CN110039048A - 线阵高速激光3d金属打印机及其打印控制方法 - Google Patents

线阵高速激光3d金属打印机及其打印控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线阵高速激光3D金属打印机，包括二维Bar条阵列，以及激光光路上依次设置的微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜、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；二维Bar条阵列的每一行的n个Bar条作为一个一维Bar条堆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个一维Bar条堆分别进行控制；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。本发明实现了逐线打印，大大提高了打印工作速度，从而有效提高了工作效率。

Description

线阵高速激光3D金属打印机及其打印控制方法
技术领域
本发明涉及激光3D打印技术领域，特别是一种线阵高速激光3D金属打印 机及其打印控制方法。
背景技术
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Bar 条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， 通常以牺牲加工精度为代价来提高加工效率，因此，在传统金属材料的3D打 印制造技术基础上进行不牺牲加工精度的情况下提高加工效率的研究是非常 有必要的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种线阵 高速激光3D金属打印机。
为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：
一种线阵高速激光3D金属打印机，包括由m×n个Bar条组成的二维Bar 条阵列，以及二维Bar条阵列输出的激光光路上依次设置的由m×n个微透镜 组成的微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚 焦柱透镜、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；二维Bar条阵列的每一行的n个Bar条作为一个一维Bar条堆分别 与单点输出控制模块相连，由单点输出控制模块对这m个一维Bar条堆分别进 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；由二维Bar条阵列输出的激光阵列先 经过微透镜阵列进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整 形器和第二光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消 除得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜得到条形光斑；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；光束指示器安装在第二光束间隔压 缩整形器上。
进一步的，所述第一光束间隔压缩整形器位于二维半导体激光器阵列的下 方，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 激光束阵列的m行相对应；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器的列方向一致；45°条形反射面在水平 方向上的宽度等于激光光斑列方向上的宽度，相邻的45°条形反射面之间的水 平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度；
进一步的，所述第二光束间隔压缩整形器为一包括有n个45°条形反射面 的阶梯反射镜，该n个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；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第一 光束间隔压缩整形器的阶梯的棱相垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度 等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间 的暗区高度。
进一步的，所述聚焦柱透镜采用圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜或 梯度折射率柱透镜，且为平凸结构。
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。
本发明的另一个目的，是提供一种上述线阵高速激光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，并将打印点阵数据文件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与文件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、…pm-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、…pm-1为m个打印控制项；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p值，也即p2(i)＝p1(x1,y1,z1,i)。
本发明的再一个目的，是提供一种上述线阵高速激光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 二维Bar条阵列中对应一维Bar条堆的亮灭，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：
本发明通过对二维Bar条阵列发出的激光通过微透镜阵列进行准直，再经 第一光束间隔压缩整形器和第二光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进 行行方向和列方向消除得到矩形光斑，经聚焦柱透镜得到条形光斑，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n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，本发明实现了逐线打印，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为本发明的线阵高速激光3D金属打印机装置原理图。
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，本发明的线阵高速激光3D金属打印机，包括由m×n(即m 行n列)个Bar条组成的二维Bar条阵列1，以及二维Bar条阵列1输出的激 光光路上依次设置的由m×n个微透镜组成的微透镜阵列2、第一光束间隔压 缩整形器3、第二光束间隔压缩整形器4、聚焦柱透镜5、条形同轴送粉喷嘴6 和打印控制平台7；还包括光束指示器8和单点输出控制模块；二维Bar条阵 列1的每一行的n个Bar条作为一个一维Bar条堆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个一维Bar条堆分别进行控制；条形同轴送粉 喷嘴6、打印控制平台7分别与单点输出控制模块连接；打印控制平台7位于 条形同轴送粉喷嘴6下方；由二维Bar条阵列1输出的激光阵列先经过微透镜 阵列2进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整形器3 和第二光束间隔压缩整形器4对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消除 得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜5得到条形光斑；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7；光束指示器8安装在第二光束 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，由二维Bar条阵列1输出的光 斑经微透镜阵列8整形后形状如图2(A)所示，为m×n个分立的光斑阵列， 如果每个分立的光斑尺寸为a×b，经由第一光束整形器9整形后的光斑形状 如图2(B)所示，为n个线状排列的等间隔光斑，每个光斑尺寸为高m×a，宽 b，经由第二光束整形器10整形后的光斑形状如图2(C)标示，为矩形光斑， 光斑尺寸高m×a，宽n×b，矩形光斑经由聚焦柱透镜12后光斑形状如图2(D) 标示，为条状光斑，光斑尺寸高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；二是对二维Bar条阵列进行的按行控制，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，单点输出控制 模块根据处理对象的打印要求，控制Bar条阵列1中相应行Bar条的激光亮灭， 从而控制条形同轴送粉喷嘴6的激光输出；根据单点输出控制模块发出的控制信息，打印控制平台7控制进行水平和竖直方向的步进移动，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，最终实现加工对象的打印。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Bar条阵列
二维Bar条阵列1由m×n(m行n列)个Bar条组成，其中，每一行的n 个Bar条作为一个一维Bar条堆与单点输出控制模块连接并由其控制。
当单个Bar条的输出功率为Pb，熔烧所需功率为P，则一行中所需的Bar 条数目n＝Ceiling(P,Pb)，表示P除以Pb向上舍入为整数。
在3D打印领域，激光束和供料系统与打印工件之间的相对运动由伺服电 机带动采用步进方式行进，即可采用工件不动而激光束与供料系统运动，亦可 采用激光束与供料系统不动而工件运动的方式，无论哪种方式，其都是按照步 进、激光烧熔步骤循环，设x方向步进时间t1，步进速度为v1，步进长度为a， 熔烧时间ts，y方向步进时间t2，步进速度为v2，若v2＝v1，则t2＝t1×n，步进 长度为b，z方向步进时间t3，步进速度为v3，步进长度为c。设熔烧所需能 量密度为e，激光输出功率为p，输出效率为η，则只要满足：
p≥ea2/ηts
就能够满足3D金属激光打印所需功率。
在一个加工单元(完成一次激光烧熔及一个x方向步进)需要时间为 t0＝t1+ts＝a/v1+ts，则x方向打印速度为：
对于金属3D打印，通常ts>>t1，也即t0≈ts，则有
二维Bar条阵列1的输出激光经过整形形成m个直径为a光斑组成的长度为m ×a，宽度为a的条状光斑，这样，在一个加工时间单元能够同时完成m点的 打印，打印面积为m×a2。
二、微透镜阵列
微透镜阵列2由多个微透镜组成。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Bar条对应，置于Bar条的输出方向，微透镜的平面朝向Bar条激光输出方 向。优选的，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、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜
由于Bar条之间需要热忱降温，故而各Bar条所形成的激光之间有一定的 间隔(暗区)，既影响功率密度也影响光束质量，需要在纵、横两个方向将暗 区消除，两次整形的方式和原理都相同，所不同的在于两个整形器的尺寸。
具体的，如图3所示，第一光束间隔压缩整形器3位于二维半导体激光器 阵列1的下方，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的m行相对应；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器的列方向一致；45°条形反 射面在水平方向上的宽度z1等于激光光斑列方向上的宽度a(参见图2(A))， 相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两行光斑之间的暗区宽度p。
第二光束间隔压缩整形器4为一包括有n个45°条形反射面的阶梯反射 镜，该n个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；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第一光束间隔压 缩整形器3的阶梯的棱相垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度z2等于激 光光斑行方向宽度b，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之 间的暗区宽度q。
上述行方向和列方向均为激光器阵列的行方向和列方向。
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8采用2个对称安装在第二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二维Bar 条阵列1打在打印控制平台7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、聚焦柱透镜
聚焦柱透镜5可选圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜、梯度折射率柱 透镜等，为了减小反射损耗，宜采用平凸结构，且应在聚焦柱透镜两面镀高损 伤阈值的增透膜，聚焦柱透镜5长度略大于除暗区后激光矩形形光斑长度，宽 度略大于去除暗区后的矩形光束宽度，焦距长度依据加工条件而定，材料可选 用K9或石英玻璃材料。
六、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，且该端口上覆有激光覆口镜6-16；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。
七、打印控制平台
打印控制平台7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7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。
八、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二维Bar条阵列1、 打印控制平台7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Bar条的亮灭；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、…pm-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、…pm-1为m个打印控制项，对 应的pi取值为0表示第i个点不打印，1表示该点打印。也即pi取值为0时， m×n个Bar条阵列中第i行的n个Bar条熄灭，pi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 二维Bar条阵列1中对应一维Bar条堆的亮灭，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。
实施例：
本发明的线阵高速激光3D金属打印机，采用输出波长为976nm微通道冷 却Bar结构，发光宽度0.2mm，Bar厚度0.45mm，Bar条慢轴方向长度为10mm， 发光长度6mm，输出功率为100W，光斑尺寸为0.2mm。针对合金金属粉末， 熔烧所需的能量密度会有所不同，大约在10J/mm2，则有单Bar条输出功率为 pb＝100W，光斑大小a＝0.2mm，设最大打印速度v1＝100mm/s，输出效率取η＝80％， 则有
也就是说需要3个Bar条同时输出才可以达到所选参数的金属打印所需功率密度，打印速度可以达到100mm/s，并且留有约17％的富裕度。
根据计算结果，将3个Bar条沿慢轴方向堆叠，这3个Bar条在整形后输 出一个激光点，由单点输出控制模块分别控制。线阵打印宽度取2cm，则一个 点阵打印宽度为0.2mm，则打印2cm宽度需要100个点阵，也就是说需要100 个独立控制的由3个Bar条组成的一维阵列组成一个二维Bar条阵列，也即组 成一个3×100的Bar条阵列。这300个半导体激光器Bar条阵列将会形成300 个条形激光输出，接着需要对这300个条形激光输出进行整形，经由300个微 柱透镜阵列对300个条形激光进行准直，形成300个条形激光输出。
由于Bar条之间需要热忱降温，故而各条形激光之间有一定的间隔(暗 区)，既影响功率密度也影响光束质量，这300个激光输出先经过一次光束整 形器剔除激光束之间的横向间隙，经过3个具有一定间隔的45°条形斜面反射 后，消除各条形激光之间的暗区，也即将每组的3个激光输出之间的间隙压缩 为0，形成100个具有一定间隙矩形光束；然后再进行二次光束整形，用以剔 除这100个矩形光束激光束之间的间隙，形成一个尺寸较大的矩形激光光束， 但这个矩形光束是由100个独立的控制单元所操控。
第一光束间隔压缩整形器3、第二光束间隔压缩整形器4的制作如下：先 采用3个长度50mm以上带45°条形反射面的薄片玻璃堆叠而成具有一定间隔 的光束整形镜，45°条形反射面长取50mm，Bar条慢轴方向发光长度为6mm， Bar条慢轴间暗区间距为4mm，一次整形后单Bar激光束的长度，z＝6mm，45 °条形反射面之间的间隔j＝4mm。光束整形器采用厚度为6mm的45°直角梯形 片状玻璃堆叠，层间错位4mm，45°条形反射面上镀976nm的高损伤阈值的全 反射膜，最后形成100个长度为18mm具有一定间隙矩形光束。二次整形原理 相同，采用100个长度20mm带45°条形反射面的薄片玻璃堆叠而成具有一定 间隔的光束整形镜，45°条形反射面长取30mm，Bar间间距为0.45mm，一次 整形后单Bar激光束的宽度，z＝0.2mm，45°条形反射面之间的间隔j＝0.25mm。 光束整形器采用厚度为0.2mm的45°直角梯形片状玻璃堆叠，层间错位 0.25mm，45°条形反射面上镀976nm的高损伤阈值的全反射膜，形成一个18mm ×20mm矩形激光光束。
微透镜选取非球面柱透镜，聚焦柱透镜两面镀976nm高损伤阈值的增透 膜，聚焦柱透镜取宽20mm，轴线方向长度取30mm，焦距长度依据加工条件而 定，本实施例选100mm，材料选用石英玻璃。
激光封口镜采用K9玻璃，双面镀975nm高损伤阈值增透膜，尺寸选30mm ×50mm×2mm，由于本实施例条形激光光斑为24mm，送粉孔直径取4mm， 本实施例中选取条状喷粉孔采用圆形台状喷粉孔如图8所示，上直径为Ф2mm， 下直径为Ф1.5mm。内保护气入口采用直径4mm圆形入口。外保护气入口采用 直径4mm圆形入口，喷气口采用1mm×32mm的条形结构，喷气方向与喷粉方 向平行。水冷采用里进外出，4条水道并行，分别接冷水机出水口和回水口。
输入的三维打印数据文件采用Excel文件格式，打印平台移动到某一坐标 位置，读取该坐标打印控制信息，并将其转换为100个控制信息，实现对n 个激光输出的控制，完成该坐标打印，打印平台移动到下一个坐标，重复上述 动作，直至完成打印。

Claims (10)

1.一种线阵高速激光3D金属打印机，其特征在于，包括由m×n个Bar条组成的二维Bar条阵列，以及二维Bar条阵列输出的激光光路上依次设置的由m×n个微透镜组成的微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜、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；所述二维Bar条阵列的每一行的n个Bar条作为一个一维Bar条堆分别与单点输出控制模块相连，由所述单点输出控制模块对这m个一维Bar条堆分别进行控制；所述条形同轴送粉喷嘴、打印控制平台分别与单点输出控制模块连接；所述打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；由二维Bar条阵列输出的激光阵列先经过微透镜阵列进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整形器和第二光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消除得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜得到条形光斑；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第二光束间隔压缩整形器上。
2.如权利要求1所述的线阵高速激光3D金属打印机，其特征在于，所述第一光束间隔压缩整形器位于所述二维半导体激光器阵列的下方，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的m行相对应；所述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器的列方向一致；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑列方向上的宽度，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度。
3.如权利要求1所述的线阵高速激光3D金属打印机，其特征在于，所述第二光束间隔压缩整形器为一包括有n个45°条形反射面的阶梯反射镜，该n 个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；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，且所述反射镜阶梯的棱与第一光束间隔压缩整形器的阶梯的棱相垂直；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区高度。
4.如权利要求1所述的线阵高速激光3D金属打印机，其特征在于，所述聚焦柱透镜采用圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜或梯度折射率柱透镜，且为平凸结构。
5.如权利要求1所述的线阵高速激光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所述的线阵高速激光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所述的线阵高速激光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所述的线阵高速激光3D金属打印机，其特征在于，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任一所述的线阵高速激光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，并将打印点阵数据文件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与文件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、…pm-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、…pm-1为m个打印控制项；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p值，也即p2(i)＝p1(x1,y1,z1,i)。
10.一种采用权利要求1-8任一所述的线阵高速激光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，来控制二维Bar条阵列中对应一维Bar条堆的亮灭，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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