CN109986079B - 激光线阵3d金属打印机及其文件转换、打印控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光线阵3D金属打印机，包括由m个半导体激光器组成的一维半导体激光器阵列，以及一维半导体激光器阵列输出的激光光路上依次设置的由m个微透镜组成的微透镜阵列、光束间隔压缩整形器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；还包括光束指示器和单点输出控制模块；所述半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴、打印控制平台分别与单点输出控制模块连接；打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；所述光束指示器安装在所述光束间隔压缩整形器上。本发明所公开的3D打印机，一次打印一条线，也即逐线打印，而不是现有的3D打印机逐点打印，相比现有3D打印有更快的打印速度和效率。

Description

激光线阵3D金属打印机及其文件转换、打印控制方法

技术领域

本发明涉及激光3D打印技术领域，特别是一种激光线阵3D金属打印机及其文件转换、打印控制方法，用于将半导体激光半导体激光器二维阵列组装成可以单点控制的线阵激光输出，形成与传统单点激光3D金属打印不同的线阵激光3D金属打印技术，可将打印速度提升数倍。

背景技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。传统的金属材料的3D打印制造技术，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固，周边需要有送粉装置、惰性气体保护、喷头控制等来配套。加工过程是一个点堆积过程，对于一些较大工件的加工需要很长的加工时间，加工效率低下。目前实现金属3D打印的高功率激光器基本采用二维半导体激光器阵列整形技术主要集中在如何将半导体阵列耦合进光纤或者输出加工光束，如果将大功率阵列半导体激光器整形为具有单点控制功能的条形激光输出，可以获得比传统金属材料的3D打印制造技术更高的加工效率，实现单点增材堆积到阵列增材堆积的飞跃。

发明内容

根据金属材料3D激光打印制造的特点，本发明的目的在于，提供一种激光线阵3D金属打印机，将一维半导体激光器阵列输出的激光经过整形后获得可进行单点控制的输出功率密度达到激光3D打印要求的线阵激光输出，再配以双侧同轴送粉喷嘴，实现快速激光3D金属打印。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：

一种激光线阵3D金属打印机，包括由m个半导体激光器组成的一维半导体激光器阵列，以及一维半导体激光器阵列输出的激光光路上依次设置的由m个微透镜组成的微透镜阵列、光束间隔压缩整形器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；还包括光束指示器和单点输出控制模块；所述一维半导体激光器阵列的每一个半导体激光器分别与单点输出控制模块相连，由单点输出控制模块对所述这m个半导体激光器分别进行控制；条形同轴送粉喷嘴、打印控制平台分别与单点输出控制模块连接；打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；由一维半导体激光器阵列输出的激光阵列先经过微透镜阵列进行准直形成m个准直激光束，再经光束间隔压缩整形器对光束间的暗区进行消除得到条状光斑；最后经条形同轴送粉喷嘴的激光输出端口输出，到达打印控制平台；所述光束指示器安装在所述光束间隔压缩整形器上。

进一步的，所述微透镜阵列采用平凸结构，双面镀高损伤阈值的增透膜。

进一步的，所述光束间隔压缩整形器置于半激光束阵列的光路上，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列中包含的激光器数目m相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光束形成的面垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度z₁等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于相邻光斑之间的暗区宽度。

进一步的，所述光束指示器采用2个对称安装在光束间隔压缩整形器的上表面边缘两侧的可见光半导体激光器。

进一步的，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。

进一步的，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

进一步的，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。

进一步的，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

本发明的再一个目的，是上述激光线阵3D金属打印机的文件转换方法，包括如下步骤：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1；所述三维打印数据文件file0包含4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标，x、y方向上的步长均为a，z方向上步长为c；p为对应坐标点的打印控制信息；x∈[0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数；所述阵列打印数据控制file1为包含5个数据项，以(x₁,y₁,z₁,i,p₁)表示，x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z的序列坐标；i为对应激光阵列位置坐标，取值从0到m-1；p₁表示的是其相应的打印控制信息；文件file1与file0中数据的关系如下：

x₁＝INT(x,m)

y₁＝y

z₁＝z

i＝mod(x,m)

p₁＝p

式中mod(x,m)表示x除以m的余数，INT(x,m)表示x除以m下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,Ceiling(A,m)]

y₁∈[0,B-1]

z₁∈[0,C-1]

i∈[0,m-1]

p₁∈[0,1]；

式中Ceiling(A,m)表示A除以m向上舍入为整数；

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2，file2包含3+m个数据项(x₂,y₂,z₂、p₀、p₁、…p_m-1)，其中，x₂,y₂,z₂分别表示x、y、z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a，y方向上步长为b＝m×a，z方向上步长为c；p₀、p₁、…p_m-1为m个打印控制项，对应的p_i取值为0表示第i个点不打印，1表示该点打印；文件File2与文件file1中数据的关系如下：

x₂＝x₁

y₂＝y₁

z₂＝z₁

m个数据项的序号分别为0，1，…，i，…，m-1；其中第i项的值取file1中对应(x₁,y₁,z₁,i)坐标对应的p₁值，也即p₂(i)＝p₁(x₁,y₁,z₁,i)。

本发明的再一个目的，是采用上述激光线阵3D金属打印机的打印控制方法，包括如下步骤：

步1，单点输出控制模块生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块读取打印输出控制文件file2中的第一个数据，将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送给打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个方向坐标，控制水平导轨和升降平台的移动，从而带动打印平台上的工件移动；

步6，单点输出控制模块根据当前数据中的对应的打印控制信息，来控制一维半导体激光器阵列中对应半导体激光器的亮灭，延时一个熔烧时间。

步7，单点输出控制模块读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执行步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块控制喷嘴停止工作，工件打印结束。

本发明的有益效果如下：

本发明通过对多个半导体激光器发出的激光通过微透镜阵列进行准直，再经光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进行消除，最后通过可调的双侧同轴送粉喷嘴，在单点输出控制模块的独立控制下，输出功率密度达到激光3D打印要求的线阵激光输出。应用本发明的线阵高速激光3D金属打印机，相当于多个3D金属激光打印机并行打印，可极大地提高打印速度，解决3D金属打印速度慢。有效解决了现有3D打印机只能逐点打印使得打印速度慢导致的难以实现产业化的缺陷，本发明实现了线阵打印，大大提高了打印工作速度，从而有效提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的激光线阵3D金属打印机的装置原理图。

图2为本发明的光斑分布演化图。

图3为光束整形器结构示意图。

图4为条形同轴送粉喷嘴的结构示意图。

图5为条形同轴送粉喷嘴的内部结构示意图。

图6为单侧喷嘴内的结构示意图。

图7为单侧喷嘴顶部各入口的结构示意图。

图8为喷粉通道内混粉柱的结构示意图。

图9为条形同轴送粉喷嘴底部的结构示意图。

图10为喷粉孔的分布示意图。

图11为喷粉孔的形状示意图，其中，a、圆形立体图，b、圆形俯视图，c、椭圆形俯视图，d、方形立体图，e、方形俯视图，f、矩形俯视图。

图12为送粉流程图。

图13为喷嘴倾角调节装置的结构示意图。

图14为不同熔覆角度的喷粉指示调节参考示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的激光线阵3D金属打印机，包括由m个半导体激光器组成的一维半导体激光器阵列1，以及一维半导体激光器阵列1输出的激光光路上依次设置的由m个微透镜组成的微透镜阵列2、光束间隔压缩整形器4、条形同轴送粉喷嘴6和打印控制平台5；还包括光束指示器3和单点输出控制模块；一维半导体激光器阵列1的每一个半导体激光器分别与单点输出控制模块相连，由单点输出控制模块对这m个半导体激光器分别进行控制；条形同轴送粉喷嘴6、打印控制平台5分别与单点输出控制模块连接；打印控制平台5位于条形同轴送粉喷嘴6下方；由一维半导体激光器阵列1输出的激光阵列先经过微透镜阵列2进行准直形成m个准直激光束，再经光束间隔压缩整形器4对光束间的暗区进行消除得到条状光斑；最后经条形同轴送粉喷嘴6的激光输出端口输出，到达打印控制平台5；光束指示器3安装在光束间隔压缩整形器4上。

如图2所示，为本发明的激光光斑变化图，由一维半导体激光器阵列1输出的光斑经微透镜阵列2整形后形状如图2(A)所示，为m个线状排列的分立光斑阵列，如果每个分立的光斑直径为a，经由光束整形器4整形后的光斑形状如图2(B)标示，为条状光斑，光斑尺寸长m*a，宽a，也即相当于m个光斑尺寸为a的光斑线状组合，这m个光斑亮灭由单点输出控制模块独立控制。

本发明的上述结构整体由单点输出控制模块进行控制实现处理对象的打印，其控制包括四个部分：一是对打印工件的打印输出控制文件的转换，得到打印输出控制文件；二是对每个半导体激光器进行独立控制，三是对于打印控制平台的控制；四是对条形喷嘴的控制。具体是：单点输出控制模块根据处理对象的打印要求生成打印输出控制文件，根据打印输出控制文件控制相关部件协同工作，具体如下：系统初始化，条形同轴送粉喷嘴6启动，读取打印控制信息，将打印控制平台移动到起始打印位置，控制半导体激光器阵列1中相应半导体激光器的亮灭，经过一个熔烧延时,使得打印输出件的相应位置点上粉末被激光熔烧形成金属打印点，未熔烧的点则以粉末形式堆积，读取下一条打印信息，重复上述工作，最终实现加工工件的打印。本发明解决了现有的3D打印机只能逐点打印，而是多点同时且独立打印实现线阵打印，大大提高了打印工作速度，从而有效提高了工作效率。

以下详细介绍本发明的每个功能部件的具体结构设计。

一、二维半导体激光器阵列

一维半导体激光器阵列1由m个半导体激光器组成，其在空间上排成线阵结构或者由带有尾纤的的激光器将其输出尾纤排成线阵结构，其中，每一个半导体激光器与单点输出控制模块连接并由其控制；这m个半导体激光器具有相同参数，且输出功率和光束质量均能达到金属激光打印需求。

二、微透镜阵列

微透镜阵列2由m个微透镜组成。优选的，为了减少能量损失，微透镜阵列2中的微透镜采用平凸结构，双面镀高损伤阈值的增透膜，每个微透镜与一个半导体激光器对应，置于半导体激光器的输出方向，微透镜的平面朝向半导体激光器激光输出方向。

优选的，微透镜阵列2中的微透镜优选平凸结构非球面透镜，双面镀高损伤阈值的976nm增透膜，透镜采用K9玻璃，微透镜直径为1mm，焦距取30cm。

三、光束间隔压缩整形器

由于半导体激光器尺寸远大于光束尺寸，即便是尾纤排列的线阵激光输出，各半导体激光器所形成的激光之间有一定的间隔，需要通过光束间隔压缩整形器将光束之间的间隙剔除。

具体的，如图3所示，光束间隔压缩整形器4置于半激光束阵列的光路上，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列中包含的激光器数目m相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光束形成的面垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑直径(参见图2(A))，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于相邻光斑之间的暗区宽度p。

优选的，为提高反射效率，需在45°条形反射面上镀对应激光波长的高损伤阈值的全反射膜。

四、光束指示器

光束指示器3采用2个对称安装在光束间隔压缩整形器4的上表面边缘两侧的可见光半导体激光器。用于通过垂直下射的两条激光指示一维半导体激光器阵列1打在打印控制平台5上的光斑边界，即以可见光形式指示激光光束轮廓。优选的，采用650nm半导体激光器。

五、条形同轴送粉喷嘴

如图4所示，同轴送粉喷嘴6包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；其中，连接支架用于连接激光器的出光口，两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动，实现单侧喷嘴相对于半导体激光器的位置在一定范围进行调整；两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形(参见图9)；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道6-6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8和内侧冷却水道6-9四个空腔；为保证喷粉的汇聚性，外侧冷却水道6-6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8和内侧冷却水道6-9均为上大下小的倒梯形柱结构；外保护气体通道6-7的排气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出粉端设有条形多孔喷粉板。

上述技术方案中，两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形，且单侧喷嘴的外保护气体通道6-7的排气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出粉端设有条形多孔喷粉板，因此该同轴送粉喷嘴6能够适用于产生条形光斑的半导体激光器；同时，通过单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下，以转轴连接器为轴转动，能够实现单侧喷嘴相对位置在一定范围进行调整，从而能够适应不同功率及不同喷粉方向需求。以下详细介绍条形同轴喷嘴6的每个功能部件的具体结构设计。

1、连接支架

如图5所示，连接支架包括连接件6-1、两块横向挡板6-2、两块纵向挡板6-3和内保护气体入口6-4；其中，两块横向挡板6-2的上半部分和两块纵向挡板6-3围成一激光通道；可选的，连接件6-1为一矩形金属板，其中心开有矩形孔；矩形孔的大小与半导体激光器出光口相匹配，连接件6-1固定在上述激光通道端口；连接件6-1用于将喷嘴固定在半导体激光器出光口上，以保证喷嘴与阵列半导体激光器出光口相对位置固定；固定后激光器出光口处于连接件6-1的中心位置，且与激光通道的走向匹配。可选的，在连接件6-1与半导体激光器出光口连接处加入一圈气密性材料(如橡胶垫、玻璃胶等)，以保证其气密性，避免内侧保护气从连接件6-1处漏出。

两块纵向挡板6-3的下端分别通过转轴连接器6-5与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器6-5为轴转动；转轴连接器6-5加工时须保证气密性；每个单侧喷嘴的下半部分通过一喷嘴倾角调节装置与挡板6-2连接。单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器6-5为轴转动，实现单侧喷嘴相对于半导体激光器的位置在一定范围进行调整。

其中一块纵向挡板6-3上靠近连接件6-1的一端设有一内保护气体入口6-4，用于注入内保护气体。内保护气通道的作用：①使得喷嘴喷出的粉末在熔覆区形成均匀的“粉末帘”，较好的提高了粉末均匀性，熔覆粉末在载气及保护气体作用下，可实现均匀分布及良好的粉末聚焦功能，②内保护气通入后，在连接支架的矩形通道中扩散并沿矩形通道流动直至从内保护气体出口6-13流出，在喷嘴中心形成与激光束方向一致的内保护气帘，使激光覆口镜免受热气和溅射的污染，有效提高的激光覆口镜寿命，同时可提高喷粉均匀度。可选的，内保护气体入口6-4为圆形，直径6～8mm；内保护气体出口6-13长度与喷粉长度、激光束长度匹配，宽度与两个单侧喷嘴调节角度有关联。保护气体采用氦气、氩气或氮气。

2、单侧喷嘴

如图5、图6、图7所示，单侧喷嘴的功能包括水冷部分、气体保护部分和喷粉部分。

水冷部分：在熔烧过程中，喷嘴底部与熔池的距离很小，喷嘴要承受来自反射的激光以及熔池所带来的很高的热辐射，因此喷嘴在结构上必须设置有效的水冷装置。为提高冷却效果，两个单侧喷嘴上都设置了内侧冷却水通道6-9和外侧冷却水通道6-6，双侧水冷可使喷嘴长时间连续工作，提高喷嘴利用率。外侧冷却水道6-6的顶端两侧分别设有外侧冷却水入水口6-6-1和外侧冷却水出水口6-6-2；内侧冷却水道6-9的顶端两侧分别设有内侧冷却水入水口6-9-1和内侧冷却水出水口6-9-2。内侧冷却水通道6-9和外侧冷却水通道6-6分别从内、外两侧直接冷却喷嘴，均采用循环水冷方式，通过冷却水带走长时间加工而蓄积在喷嘴上的热量。为了提高水冷效率，采用入水口管伸出较长，也即冷却水入水口6-6-1，6-9-1在冷却水通道内延伸到接近底部位置，出水口在冷却水通道内刚好凸出或不凸出即可。当然，也可采用效率更高的蛇形或S型水道，但加工难度较大。

气体保护部分：外保护气体通道6-7为上大下小的倒梯形柱结构，其进气端设置一个外保护气体入气口6-7-1；其排气端为条形喷气出口6-7-2。外保护气通道6-7的作用：①用于形成保护气帘，增加粉末的汇聚性，使其处于高压气帘内保持良好的方向性和汇聚性，提高粉末利用率和覆层质量，延长喷嘴寿命，②防止粉末飞溅对喷嘴的影响，保证喷嘴的喷粉孔不发生堵塞，③防止氧化，提高覆层质量；内侧保护气形成保护气帘，可提高激光覆口镜的寿命，免受热气和溅射的污染，同时可提高喷粉均匀度；

上述方案中，内、外保护气体入气口均采用单入口设计。可选的，如果激光束长度较长(大于40mm)，则考虑采用双入口或三入口，(如果多入口，在通道上端依次等距布置)以保证条形喷气口所喷气体的均匀性。保护气体采用氦气、氩气或氮气。

喷粉部分：为保证喷粉均匀性，喷粉通道6-8的设计需要从入粉、混粉和喷粉方面考虑。首先，喷粉通道6-8的入口设置k(k≥2)个入粉口6-8-1，入粉口的数量主要由喷嘴长度决定，喷嘴越长，入粉口数量也越多，根据实验数据，相邻入粉口6-8-1距离不大于15mm，通常不会影响喷粉均匀性；其次，在喷粉通道6-8靠近外保护气体通道6-7一侧上设置多个凸起的圆柱，即混粉碰撞柱6-8-2，其排列如图6、8所示，其直径约2mm，高度以不触及靠近内侧冷却水道6-9一侧的隔板为原则，其作用是通过高速粉末与混粉碰撞柱6-8-2多次碰撞，进一步提高喷粉均匀度；优选的，混粉碰撞柱6-8-2共3排，如图8所示，每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的碰撞柱6-8-2。混粉碰撞柱6-8-2的设计属于条形同轴送粉喷嘴的独特设计，其作用就是提高喷粉均匀性，即在入粉口6-8-1较少情况下亦可获得较均匀的喷粉输出，这一设计对于较长激光(特别是长度大于30mm的条形激光)输出光束情况下特别有效。无混粉碰撞柱所带来的弊端是与每个入粉口垂直位置的喷粉密度较大，两个入粉口之间对应位置喷粉密度较小，易形成喷粉波浪形分布。

如图9所示，单侧喷嘴的出粉端(即喷粉通道6-8的出粉端)设有条形多孔喷粉板，该条形多孔喷粉板上均匀设置有多个喷粉孔6-8-3；喷粉孔6-8-3的结构设计对喷粉均匀性有着很大的影响。为了提高喷粉行程、喷粉均匀性和粉末利用率，每一个喷粉孔6-8-3为锥角在5°以内锥状。实际上，喷粉孔最佳锥角Φ的设计除了与喷粉孔径D与喷粉行程L(喷粉孔与加工件距离)有关外，还与载气流速、粉末类型、混粉量等因素有关，严格计算过于复杂，根据实验拟合的在常规情况下(也即不考虑载气流速、粉末类型、混粉量等因素变化的情况下)得到的如下经验公式：

sinΦ≈2D/L

如果喷粉孔6-8-3直径1.5mm，喷粉行程40mm，则得到最佳锥角为4.3°；可选的，如图11所示，锥角5°以内，喷粉孔6-8-3的横截面采用如下几种形式：图11(a)和图11(b)所示的圆形，图11(c)所示的椭圆形，图11(d)和图11(e)所示的方形，图11(f)所示的矩形。其中以圆形加工最为方便，以圆形为例，直径为0.5mm-3mm。可选的，条形多孔喷粉板单独加工，如图10所示，将其嵌入到喷嘴的出粉口位置，独立设计的目的是能够根据需要更换不同的出粉口。

喷粉过程如图12所示，由送粉器输出的粉末经一条送粉管达到分料阀，通过分料阀(采用市场销售的2k路分料阀)将粉末均匀地分成2k路，再分别接入2k个送粉口——也即2个单侧喷嘴的共2k个入粉口6-8-1，然后在两个喷粉通道6-8中与混粉碰撞柱6-8-2碰撞，进行碰撞混粉，最后经由条形多孔喷粉口喷出，两侧的条状喷粉孔所喷粉末汇聚成一个与激光光斑同样大小的条状或长矩形粉末带，可大幅提升熔覆效率和粉末利用率。可选的，载粉气体采用氦气、氩气或氮气。

优选的，在每个单侧喷嘴的喷粉通道6-8的两侧靠近出粉端处设置有喷粉指示器6-10；喷粉指示器6-10用于指示单侧喷嘴的喷粉位置；可选的，喷粉指示器6-10包括4个可见波段半导体激光二极管，分别安装如图6、图9所示。喷粉指示器6-10所指方向与喷粉通道6-8的中轴线一致，是在标准载气流速和标准喷粉量情况下，喷嘴垂直向下喷粉所喷出的方向，同侧的激光二极管所发激光的交汇点指示标准情况下喷粉边界位置，两侧激光二极管所发激光的两个交汇点之间便是条形粉末汇聚线，其在加工件上光点显示的是喷粉区域。通过喷粉指示器6-10配合条形半导体激光器的光斑位置指示器(激光器自带)通过喷嘴倾角调节装置，进行最佳喷粉状态调节，常规情况(激光头垂直向下，用于水平面二维熔覆情况)下只需要将二者重合即可达到最佳喷粉状态，对于非常规则需要根据熔覆现场情况，考虑重力影响、粉末颗粒、粉末载气流速和喷粉量进行相应调节。

3、转轴连接器

转轴连接器结构如图5、6所示，为具有良好气密性的合页状结构，转轴连接器上端与连接支架的纵向挡板6-3连接，下端与单侧喷嘴相连，使得单侧喷嘴能够绕转轴连接器转动。

4、喷嘴倾角调节装置

喷嘴倾角调节装置的结构如图13所示；包括齿轮6-13、传动轴6-14、驱动装置6-15、弧形齿条6-12和弧形槽6-11；其中，驱动装置6-15位于横向挡板6-2外侧，驱动装置6-15通过横穿横向挡板6-2的传动轴6-14连接驱动齿轮6-13；在每个单侧喷嘴的两侧的喷粉指示器6-10的上方位置各铣出一个以转轴连接器为圆心的弧形槽6-11，弧形槽6-11的位置尽量靠近喷嘴的下端，以减小调节误差，并在弧形槽6-11的一边铣出弧形齿条6-12，用于配合喷嘴倾角调节装置调节单侧喷嘴的倾角；齿轮6-13与弧形齿条6-12啮合。可选的，驱动装置6-15采用手动旋钮或步进电机。

喷嘴倾角调节装置安装在侧向挡板6-2下部靠近两个角的位置，用于控制两个转轴连接器进行一定角度转动，通过调节喷嘴最佳喷粉角度，以期达到和激光器达到最佳配合。喷嘴倾角调节装置固定于连接支架的侧向挡板6-2的下方。如果采用手动调节，喷嘴倾角调节装置建议设为2个，在每个单侧喷嘴上安装一个喷嘴倾角调节装置，2个喷嘴倾角调节装置可以在单侧，亦可在双侧；将喷嘴倾角调节装置固定在横向挡板6-2与单侧喷嘴对应位置，传动轴6-14穿过侧向挡板6-2，内侧固定齿轮6-13嵌入弧形槽6-11并与弧形齿条6-12啮合；每个喷嘴倾角调节装置调节一个单侧喷嘴，通过手动旋转驱动装置6-15，由于其可以获得较大扭矩，通过传动轴6-14和齿轮6-13以刚性扭转力矩带动单侧喷嘴转动。如采用步进电机调节，则需加装步进电机控制器(其属于成熟技术)，可采用4个喷嘴倾角调节装置，也即4个步进电机，每个单侧喷嘴两边配置2个步进电机为一组(一侧一个)，这2个电机须同步控制，2组之间可同步控制相向运动，也可每组单独控制，主要用于一些特殊情况下熔覆，如非垂直喷粉、异形曲面或其他特殊要求。采用4个步进电机作为驱动装置6-15，可以获得更好的平顺性，同时也可以减小对步进电机扭矩的要求。

通过喷嘴倾角调节装置，配合激光器的光斑指示器和喷粉指示器10，使得激光熔烧适应于不同熔烧角度(可以与三维机器臂配合——即将激光器与喷嘴装在机器臂进行熔烧加工)、不同光斑、不同载气流速、不同喷粉量和不同粉末的喷粉需求。这些特征主要通过喷粉指示器汇聚点与激光器焦点相对位置进行调整，条形光斑时，下喷时采用与激光器相同的聚焦方式(参见图14(a))，也即喷粉指示器汇聚点与激光器焦点(光斑指示器指示位置)重合，上喷时，喷粉指示器汇聚点比激光器焦点略远(参见图14(b))，侧喷时，喷粉指示器汇聚点比激光器焦点(光斑指示器指示位置)略偏上一点(参见图14(c))。

喷嘴倾角调节装置配合喷粉指示器6-10对喷嘴进行调节，喷粉指示器6-10所指方向是在标准载气流速和标准喷粉量情况下，垂直向下喷粉所喷出的方向，标准情况下喷粉采用与激光器相同的对焦方式，通常也是采用上离焦，对于条形光斑若激光器经验上多采用3mm或者更大的上离焦，喷粉也可采用相同的上离焦，以便粉末能均匀覆盖所有光斑区域，有些情况则需要实践中加以总结，以获得最佳喷粉角度。

六、打印控制平台

打印控制平台5根据所需打印精度，采用常规的三维步进控制移动平台。打印控制平台5包括打印机控制器、打印平台、水平导轨和升降平台，其中，打印机控制器连接水平导轨和升降平台，打印平台通过水平导轨安装在升降平台上；打印机控制器用于根据单点打印控制模块发送的信息控制水平导轨和升降平台进行三个维度的移动(三个维度的移动量对应于打印输出控制文件file2中的x、y、z的三个方向坐标)。升降平台用于实现打印平台沿z方向(即竖直方向)步进移动，水平导轨用于带动打印平台在x、y方向(即水平方向)上步进移动，实现打印平台相对于激光喷嘴的运动。

优选的，为了阻隔金属在激光打印时因为高温而引起的氧化反应，在打印平台上设置1个气室，其形状为上端开口的箱体，打印工件置于气室底部，气室的侧边高过打印工件最高处时激光头的位置(也即要高过此时喷嘴顶部)，同时需要留出一定的余量。气室的气体来源于喷嘴的内、外保护气，通过喷嘴的内、外保护气体不断地对流失的气体进行补充，使打印工件一直置于充满非活泼气体(惰性气体或氮气)中。

七、单点输出控制模块

本发明中，打印控制主要依靠单点输出控制模块控制一维半导体激光器阵列1、打印控制平台5和条形同轴送粉喷嘴6，协同工作。单点输出控制模块用于生成打印输出控制文件；用于控制条形同轴送粉喷嘴的启动和关闭；用于根据打印控制文件中的激光信息实时控制每个半导体激光器的亮灭；用于将打印控制文件中的移动信息实时发送给打印控制平台，以控制打印控制平台带动打印工件完成三个方向的扫描，完成工件的打印。

1、生成打印输出控制文件

对于常规的单点扫描控制过程，只需要按照三维打印数据文件file0依次读取数据完成x方向、y方向和z方向扫描即可，按照该点打印控制信息进行打印即可。但对于本发明的激光阵列结构，则打印控制文件要两次转换：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1。其中，三维打印数据文件file0为通用的数据格式，类似于CT扫描的切片的点阵信息，file0文件有4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标(即在每个方向上距离起始点的步数)，x、y方向上的步长均为a(即为光斑直径)，z方向上步长为c(c为单层堆叠厚度或者一次熔烧所沉积金属的厚度，其与激光功率密度、打印粉末材料和喷粉量有关，针对不同打印粉末材料会有一个最佳单层堆叠厚度、相应的激光功率密度和熔烧时间，可根据实验获得，实施例中取c＝0.1mm)；p为对应坐标点的打印控制信息：1为实(打印)，0为空(不打印)；x∈[0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数。

阵列打印数据控制file1为过渡文件，其包含5个数据项，以(x₁,y₁,z₁,i,p₁)表示，x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z的序列坐标；i为对应激光阵列位置坐标，取值从0到m-1；p₁表示的是其相应的打印控制信息。这实际上相当于将一个三维空间的点阵打印业务，转换到伪四维空间的点阵打印作业——三个空间维度，一个激光阵列控制维度。阵列打印数据控制文件file1的数据(x₁,y₁,z₁,i,p₁)与原始三维打印数据文件file0中数据(x,y,z,p)关系如下：

x₁＝INT(x,m)

y₁＝y

z₁＝z

i＝mod(x,m)

p₁＝p

式中mod(x,m)表示x除以m的余数，INT(x,m)表示x除以m下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,Ceiling(A,m)]

y₁∈[0,B-1]

z₁∈[0,C-1]

i∈[0,m-1]

p₁∈[0,1]；

式中Ceiling(A,m)表示A除以m向上舍入为整数。

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2，file2包含3+m个数据项(x₂,y₂,z₂、p₀、p₁、…p_m-1)，其中，x₂,y₂,z₂分别表示x、y、z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a(即为光斑直径)，y方向上步长为b＝m×a，z方向上步长为c；p₀、p₁、…p_m-1为m个打印控制项，对应的p_i取值为0表示第i个点不打印，1表示该点打印。也即p_i取值为0时，第i个半导体激光器熄灭，p_i取值为1时点亮。File2与file1中数据关系如下：

x₂＝x₁

y₂＝y₁

z₂＝z₁

m个数据项的序号分别为0，1，…，i，…，m-1；其中第i项的值取file1中对应(x₁,y₁,z₁,i)坐标对应的p₁值，也即p₂

(i)＝p₁(x₁,y₁,z₁,i)。

自此，得到文件2。

2、打印控制方法

步1，单点输出控制模块生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块读取打印输出控制文件file2中的第一个数据，将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送给打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个方向坐标，控制水平导轨和升降平台的移动，从而带动打印平台上的工件移动；

步6，单点输出控制模块根据当前数据中的对应的打印控制信息，来控制一维半导体激光器阵列1中对应半导体激光器的亮灭，延时一个熔烧时间。

步7，单点输出控制模块读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执行步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块控制喷嘴停止工作，工件打印结束。

上述技术方案中，单点输出控制模块每控制平台移动一个位置，在相应位置点上激光就将喷嘴喷出的粉末熔烧，形成金属打印点，而未熔烧的点则以粉末形式堆积，在打印完成后被回收。本发明能够一次打印一条线，也即线阵打印，而不是现有的3D打印机逐点打印，相比现有3D打印有更快的打印速度和效率。

Claims (10)

1.一种激光线阵3D金属打印机，其特征在于，包括由m个半导体激光器组成的一维半导体激光器阵列，以及一维半导体激光器阵列输出的激光光路上依次设置的由m个微透镜组成的微透镜阵列、光束间隔压缩整形器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；还包括光束指示器和单点输出控制模块；所述一维半导体激光器阵列的每一个半导体激光器分别与单点输出控制模块相连，由单点输出控制模块对所述m个半导体激光器分别进行控制；条形同轴送粉喷嘴、打印控制平台分别与单点输出控制模块连接；打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；由一维半导体激光器阵列输出的激光阵列先经过微透镜阵列进行准直形成m个准直激光束，再经光束间隔压缩整形器对光束间的暗区进行消除得到条状光斑；最后经条形同轴送粉喷嘴的激光输出端口输出，到达打印控制平台；所述光束指示器安装在所述光束间隔压缩整形器上。

2.如权利要求1所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述微透镜阵列采用平凸结构，双面镀高损伤阈值的增透膜。

3.如权利要求1所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述光束间隔压缩整形器置于半激光束阵列的光路上，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列中包含的激光器数目m相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光束形成的面垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度z₁等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于相邻光斑之间的暗区宽度。

4.如权利要求1所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述光束指示器采用2个对称安装在光束间隔压缩整形器的上表面边缘两侧的可见光半导体激光器。

5.如权利要求1所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。

6.如权利要求5所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

7.如权利要求5所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。

8.如权利要求7所述的激光线阵3D金属打印机，其特征在于，所述喷粉通道的入口设置k个入粉口，其中k≥2，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

9.一种应用于权利要求1-8任一所述的激光线阵3D金属打印机的文件转换方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1；所述三维打印数据文件file0包含4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标，x、y方向上的步长均为a，z方向上步长为c；p为对应坐标点的打印控制信息；x∈[0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数；所述阵列打印数据控制file1为包含5个数据项，以(x₁,y₁,z₁,i,p₁)表示，x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z的序列坐标；i为对应激光阵列位置坐标，取值从0到m-1；p₁表示的是其相应的打印控制信息；文件file1与file0中数据的关系如下：

x₁＝INT(x,m)

y₁＝y

z₁＝z

i＝mod(x,m)

p₁＝p

式中mod(x,m)表示x除以m的余数，INT(x,m)表示x除以m下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,Ceiling(A,m)]

y₁∈[0,B-1]

z₁∈[0,C-1]

i∈[0,m-1]

p₁∈[0,1]；

式中Ceiling(A,m)表示A除以m向上舍入为整数；

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2，file2包含3+m个数据项(x₂,y₂,z₂、p₀、p₁、…p_m-1)，其中，x₂,y₂,z₂分别表示x、y、z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a，y方向上步长为b＝m×a，z方向上步长为c；p₀、p₁、…p_m-1为m个打印控制项，对应的p_i取值为0表示第i个点不打印，1表示该点打印；文件File2与文件file1中数据的关系如下：

x₂＝x₁

y₂＝y₁

z₂＝z₁

m个数据项的序号分别为0，1，…，i，…，m-1；其中第i项的值取file1中对应(x₁,y₁,z₁,i)坐标对应的p₁值，也即p₂(i)＝p₁(x₁,y₁,z₁,i)。

10.一种采用权利要求1-8任一所述的激光线阵3D金属打印机的打印控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步1，单点输出控制模块生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块读取打印输出控制文件file2中的第一个数据，将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送给打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个方向坐标，控制水平导轨和升降平台的移动，从而带动打印平台上的工件移动；

步6，单点输出控制模块根据当前数据中的对应的打印控制信息，来控制一维半导体激光器阵列中对应半导体激光器的亮灭，延时一个熔烧时间；

步7，单点输出控制模块读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执行步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块控制喷嘴停止工作，工件打印结束。

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