CN110202140A - 一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法，包括：打印头壳体、喷嘴电机、透镜电机、转轴、保护镜组件、伸缩筒和送粉喷嘴；打印头壳体固定安装有喷嘴电机和透镜电机，打印头壳体可转动的安装有转轴；透镜电机的输出轴与转轴之间设置有齿轮传动机构；转轴上固定安装有多个透镜固定块，每个透镜固定块上均设置有透镜安装孔，所述透镜安装孔为通孔；透镜安装孔内均安装有透镜；保护镜组件安装于保护镜安装孔，保护镜组件的下端安装有伸缩筒，伸缩筒的下端安装有送粉喷嘴；伸缩筒的外壁固定安装有齿条，齿条与喷嘴电机齿轮相啮合。本发明能够实现3D打印过程中光斑大小的自动切换，同时可提高打印精度和打印效率。

Description

一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域以及激光打印头技术领域，特别涉及一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法。
背景技术
激光增材制造技术逐渐走向成熟，应用领域也越来越广。激光增材金属零件性能接近或等同于锻件性能，但激光增材制造设备成本高，价格高；特别是激光打印头的价格居高不下。目前，一套设备基本只能一种光斑，如果想改变光斑大小，只能采用正负离焦方式实现光斑变化，或者重新更改激光准直模块和打印头；前一种方式由于光斑不是焦点，打印过程的稳定性无法保证，易造成打印缺陷，进而使打印终止或打印失败；而改变准直模块和打印头的方式等同于重新设计光路及打印头，会造成打印设备成本提高，且当需要随时改变光斑时，无法满足打印过程中的光斑自动切换需求。
综上所述，亟需一种新型的具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的激光打印头，能够实现3D打印过程中光斑大小的自动切换，同时可提高打印精度和打印效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，包括：打印头壳体、喷嘴电机、透镜电机、转轴、保护镜组件、伸缩筒和送粉喷嘴；打印头壳体包括壳体主体、上端板和下端板；上端板加工有激光准直器安装孔，下端板上加工有保护镜组件安装孔；所述激光准直器安装孔和所述保护镜组件安装孔均为通孔，且二者的轴线重合；打印头壳体固定安装有喷嘴电机和透镜电机，打印头壳体可转动的安装有转轴；透镜电机的输出轴与转轴之间设置有齿轮传动机构，通过所述齿轮传动机构透镜电机能够驱动转轴旋转；转轴上固定安装有多个透镜固定块，每个透镜固定块上均设置有透镜安装孔，所述透镜安装孔为通孔；透镜安装孔内均安装有透镜；通过转轴转动至预设角度，每个透镜固定块的透镜安装孔分别能够与激光准直器安装孔和保护镜组件安装孔轴线重合，以实现光斑切换；保护镜组件安装于保护镜组件安装孔，伸缩筒上端的内腔套安装在保护镜组件的下端，伸缩筒的下端安装有送粉喷嘴；伸缩筒的外壁固定安装有齿条，喷嘴电机的输出轴上安装有喷嘴电机齿轮，所述齿条与所述喷嘴电机齿轮相啮合。
本发明的进一步改进在于，还包括：激光准直器；所述激光准直器安装于激光准直器安装孔。
本发明的进一步改进在于，打印头壳体的壳体主体的外壁上还固定安装有打印头固定座。
本发明的进一步改进在于，喷嘴电机具有抱死自锁功能。
本发明的进一步改进在于，转轴通过上轴承安装在上端板上，通过下轴承安装在下端板上；
转轴上安装有转轴齿轮，透镜电机的输出轴安装有透镜电机齿轮，透镜电机齿轮与转轴齿轮相啮合。
本发明的进一步改进在于，透镜固定块的数量为3～4块，绕转轴的轴线均布。
本发明的进一步改进在于，透镜固定块之间的轴向角度为：当透镜固定块为3块时，轴向角度为120°或90°；当透镜固定块为4块时，轴向角度为90°。
进一步地，透镜固定块内设置有环形冷却流道，用于在打印过程中冷却透镜。
一种用于激光打印头的光斑切换方法，基于本发明任一种上述的激光打印头，包括以下步骤：根据加工需要选定预设透镜，通过透镜电机驱动转轴转动，使选定的预设透镜的透镜安装孔的轴线与激光准直器安装孔和保护镜组件安装孔的轴线重合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的激光打印头，将不同大小光斑的透镜，按照其焦距的不同固定安装在转轴上，通过电机控制转轴的旋转角度，使不同的透镜中心与光路中心对中，实现光斑的自动切换。本发明的激光打印头，在实现打印过程中大小光斑自动切换的同时，采用小光斑打印轮廓及大光斑填充的方式，可有效解决激光增材制造中精度和效率的矛盾问题。具体的，目前传统的激光打印头，变光斑基本采用焦点离焦形式的变光斑，其打印过程不稳定，容易出现缺陷，激光3D打印，使激光焦点聚焦到成形面上，激光光斑和粉斑重合于成形面，打印质量才最高；本发明的激光光斑自动切换，可实现一台设备具备多种功能，需要打印高精度零件时，采用小光斑打印，打印大型零件时采用大小光斑自动复合切换，既保证精度又保证效率，既节约时间又节约打印材料。本发明中电机通过齿轮传动带动转轴旋转，实现转轴旋转角度的控制。
本发明的光斑大小自动切换方法，可实现3D打印过程中光斑大小的自动切换，同时可保证打印精度和打印效率。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头的内部结构示意图；
图3是本发明实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头的另一视角的内部结构示意图；
图1至图3中：1、送粉喷嘴；2、喷嘴电机；3、下端板；4、打印头外壁；5、上端板；6、透镜电机；7、透镜电机固定座；9、打印头固定座；10、喷嘴电机固定座；11、喷嘴电机齿轮；12、齿条；13、下轴承；14、转轴；15、第一透镜固定块；16、第二透镜固定块；17、透镜电机齿轮；18、转轴齿轮；19、上轴承；20、第三透镜固定块；21、保护镜组件；22、伸缩筒；23、保护镜组件安装孔；24、透镜安装孔；25、激光准直器安装孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，包括：打印头壳体、两个电机及其安装座、三个齿轮、一个齿条12、一个转轴14、两个轴承、透镜组(三个以上)、一个伸缩筒22、送粉喷嘴1以及保护镜组件21。
打印头壳体包括：上端板5、下端板3和打印头外壁4；打印头外壁4为圆筒状，为壳体主体，构成内部中空空间用于安装内部组件；上端板5和下端板3用于封盖打印头外壁4的上下两端。其中，下端板3上加工有通孔作为保护镜组件21的保护镜组件安装孔23，上端板5上加工有通孔作为激光准直器安装孔25；保护镜组件安装孔23与激光准直器安装孔25的轴线重合，激光准直器安装孔25用于安装激光准直器；打印过程中，激光准直器发出的平行光，通过透镜聚焦后，在送粉喷嘴1的下方1-3cm处能够形成激光焦点。打印头外壁4的外壁面上固定安装有打印头固定座9用于固定整个激光打印头。
两个电机为喷嘴电机2和透镜电机6；两个电机安装座为喷嘴电机固定座10和透镜电机固定座7。其中，喷嘴电机2通过喷嘴电机固定座10固定安装在下端板3的外壁上；透镜电机6通过透镜电机固定座7固定安装在上端板5的外壁上。
三个齿轮为喷嘴电机齿轮11、透镜电机齿轮17和转轴齿轮18。两个轴承为上轴承19和下轴承13。
喷嘴电机2的输出轴固定安装有喷嘴电机齿轮11，透镜电机6的输出轴固定安装有透镜电机齿轮17。
转轴14处于打印头壳体内，转轴14上安装有上轴承19和下轴承13，通过上轴承19可转动的安装于上端板5，通过下轴承13可转动的安装于下端板3；转轴14可进行﹢180°～-180°的角度转动，以实现透镜组的自动切换。转轴14的上端通出上端板5，通出部固定安装有转轴齿轮18，转轴齿轮18与透镜电机齿轮17相啮合；转轴14处于打印头壳体内的预设位置固定安装有透镜组，透镜组可以包括：第一透镜固定块15、第二透镜固定块16和第三透镜固定块20。每个透镜固定块上均设置有透镜安装孔24，所有透镜安装孔24均能够与保护镜组件安装孔23和激光准直器安装孔25的轴线重合。透镜组通过透镜安装座固定在转轴14上，转轴14上透镜组为3～4块透镜，透镜组之间轴向之间角度为：当透镜组为3块透镜时，透镜轴向之间角度为120°或90°，当透镜组为4块透镜时，透镜轴向之间的角度为90°，透镜安装座内部带有环形冷却流道，用以激光打印过程中对透镜的冷却，以防止打印过程透镜温度过高而损坏透镜。
保护镜安装孔23固定安装有保护镜组件21；伸缩筒22的上端与保护镜组件21相连接，伸缩筒22的下端安装有送粉喷嘴1，伸缩筒22的外壁上固定安装有齿条12，齿条12与喷嘴电机齿轮11相啮合。喷嘴电机2通过喷嘴电机齿轮11和齿条12啮合的传动机构可带动送粉喷嘴1上下移动，实现粉斑的上下微调。
本发明的工作原理：
本发明的激光打印头，包括：两个电机、一根转轴、两个轴承、一组透镜(3～4块)、上下端板、打印头外壁、伸缩筒、三个齿轮及一个齿条和喷嘴等；本发明可通过电机转动进行透镜组切换实现激光打印过程的变光斑。具体的，透镜组按照透镜不同的焦距安装到透镜固定座块上，透镜固定块按照一定角度安装到转轴上，转轴上下两端分别装上轴承，轴的上端装上传动齿轮，轴承、轴、透镜组及透镜固定块组合成“可转动组件”，“可转动组件”安装在下端板上，然后在下端板上装上打印头外壁，上端板和下端板与打印头外壁连接形成打印头内部型腔；使激光准直器安装孔、透镜安装孔、保护镜安装孔同轴心；下端板下方装有电机和齿轮，伸缩筒上装有齿条，使齿轮和齿条啮合；激光打印过程中采用电机控制转动组件顺时针或逆时针转(﹢180°～-180°的角度转动)动可自动切换透镜，实现自动变光斑；采用电机控制齿轮齿条啮合运动，带动伸缩筒轴向运动，伸缩筒下端链接喷嘴，实现喷嘴粉斑的上下自动微调，使光斑焦点和粉斑焦点重合，能够保证打印质量和效率。
综上，本发明提供了一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法，既可解决激光金属3D打印的零件对高精度的需求问题，又可解决对打印效率需求的问题，在激光3D打印过程中完全实现了激光焦点的变光斑技术，而且实现的是在竖直或垂直状态下的焦点变光斑，激光打印过程，因激光垂直或竖直于成形面，激光打印过程稳定可靠。
本发明的实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头的安装方法，包括以下步骤：
首先在转轴14的中部(处于打印头壳体内)装上透镜组，再在上下两端部分别装上上轴承19和下轴承13，然后在转轴14的上顶端(通出打印头壳体)装上转轴齿轮18，形成内部转动组件；
将内部转动组件下端的下轴承13的外圈固定安装在下端板3上，然后在下端板3上装上打印头外壁4，再装上上端板5，使透镜组处于打印头外壁4内；使激光准直器安装孔25、透镜安装孔24以及保护镜组件安装孔23圆心同轴。
在下端板3的外壁面装上保护镜组件21以及喷嘴电机固定座10，并在喷嘴电机固定座10上装上喷嘴电机2，喷嘴电机2的输出轴上安装喷嘴电机齿轮11；在伸缩筒22上装上齿条12，伸缩筒22下端连接上送粉喷嘴1，使伸缩筒22、齿条12及送粉喷嘴1形成整体组件，再把整体组件以伸缩筒22内腔套安装在保护镜组件21的下端，使齿条12与喷嘴电机齿轮11啮合，喷嘴电机2自带抱死自锁；喷嘴电机2不通电转动时，通过喷嘴电机齿轮11与齿条12的啮合，可使送粉喷嘴11、齿条12及伸缩筒22形成的整体组件在喷嘴电机2不转动时位置固定不动，喷嘴电机2转动时可实现喷嘴在竖直方向上的微调。
外部激光准直器通过上端板5上的激光准直器安装孔25垂直固定在上端板5上，平行激光通过正下方透镜固定座上的透镜安装孔24上的透镜聚焦，聚焦后的激光焦点位于喷嘴下方且与粉末汇聚点粉斑重合，可保证较高的打印质量。
本发明实施例的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法的操作方法，包括以下步骤：
在激光打印过程中，需要高精度零件时，可直接用透镜电机6带动转轴14转动，切换到小光斑，然后采用喷嘴电机2调整送粉喷嘴1，使激光光斑与粉斑完全重合进行激光打印；同样原理，当需要进行高效率激光打印时，通过透镜电机6带动转轴14转动切换到大光斑进行高效率激光打印；当要打印的零件对效率和精度都要求较高时，采用小光斑打印轮廓，大光斑内部填充方式进行打印，激光打印过程，通过信号控制透镜电机6自动切换到小光斑打印零件轮廓，然后自动切换大光斑进行零件内部填充。
综上所述，针对金属增材制造过程光斑大小自动切换问题，本发明公开了一种具有光斑自动切换功能的激光打印头及光斑切换方法，包括：一组透镜组(3～4块透镜)、两个电机、齿轮及齿条、转轴、轴承和喷嘴等，透镜组安装在透镜固定块上，透镜固定块按照一定角度安装在转轴上，转轴上还安装着轴承和齿轮，电机通过齿轮传动可进行逆时针或顺时针转动，实现激光打印过程中的自动切换透镜，电机科带动喷嘴进行上下微调，实现激光光斑与粉斑的重合，本发明解决了激光打印过程中大小光斑的自动切换问题，从精度和效率方面提高了现有激光增材设备的技术水平。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，包括：打印头壳体、喷嘴电机(2)、透镜电机(6)、转轴(14)、保护镜组件(21)、伸缩筒(22)和送粉喷嘴(1)；
打印头壳体包括壳体主体、上端板(5)和下端板(3)；上端板(5)加工有激光准直器安装孔(25)，下端板(3)加工有保护镜组件安装孔(23)；所述激光准直器安装孔(25)和所述保护镜组件安装孔(23)均为通孔，且二者的轴线重合；
打印头壳体固定安装有喷嘴电机(2)和透镜电机(6)，打印头壳体可转动的安装有转轴(14)；透镜电机(6)的输出轴与转轴(14)之间设置有齿轮传动机构，通过所述齿轮传动机构透镜电机(6)能够驱动转轴(14)旋转；转轴(14)上固定安装有多个透镜固定块，每个透镜固定块上均设置有透镜安装孔(24)，所述透镜安装孔(24)为通孔；透镜安装孔(24)内均安装有透镜；通过转轴(14)转动至预设角度，每个透镜固定块的透镜安装孔(24)分别能够与激光准直器安装孔(25)和保护镜组件安装孔(23)轴线重合，以实现光斑切换；
保护镜组件(21)安装于保护镜组件安装孔(23)，伸缩筒(22)上端的内腔套安装在保护镜组件(21)的下端，伸缩筒(22)的下端安装有送粉喷嘴(1)；伸缩筒(22)的外壁固定安装有齿条(12)，喷嘴电机(2)的输出轴上安装有喷嘴电机齿轮(11)，所述齿条(12)与所述喷嘴电机齿轮(11)相啮合。
2.根据权利要求1所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，还包括：激光准直器；
所述激光准直器安装于激光准直器安装孔(25)。
3.根据权利要求1所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，打印头壳体的壳体主体的外壁上还固定安装有打印头固定座(9)。
4.根据权利要求1所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，喷嘴电机(2)具有抱死自锁功能。
5.根据权利要求1所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，转轴(14)通过上轴承(19)安装在上端板(5)上，通过下轴承(13)安装在下端板(3)上；
转轴(14)上安装有转轴齿轮(18)，透镜电机(6)的输出轴安装有透镜电机齿轮(17)，透镜电机齿轮(17)与转轴齿轮(18)相啮合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，透镜固定块的数量为3～4块，绕转轴(14)的轴线均布。
7.根据权利要求6所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，透镜固定块之间的轴向角度为：
当透镜固定块为3块时，轴向角度为120°或90°；当透镜固定块为4块时，轴向角度为90°。
8.根据权利要求1所述的一种具有光斑自动切换功能的激光打印头，其特征在于，透镜固定块内设置有环形冷却流道，用于在打印过程中冷却透镜。
9.一种用于激光打印头的光斑切换方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的激光打印头，包括以下步骤：
根据加工需要选定预设透镜，通过透镜电机(6)驱动转轴(14)转动，使选定的预设透镜的透镜安装孔(24)的轴线与激光准直器安装孔(25)和保护镜组件安装孔(23)的轴线重合。
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