CN113182533B - 一种激光加热3d打印系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加热3D打印系统及控制方法，包括：激光加热组件、打印平台、振镜、场镜、打印腔、打印激光束a和加热激光束b；激光加热组件包括前后镜筒、阵列镜片A、平凸透镜B、径向调整凸轮，套设在后镜筒上的轴向调整凸轮、轴向调整镜座和轴向凸轮压圈；套在轴向调整镜座上的平凹透镜C、CD隔圈、平凹透镜D和后压圈，使得后镜筒的径向运动转换成平凹透镜C和平凹透镜D的径向移动，进而实现微调平凹透镜C和D偏离中心的量。本发明仅通过独立的激光器和加热组件加热打印粉末就实现了加热区域温度场的控制，解决了传统底板加热温度上升慢，加热温度不高，温控不及时及加热功率低等问题，实现了精准控温的目标。

Description

一种激光加热3D打印系统及其控制方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体而言，涉及一种激光加热3D打印系统及其控制方法。

背景技术

激光打印作为一种增材制造技术，具有较高的打印精度和打印速度，材料适用范围广。与传统加工方式相比，3D打印机具有可节省加工原料、无需对加工废料进行后处理等优势。激光烧结成型利用分层叠加原理，把模型分解成平面，通过粉末作为原料把平面堆积成三维模型，由于烧结过程中原料可以重复利用，具有很好的加工经济性。但是在金属烧结过程中会产生热应力和热变形，造成零件翘边、开裂，究其原因，主要是由于未烧结的粉末和烧结粉末之间存在温度差。

现有的金属3D打印机为解决热应力和热变形，通常采用加热的方式降低激光烧结位置和周围粉末的温度差，现有的3D打印机在成型缸的打印平台下方增设加热元件，并通过热电偶等温度测量原件进行控制。这种加热方式，由于需要通过金属底板进行热传导，测量温度和打印粉末温度差距较大，并且随着打印的进行，打印粉体表面温度由于热传导的影响，粉末表面的温度会越来越低。也有采用激光加热的方案进行后处理，但是该方案均需要通过振镜，打印和加热均通过振镜降低了打印效率，而且在使用高功率激光时，振镜镜片的可靠性极低，成本较高。此外，该方式未在打印前对打印粉末进行加热处理，在大尺寸零件的打印过程中不能有效地对打印前的粉末进行预热处理，通常需要加装底板预热装置，使得设备成本增加，并且影响了打印质量。

因此，如何消除这种温度差，大幅降低制件的热应力和热变形，减少开裂，降低粉体的气体残留，成为目前亟需解决的方案。

发明内容

本发明旨在提供一种激光加热3D打印系统及其控制方法，其能够针对烧结原料粉体表面进行加热和控制，利用激光将粉末逐层融化堆积成型，从而达到提高制件精度、表面质量和机械性能的目的。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种激光加热3D打印系统，包括：激光加热组件、打印平台、振镜、场镜和打印腔、打印激光束和加热激光束；所述激光加热组件包括前镜筒、后镜筒、阵列镜片A、平凸透镜B、径向调整凸轮，套设在后镜筒上的轴向调整凸轮、轴向调整镜座和轴向凸轮压圈；以及套在轴向调整镜座上的平凹透镜C、CD隔圈、平凹透镜D和后压圈，以使得后镜筒的径向运动转换成平凹透镜C和平凹透镜D的径向移动，进而实现微调平凹透镜C和平凹透镜D偏离中心的量。

根据本发明，所述阵列镜片A与平凸透镜B之间的空气距为15mm；所述平凸透镜B和平凹透镜C之间的空气距为40-61mm，优选的空气距为50.8mm；平凹透镜C和平凹透镜D之间的空气距为9.47mm。

根据本发明，所述激光加热组件还包括阵列镜片A的镜片压圈，其设置在前镜筒上，与前镜筒通过螺纹联结，配置为用于固定阵列镜片A。优选地，阵列镜片A S1面为平面，S2面pitch为300μm，F＝1.62。

根据本发明，所述平凸透镜B的S3面曲率半径为34.8mm，中心厚度为4.4mm，S4面为平面。具体地，所述平凹透镜C的S5面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S6面为平面。所述平凹透镜D的S7面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S8面为平面。

根据本发明，所述激光加热组件还包括平凸透镜B的镜片压圈、窗口片和窗口片压圈，平凸透镜B的镜片压圈设置在前镜筒上，与前镜筒通过螺纹连接，配置为用于固定平凸透镜B。

根据本发明，激光加热组件还包括防尘罩，用于避免打印过程中光学系统受到粉尘的影响。

根据本发明，还包括进行温度监控与控制的红外测温反馈元件，配置为测量打印平台上打印粉末的温度并反馈给控制系统，来控制激光器的启停。

根据本发明，所述径向调整凸轮上设有两条圆弧槽口，每条所述圆弧槽口内均设置有沿其径向移动的导钉。

根据本发明的另一方面，还提供了一种激光加热3D打印系统的控制方法，包括以下步骤：S1、在打印平台上铺一层金属粉末，启动光纤激光器发出加热激光束，经过准直镜准直后依次通过阵列镜片A、平凸透镜B、平凹透镜C、平凹透镜D、以及窗口片到达打印平台；S2、所述加热激光束与打印平台的打印平面倾斜一定角度入射，并形成和打印区域相同的辐射面积，所述加热激光束在打印平面的打印区域内均匀分布；S3、通过调整激光功率调整加热温度，通过红外测温反馈元件进行温度监控与控制；S4、通过调整径向调整凸轮，进而调整后镜筒的偏离中心的量，微调激光束在打印平台上的成形形状；通过调节轴向调整凸轮控制轴向调整镜座的轴向移动进而调节平凹透镜C、平凹透镜D的轴向移动，从而调整加热激光束在打印平台上的面积大小。

根据本发明，所述金属粉末的厚度为0.01～0.03mm，优选为0.02mm。

根据本发明，步骤S2中加热激光束倾斜15°～25°入射打印平台，更优选倾斜入射角度为18.7°。

本发明的有益效果：

1、本发明通过独立的激光器和加热组件加热打印粉末，仅通过常规的控制就可以实现加热区域温度场的控制，减小了控制难度，解决了传统底板加热温度传递慢、上升慢，加热温度不高，温度控制不及时、控温不准以及激光器加热功率不高，不能使用大功率激光器加热等问题，实现了精准控温的目标，成本低、可靠性高，同时也解决了金属3D打印设备中普遍存在的应力开裂，粉末气体残留问题。

2、本发明的加热组件采用阵列镜片A、平凸透镜B、平凹透镜C、平凹透镜D窗口片等标准镜片的组合来实现加热光束均匀覆盖整个打印区域，温度分布均匀。仅通过调整激光功率就可以调整加热温度，通过红外测温反馈元件进行温度的监控与控制，解决了激光加热中存在的加热面积小，温度分布不均匀等问题，实现了最佳的经济效益比。并且本发明的加热组件体积小，激光可以从边缘(非加热区域中心点)入射实现均匀的温度场，提高了3D打印设备的空间利用率。

3、本发明还可以通过调整径向调整凸轮，进而调整后镜筒的偏离中心的量，可以微调加热光束在打印平台上的成形形状。通过调节轴向调整凸轮控制后镜筒的轴向移动进而调节透镜C、透镜D的轴向移动，可以调整加热光束在打印平台上的面积大小。

4、本发明采用红外测温元件进行温度测量和反馈，直观的反应需要打印粉末的表面温度，比传统的热电偶测量方式准确(有温度梯度，测量的不是粉末表面温度)，监控、反馈调整温度及时，使打印过程更可控。

附图说明

图1是本发明一种实施例中激光加热3D打印系统的主视图。

图2是本发明一种实施例中激光加热组件的剖面结构示意图。

图3是本发明一种实施例中激光加热组件的三维立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

如图1所示，为解决现有加热技术无法有效的解决3D打印过程中应力开裂等问题，本发明提出了一种激光加热3D打印系统，包括激光加热组件1、打印平台2、振镜3、场镜4、红外测温反馈元件5和打印腔6、打印激光束a、加热激光束b。打印激光束a通过振镜3、场镜4后到达打印平台2上，提供粉末分层烧结的热量。

如图2和图3所示，激光加热组件1包括光纤、准直镜以及转接件1-1、前镜筒1-2、后镜筒1-9、阵列镜片A1-3、阵列镜片A压圈1-4、平凸透镜B1-5的镜片压圈1-6，平凸透镜B1-5、平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14、径向调整凸轮1-7、轴向调整凸轮1-10、轴向调整镜座1-12、CD隔圈1-13、后压圈1-15、轴向凸轮压圈1-16、窗口片压圈1-17、窗口片1-18。加热激光束b由光纤激光器产生，通过准直镜后经由激光加热组件1由上向下到达打印平台2，提供粉末预加热的热量。加热激光束b通过阵列镜片A1-3以及平凸透镜B1-5、平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14实现面加热，解决了因温差引起的开裂问题。激光由光纤激光器产生，光纤头和准直镜通过QBH头进行连接，准直镜与转接件1-1通过螺纹连接，转接件1-1和前镜筒1-2通过螺钉进行连接。阵列镜片A1-3放置在前镜筒1-2中，阵列镜片A1-3的镜片压圈1-4通过螺纹和前镜筒1-2联结，用于固定阵列镜片A。平凸透镜B1-5放置在前镜筒中，位于阵列镜片A1-3下方，平凸透镜B1-5的镜片压圈1-6通过螺纹和前镜筒1-2联结，用于固定平凸镜片B1-5。

如图1-3所示，径向调整凸轮1-7套在前镜筒1-2上，通过导钉和后镜筒1-9联结，后镜筒1-9放置在前镜筒1-2下方。轴向调整凸轮1-10套在后镜筒1-9上，轴向凸轮压圈1-16通过螺纹和后镜筒1-9联结，用于限制轴向调整凸轮1-10的轴向窜动。轴向调整镜座1-12内套在后镜筒1-9上，通过螺钉和轴向调整凸轮1-10联接。平凹透镜C1-12、CD隔圈1-13、平凹透镜D1-14从上到下放置于轴向调整镜座1-12中，后压圈1-15和轴向调整镜座1-12通过螺纹连接，用于固定平凹透镜C1-12、CD隔圈1-13和平凹透镜D1-14。为了保证打印腔内的密封，使用窗口片1-18用于隔绝打印腔和外界空气，并使用窗口片压圈1-17用于固定窗口片1-18。本发明可以通过阵列镜片A1-3以及平凹、平凸镜片实现的光路来确保大面积均匀加热，通过径向、轴向调整凸轮实现面积和形状可调。

本发明的加热组件采用阵列镜片A1-3、平凸透镜B1-5、平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14、窗口片1-18等的组合来实现加热光束覆盖整个打印区域，采用这种布局方式，加热光束分布均匀。只需要通过调整激光功率就可以调整加热温度，通过红外测温反馈元件对打印平台2上打印粉末的温度进行监控并反馈给控制系统，来控制激光器的启停。可见，本发明通过独立的激光器和加热组件加热打印粉末，解决了传统底板加热温度上升慢，控温不准和激光器加热功率不高的问题，实现了大功率激光加热和精准控温的目标。

如图2和3所示，轴向调整凸轮1-10、轴向调整镜座1-12和轴向凸轮压圈1-16均套在后镜筒1-9上，平凹透镜C1-11、CD隔圈1-13、平凹透镜D1-14、后压圈1-15均套在轴向调整镜座1-12上，以使得后镜筒1-9的径向运动转换成平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14的径向移动，进而实现微调平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14偏离中心的量；进而实现加热光束在打印平台上的形状可调。

在本发明中，径向调整凸轮1-7用于调整后镜筒1-9偏离中心的量。通过调整径向调整凸轮1-7调整后镜筒的偏离中心的量，可以微调加热光束的在打印平台上的成形形状。通过调节轴向调整凸轮1-10控制后镜筒1-9的轴向移动进而调节平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14的轴向移动，可以调整加热光束在打印平台2上的面积大小。

轴向调整镜座1-12和平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14的运动方向一致，所以轴向调整镜座1-12的轴向运动带动平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14轴向运动。轴向调整镜座1-12通过螺钉和轴向调整凸轮1-10联结，转动轴向调整凸轮1-10使其旋转运动转换为轴向调整镜座1-12的轴向运动，因为平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14与平凸透镜B1-5的空气距会影响加热光束到达打印平台的大小，因此可以通过上述微调，调整激光加热光束b在打印平台2上的面积大小。

通过上述方法调整加热激光束b的加热面积后，红外测温反馈元件5可以测量打印平台2上打印粉末的温度反馈给控制系统，来控制激光器的启停。本发明采用红外测温元件5进行温度测量和反馈，直观的反应需要打印粉末的表面温度，比传统的热电偶测量方式准确(有温度梯度，测量的不是粉末表面温度)，监控、反馈调整温度及时。通过红外测温反馈元件5测量打印粉体表面的温度，设置在温度区间，如高于温度设定值，激光器关闭，如低于温度设定值则激光器开启。通过设置激光器的功率和启停可以控制加热温度在设置的温度范围内。

轴向调整镜座1-12的径向运动也会带动平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14的径向运动。后镜筒1-9的径向运动会带动轴向调整凸轮1-10、轴向调整镜座1-12和轴向凸轮压圈的径向运动。后镜筒1-9通过螺钉和径向调整凸轮1-7联结，转动径向调整凸轮1-7使其旋转运动转换为后镜筒1-9的径向运动，考虑到平凹透镜C1-11和平凹透镜D1-14偏离中心的量会影响激光加热光束b到达打印平台的打印形状，可以通过上述微调，调整加热光束在打印平台的变形量。

本发明中的阵列镜片A1-3的镜片压圈1-4和/或平凸透镜B的镜片压圈1-6设置在前镜筒1-2上，通过螺纹进行连接，用于固定阵列镜片A1-3和平凸透镜B。优选地，激光加热组件1还包括防尘罩1-8，用于保护光学系统免受打印过程中粉尘的影响。

根据本发明，如图3所示，径向调整凸轮1-7上设有两条圆弧槽口1-71，每条圆弧槽口1-71内均设置有沿其径向移动的导钉Ⅰ。在使用过程中旋转所述径向调整凸轮1-7，导钉Ⅰ在圆弧槽口1-71内沿着径向移动，带动后镜筒1-9沿着径向移动。

根据本发明，还提供了一种激光加热3D打印系统的控制方法，包括以下步骤：在打印平台2上铺一层金属粉末，其中金属粉末的厚度可以为0.01～0.03mm，优选为0.02mm。启动光纤激光器发出加热激光束b，经过准直镜准直后依次通过阵列镜片A1-3、平凸透镜B1-5、平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14、窗口片1-17到达打印平台2。打印激光束a通过振镜3、场镜4后到达打印平台2上，提供粉末分层烧结的热量。加热激光束b与打印平台2的打印平面倾斜一定角度入射，并形成和打印区域相同的辐射面积，在打印平台2的打印区域内，加热光束分布均匀。加热激光束b经过整形后和打印平台2尺寸相同，通过调整激光功率调整加热温度，通过红外测温反馈元件5进行温度监控与控制。通过调整径向调整凸轮1-7，进而调整后镜筒1-9偏离中心的量，微调激光束b在打印平台2上的成形形状；通过调节轴向调整凸轮1-10控制轴向调整镜座1-12的轴向移动进而调节平凹透镜C1-11、平凹透镜D1-14的轴向移动，从而调整加热激光束b在打印平台2上的面积大小。

加热激光束b与打印平台2的面倾斜一定角度入射为15°～25°，优选角度为18.7°。本发明通过合理的位置排布可以使打印平面呈现一个近似正方形的加热辐射温度场。为了补偿机械装配中的误差，通过调整径向调整凸轮1-7，进而调整后镜筒1-9的偏离中心的量，可以微调加热光束在打印平台2上的成形形状(梯形校准为方形)。通过调节轴向调整凸轮1-10控制轴向调整镜座1-12的轴向移动进而调节透镜C、透镜D的轴向移动，可以调整加热光束在打印平台2上的面积大小。本发明实现的加热温度场区域大小具体可以是300x300mm。

在本发明的一个具体实施例中，激光通过准直镜准直后经过阵列镜片A1-3、平凸透镜B，阵列镜片A1-3和平凸透镜B之间的空气距为15mm，平凸透镜B和平凹透镜C之间的空气距为50.8mm，平凹透镜C和平凹透镜D之间空气距为9.47mm。其中阵列镜片A1-3的S1面为平面，S2面pitch为300um，F＝1.62，平凸透镜B的S3面曲率半径为34.8mm，中心厚度为4.4mm，S4面为平面，平凹透镜C的S5面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S6面为平面。平凹透镜D的S7曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S8面为平面。所有镜片均镀有AR膜，最大程度的降低激光的能量损耗，可以实现均匀加热最为经济的实践方案。

本发明可采用高功率激光进行加热，通过提高激光功率即可实现。在加热激光的通光路径中，镜片均镀有AR膜，增加了透过率，降低热积累。

以上所述仅为本发明实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种激光加热3D打印系统，其特征在于，包括：激光加热组件(1)、打印平台(2)、振镜(3)、场镜(4)和打印腔(6)、打印激光束（a）和加热激光束（b）；

所述激光加热组件(1)包括前镜筒(1-2)、后镜筒(1-9)、阵列镜片A (1-3)、平凸透镜B(1-5) 、径向调整凸轮(1-7)，套设在后镜筒(1-9)上的轴向调整凸轮(1-10)、轴向调整镜座(1-12)和轴向凸轮压圈(1-16)；以及

套在所述轴向调整镜座(1-12)上的平凹透镜C(1-11)、CD隔圈(1-13)、平凹透镜D (1-14)和后压圈(1-15)，以使得所述后镜筒(1-9)的径向运动转换成平凹透镜C(1-11)和平凹透镜D(1-14)的径向移动，进而实现微调平凹透镜C(1-11)和平凹透镜D (1-14)偏离中心的量；

加热激光束（b），经过准直镜准直后依次通过阵列镜片A（1-3）、平凸透镜B（1-5）、平凹透镜C（1-11）、平凹透镜D（1-14）；

所述径向调整凸轮（1-7）上设有两条圆弧槽口（1-71），每条所述圆弧槽口（1-71）内均设置有沿其径向移动的导钉（Ⅰ）。

2.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述阵列镜片A (1-3)与平凸透镜B(1-5) 之间的空气距为15mm；所述平凸透镜B (1-5)和平凹透镜C (1-11) 之间的空气距为50.8mm；所述平凹透镜C(1-11)和平凹透镜D(1-14)之间的空气距为9.47mm。

3.根据权利要求2所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述激光加热组件（1）还包括阵列镜片A (1-3)的镜片压圈(1-4)，其设置在前镜筒（1-2）上，与前镜筒（1-2）通过螺纹联结，配置为用于固定阵列镜片A (1-3)。

4.根据权利要求2所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述阵列镜片A (1-3)的S1面为平面，S2面pitch为300μm，F=1.62。

5.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述平凸透镜B(1-5)的S3面曲率半径为34.8mm，中心厚度为4.4mm，S4面为平面。

6.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述平凹透镜C(1-11)的S5面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S6面为平面。

7.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述平凹透镜D(1-14)的S7面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S8面为平面。

8.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，所述激光加热组件（1）还包括平凸透镜B(1-5)的镜片压圈(1-6)、窗口片(1-18)和窗口片压圈(1-17)，所述平凸透镜B(1-5)的镜片压圈(1-6)设置在所述前镜筒（1-2）上，配置为用于固定平凸透镜B。

9.根据权利要求1所述的激光加热3D打印系统，其特征在于，还包括进行温度监控与控制的红外测温反馈元件(5)，其配置为测量打印平台（2）上打印粉末的温度并反馈给控制系统，以控制激光器的启停。

10.权利要求1至9中任一项所述激光加热3D打印系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在打印平台（2）上铺一层金属粉末，启动光纤激光器发出加热激光束（b），经过准直镜准直后依次通过阵列镜片A（1-3）、平凸透镜B（1-5）、平凹透镜C（1-11）、平凹透镜D（1-14）、窗口片（1-18）到达打印平台（2），提供粉末预加热的热量；

S2、所述加热激光束（b）与打印平台（2）的打印平面倾斜一定角度入射，并形成和打印区域相同的辐射面积，所述加热激光束（b）在打印平面的打印区域内均匀分布；

S3、通过调整激光功率调整加热温度，通过红外测温反馈元件（5）进行温度监控与控制；

S4、通过调整径向调整凸轮（1-7），进而调整后镜筒（1-9）偏离中心的量，微调加热激光束（b）在打印平台（2）上的成形形状；通过调节轴向调整凸轮（1-10）控制轴向调整镜座（1-12）的轴向移动进而调节平凹透镜C（1-11）、平凹透镜D（1-14）的轴向移动，从而调整加热激光束（b）在打印平台（2）上的面积大小。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述金属粉末的厚度为0.01~0.03mm。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述金属粉末的厚度为0.02mm。

13.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中加热激光束（b）倾斜15°~25°入射所述打印平台(2)。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，倾斜入射角度为18.7°。