照设定好的扫描程序进行第一层截面图形的打印，第一层打印完成后，待脉冲激光进行精密加工后，再开始进行第二层横截面图形打印。

完成一层打印后，在所述激光控制模块9的控制下，所述第一激光器5由所述激光控制模块9控制输出脉冲激光，按照设定好的成型件轮廓扫描程序进行第一层截面轮廓的精密加工，加工参数为：激光脉冲宽度10ps，峰值功率大于100KW，扫描速度3000mm/s。

上述过程循环进行，直至所有横截面打印完毕，得到精密的打印成型制件。

所述三维模型的每一层横截面厚度为20μm，经连续/脉冲光纤激光加工后的成型制件表面粗糙度由Ra4.86μm降至Ra1.0μm，制件精度0.0045mm。

本发明的3D打印装置1000及其打印方法利用连续激光进行SLM逐层打印，利用脉冲激光对成型的薄层轮廓进行精密加工。由于皮秒级脉冲激光的光束斑点小(可小于10μm)加工割口光滑(Ra_＜1.0μm)，可大幅提高成型件打印精度，扩大增材制造的应用范围。

采用本发明的3D打印方法可大幅度提高打印成型件的表面精密度至0.005mm～0.01mm以上。而且打印系统简单，可靠性高，稳定性好，两束激光交替扫描完成成型打印和精密加工，进一步扩展了金属3D打印在健康医疗航空航天领域的应用。

图2是本发明第二实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。所述的第二实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第二实施方式还包括一摄像头11。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第二实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图2所示，该3D打印装置1000在成型工作室1内设有摄像头11。该摄像头11可以是高清摄像机或者高速扫描仪，用于抓取成型件的表面形貌。在第一激光器通过连续激光对铺设在成型工作台2上的粉末扫描成型，完成一层增材制造后通过第一激光器5的脉冲激光，对成型件表面轮廓进行激光精密加工。本实施方式中，可以设定脉冲激光每次加工的消除量，通过一次或多次加工以实现精确加工。更进一步的，在通过所述连续激光扫描成型出的表面，通过所述摄像头11获取所述打印件的表面形貌，尤其是通过第二激光器对成型表面进行微结构加工时，可以直观清晰地获取表面微结构的孔形、孔距等微观形貌。脉冲激光的焦距为5～100mm，聚焦光斑的直径为30-100微米，可以根据需要变化光斑直径。

利用本实施方式的所述3D打印装置1000进行3D打印的方法中，控制所述第一激光器5发出脉冲激光以对成型件进行精密加工的步骤包括：

在所述连续激光扫描成型平面时，通过所述摄像头11获取所述成型件的表面轮廓(即成形面)的表面形貌，通过所述脉冲激光对所述成表面轮廓进行微加工。

其他步骤与利用第一实施方式提供的3D打印装置1000进行3D打印的方法相同，此处不再赘述。

图3是本发明第三实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。所述的第三实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第三实施方式还包括第二激光器8。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第三实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图3所示，该3D打印装置1000还包括与激光控制模块9连接的第二激光器8。所述第二激光器8通过沿相互垂直的两个方向移动的装置设置于所述成型工作台2的上方。成型工作室1内安装有横向位移机构84和纵向位移机构85，其中，横向位移机构84和纵向位移机构85优选相互垂直，使得第二激光器8可以在水平面内移动。本实施方式中，所述的横向位移机构84和纵向位移机构85用于带动第二激光器8横向移动和纵向移动，本领域技术人员可以采用多种方式实现上述的功能，例如导轨滑块结构，滚珠丝杠结构等，本发明对此不做限制。

所述的第二激光器8为皮秒或者飞秒激光器，包括激光发生器81、聚焦镜82和第二扫描振镜83。激光发生器81产生的激光依次经聚焦镜82聚焦后，通过第二扫描振镜83聚焦后的激光反射聚焦在工作平台上，通过所述第二扫描振镜83的扫描，使得聚焦后的激光以预定路径投射在所述工作平台22上，从而在所述第一激光器5对所述铺设粉末的成型工作台2扫描成型，形成成型件的打印层后，所述第二激光器8对所述成型件的打印层进行微结构减材加工。本实施方式中，所述第二激光器8的焦距范围为5～100mm，光斑直径可为8μm-10μm、8μm-20μm、8μm-30μm、8μm-40μm、10μm-20μm、10μm-30μm、10μm-40μm，可以加工为几微米～几十微米的微结构。所述第二激光器8进行对所述成型件的表面进行微结构减材加工时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌，并通过摄像头11进行实时监控。

利用本实施方式的所述3D打印装置1000进行3D打印的方法步骤如下：

首先，建立待生成实体工件的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据规划成型的激光扫描路径，所述激光扫描路径包括层数、每层的厚度、每层的横截面层状数据及各层扫描路径。

接着，将所述成型工作室1通过所述抽真空装置41抽真空处理，然后通过所述气体供应装置40充入预定浓度的惰性气体，以使得所述成型工作室1内的氧气浓度小于100ppm。

接着，利用所述铺粉装置3在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末，所述粉末的厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。可以理解的是，所述粉末的厚度可根据所述每层的厚度进行具体设置。

再接着，控制所述第一激光器5输出的满足预订参数条件的连续激光(波长1.06μm,功率40W-2000W，光斑直径30μm-200μm)，所述第一扫描振镜55以预设的工作参数(扫描速度200-5000mm/s，扫描间距40μm-70μm)将所述激光扫描反射至所述工作平台22，按照预定的打印程序，完成三维模型一层横截面的打印。

然后，再控制所述第一激光器5输出满足预定参数条件的皮秒级脉冲激光(脉冲宽度200ps-0.4ps，光斑直径30μm-100μm，脉冲峰值功率大于100KW)，所述第一扫描振镜55以预设的打印程序将所述脉冲激光投射至所述工作平台22，完成已生成横截面轮廓边缘的精密微加工，提高轮廓边缘的精密度。

接着，通过第二激光器8对增材制造的工件表面进行微结构加工，以达到减材加工的目的。该第二激光器8可以在打印层上建立凹槽、通孔等微结构，从而可以实现成型件内部的多孔结构或者内部通道等结构的打印。

然后，完成一薄层精密微加工后，所述工作平台22在所述成型缸升降杆212的作用下下降一个薄层厚度，接着进行下一层三维模型横截面的打印，重复上述步骤直至生成实体工件。所述三维模型的每一层横截面厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段检测所述成型工作室1内的氧含量，当氧含量达到或超过预设值时补充惰性气体以控制氧含量低于所述预设值(例如100ppm)。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段利用所述气体循环净化装置42对所述成型工作室1内的气体进行循环净化处理。

可以理解的是，上述打印方法的实施例中，是每个横截面都要先采用连续激光打印，然后用脉冲激光进行精密加工。在其他实施例中，也可以是两个或多个横截面分别采用连续激光打印，然后再采用脉冲激光对已成型的包括该多个横截面的轮廓进行精加工。

本实施方式提供的3D打印装置1000除了具有第一实施方式提供的3D打印装置的技术效果还，还可以通过第一激光器5扫描成型形成成型件的打印层后，通过第二激光器8对打印层进行微结构减材加工，尤其适合应用在具有微结构的3D打印，例如口腔器件、骨关节、椎体、精密导管、航天航空器件、精密过滤器件、微结构反应器等领域的3D打印。

图4是本发明第四实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。所述的第四实施方式与第三实施方式的主要区别在于，第四实施方式还包括热处理机构器。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第三实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第四实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图4所示，该3D打印装置1000还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室1进行热处理。由于打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在一定的差别，进而导致3D打印工件存在一定的应力，并且打印件的内部微观组织未达到最完美或有一定缺陷，因此，为减少上述的应力，及得到更佳微观组织的产品，可实现在3D打印中对整个成型工作室1进行热处理，特别是进行预热处理。热处理机构可以是多种方式实现，如下是两种可能的实现方式：

1)所述热处理机构包括设置在所述成型工作台2上的加热元件，用于对粉末进行预热，通过设置于基台、基板上的加热元件，对粉末进行预热或加热。

2)所述热处理机构包括设置在所述成型工作室1内的辐射源6，用于对所述第一激光器5发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。辐射源6为范围可控的光源，例如红外、半导体激光等对部分区域(其辐射区域的大小可通过控制照射光斑来进行调节)进行加热或预热，也可以做快速加温和冷却，例如，在通过辐射方式时，通过分析增材打印时激光运行的轨迹，可控制红外等在成型件的面成型轨迹上进行预热、固熔处理。

利用本实施方式的所述3D打印装置1000进行3D打印的方法步骤如下：

在控制所述第一激光器5发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台2上的粉末扫描成型的步骤之前，还包括：对所述成型工作室1进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源6对所述第一激光器5发出的连续激光的光斑的运行轨迹(即成型件的面成型轨迹)进行加热。

其他步骤与第一实施方式提供的3D打印方法相同，此处不再赘述。

本实施方式提供的3D打印装置除了具有第三实施方式提供的3D打印装置的技术效果外，还通过热处理机构对打印件进行热处理，可以降低成型件在打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在差别而导致3D打印工件存在的应力，使得打印出的工件具有更好的微观组织。

图5是本发明第五实施方式提供的一种3D打印装置的结构图。所述的第五实施方式与第四实施方式的主要区别在于，第五实施方式还包括温度调节装置。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第四实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第五实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图5所示，由于成型工作室1温度过高情况下可能会造成3D打印装置1000的损害，本实施方式中，该3D打印装置1000还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括冷却机构、隔热板64、加热器63和温度传感器62。其中，所述的冷却机构包括气冷机构和水冷机构，所述气冷机构包括设置在气体循环净化装置42的管道上的气体热交换器43和气体喷射孔66，通过热交换器对抽入的气体进行降温，之后再将降温后的气体经所述气体喷射孔66喷入实现降温的目的。图6是图5中A-A处的剖面结构图。如图6所示，所述气体热交换器43包括一热交换格栅431和冷却水降温板432。所述热交换格栅431为铜、铝等金属制作，所述热交换格栅431与所述气体热交换器43连通，并且所述热交换格栅431具有若干喷气孔，所述热交换格栅431的喷气孔可以快速打开并快速清洁，以释放从成型工作室1输出的带有烟尘的气体。所述冷却水降温板432设置于所述热交换格栅431的下方，并且与所述热交换格栅431接触。所述冷却水降温板432具有冷却水入口和冷却水出口，冷却水从所述冷却水入口进入，从所述冷却水出口流出，以带走所述热交换格栅431的热量，帮助热交换格栅431迅速降低所述热交换格栅431的温度。

所述水冷机构包括相互连通的冷却通道61，所述水冷通道61具有水冷入口和水冷出口，所述水冷入口和水冷出口分别连接一水冷散热器，所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器。

所述温度控制装置可以设置在成型工作室1和成型缸21处。下面详细描述温度控制装置在所述成型工作室1的设置方式。

本实施方式中，所述水冷机构的冷却通道可以设置于所述成型工作室1的侧壁内，所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收所述成型工作室1传导的热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器，从而可以为成型工作室1散热。

所述气冷机构在成型工作室1内设有若干气体喷射孔66，经所述气体喷射孔66将冷却后的气体喷入成型工作室1内实现降温。此外，所述气体喷射孔66还可以设置在第一扫描振镜55处分别设置一个或多个气体喷射孔66，用于向所述第一扫描振镜55喷射冷却气体，帮助第一扫描振镜55降温。在第二扫描振镜83处也可以设置一个或多个气体喷射孔66，用于向所述第二扫描振镜83喷射冷却气体，帮助第二扫描振镜83降温。在激光入射窗口处也可以设置一个或者多个气体喷射孔66，用于对激光入射窗10喷射冷却气体，帮助激光入射窗10降温。然而，本领域技术人员还可以根据需要设置不同位置和喷射方向的气体喷射孔66，以对特定的零部件实现降温。

为较精准地进行温度控制(如根据特定的温度曲线来进行相应的控制)，所述温度传感器62可以是一个或者多个，设置于所述成型工作室1的内壁，用于对所述成型工作室1内的温度进行检测以调整所述加热元件或者所述辐射源6的加热功率。

所述隔热板64设置在所述成型工作室1侧壁，用于防止外界热量传入成型工作室1内，同时，也可以防止成型工作室1过高的温度烫伤作业人员，提高了作业人员的安全性。

下面详细描述温度控制装置在所述成型缸21的设置方式。

图7是本发明第五实施方式提供的一种3D打印装置的成型缸21的结构图。如图7所示，所述水冷通道61可以设于所述成型缸21的侧壁内，用于对成型缸21进行散热。所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收所述成型缸21传导的热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器，从而可以为成型缸21散热。

为较精准地进行温度控制(如根据特定的温度曲线来进行相应的控制)，所述温度传感器62可以设置在所述成型缸21内的成型缸基台210的底部，其数量可以是一个或者多个，用于检测所述成型缸基台210的温度，以实时调节成型缸基台210的温度。所述加热器63设置于所述成型缸基台210的下方，用于对所述成型缸基台210加热。所述隔热板64设置在所述成型缸基台210的下方，并且所述隔热板64边缘与所述成型缸基台210连接，从而与所述成型缸基台210形成一密闭空间，所述加热器63位于该密闭空间内。所述隔热板64的下方还设有一水冷保护板65，所述水冷保护板65内设有若干水冷通道61，所述水冷保护板65内的水冷通道61与成型工作室1侧壁内的水冷通道61连通，用于对成型缸21进行散热。

本实施方式提供的3D打印装置除了具有第四实施方式提供的3D打印装置的技术效果外，还通过温度调节机构对成型工作室1和成型缸21的温度进行调节和控制，可以避免为减少温度过高对打印装置造成损坏。

另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置包括：

成型工作台，设置在成型工作室内；

铺粉装置，用于在所述成型工作台铺设粉末；

第一激光器，所述第一激光器为光纤激光器，包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；

激光控制模块，所述激光控制模块与所述第一激光器连接，用于控制所述第一激光器输出连续激光或脉冲激光；

第一扫描振镜，所述第一扫描振镜用于将所述第一激光器输出的连续激光或脉冲激光通过第一扫描振镜聚焦在铺设在所述成型工作台上的粉末，其中：

所述连续激光用于对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型，所述脉冲激光用于对成型件进行精密加工,所述脉冲激光的焦距范围为100～500mm。

2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括摄像头，

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌后，所述脉冲激光对所述平面轮廓进行加工，并通过所述摄像头进行实时监控。

3.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括第二激光器，在所述第一激光器对所述铺设粉末的成型工作台扫描成型和轮廓加工完成后，所述第二激光器对所述成型的表面进行微结构减材加工。

4.如权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述第二激光器沿相互垂直的两个方向移动地设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

5.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室进行热处理，所述热处理机构包括设置在所述成型工作台上的加热元件，用于对粉末进行预热，和/或，

所述热处理机构包括设置在所述成型工作室内的辐射源，用于对所述成型件的面成型轨迹进行加热。

6.如权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括冷却机构、隔热板、加热器和温度传感器；

所述冷却机构包括气冷机构和水冷机构，所述气冷机构包括设置在气体循环净化装置的管道上的气体热交换器和与所述气体喷射孔，所述气体喷射孔用于对所述第一扫描振镜、第二扫描振镜和激光入射窗中至少一种进行喷射气体冷却；所述水冷机构包括相互连通的冷却通道，所述水冷通道具有水冷入口和水冷出口，并且所述水冷通道设置于所述成型工作室的侧壁和成型缸的底面；

所述隔热板设于所述成型工作室的侧壁，以及所述成型缸基台的下方，并且所述隔热板的边缘与所述成型缸基台连接，形成一密闭空间，所述加热器设于该密闭空间内；

所述温度传感器设于所述成型工作室的内壁，以及所述成型工作台的朝向所述加热器的表面。

7.一种3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法包括：

利用铺粉装置在成型工作台铺设粉末；

控制所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型；及

控制所述第一激光器发出脉冲激光以对成型件的表面轮廓进行精密加工。

8.如权利要求7所述的3D打印方法，其特征在于，

在所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型和轮廓加工形成成型件后，还通过第二激光器对所述成型件的表面进行微结构减材加工，其中，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

9.如权利要求8所述的3D打印方法，其特征在于，所述控制所述第一激光器发出脉冲激光以对成型件的表面轮廓进行精密加工和所述第二激光器进行对所述成型件的表面进行微结构减材加工的步骤包括：

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌，通过所述脉冲激光对所述平面轮廓进行精密加工，以及通过所述第二激光器进行对所述成型件的表面进行微结构减材加工，并通过所述摄像头进行实时监控。

10.如权利要求9所述的3D打印方法，其特征在于，在所述控制所述第一激光器发出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型的步骤之前，还包括：对所述成型工作室进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源对所述成型件的面成形轨迹进行加热。