CN113219676A - 激光准直仪及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光准直仪及3D打印机，该激光准直仪的激光准直器通过内部的光学镜片将激光发射器发出的发散激光光束会聚为平行光束。同时该激光准直器能够放置多个不同焦距的光学镜片，可以根据实际所要得到激光平行光束的直径切换所需的光学镜片，光学镜片由运动机构控制运动，通过运动机构的相互配合，使光学镜片实现三个维度的运动，使光学镜片到达合适的聚焦位置，具有较高的灵活度。运动机构还可由伺服电机驱动，以实现对光学镜片位置的精准控制，避免手动操作时的抖动与偏差。配备该激光准直仪的3D打印机能够根据需要改变激光光斑的尺寸大小，同时兼顾精度与效率。

Description

激光准直仪及3D打印机

技术领域

本发明涉及激光领域，特别是涉及一种激光准直仪及3D打印机。

背景技术

现有技术中，通过激光发射器与激光准直模块结合的系统，可以得到平行激光光束。如图1所示，激光准直模块20内放置有光学镜片30，激光发射器1发射出的激光光束存在发散角，经过光学镜片30的准直作用调整为平行激光光束，实际上是利用了光学镜片30的会聚作用，当激光发射器1与光学镜片30的距离等于光学镜片30的焦距f，即激光发射器1位于光学镜片30的焦点位置时，光学镜片30就能够将激光发射器1发射出的发散的激光光束会聚为平行光束。通常情况下该激光准直模块20只适配有一组镜片，因此只能得到特定直径d的平行激光光束而无法变换，造成使用不便。如果激光准直模块20的光学镜片30和激光发射器1的相对位置发生偏移后，手动调整光学镜片30的位置时容易造成抖动与偏差，很难精确控制光学镜片30的位置。此外，该激光准直模块应用于现有的激光设备中，也会产生诸多问题。以3D打印机为例，使用该激光准直模块20只能得到固定尺寸的激光光斑，很难同时兼顾零件的成型尺寸精度、最小特征尺寸及生产效率。

基于以上现有技术中的不足，提出一种激光准直仪及3D打印机，实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光准直仪及3D打印机，用于解决现有技术中无法变换平行激光光束的直径、且很难精确控制光学镜片位置的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光准直仪，所述激光准直仪包括：

激光发射器，用于提供激光光源；

激光准直器，所述激光准直器包括光学镜片模组及驱动模组，所述光学镜片模组中具有不同焦距的光学镜片，且所述光学镜片与所述驱动模组连接，通过所述驱动模组调整所述光学镜片的位置，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

可选地，所述激光准直器包括工作舱、与所述工作舱垂直连通的储存舱，所述工作舱的一端固定有所述激光发射器，所述工作舱及所述储存舱内设置有不同焦距的所述光学镜片，通过所述驱动模组切换留存在所述工作舱中的所述光学镜片，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

可选地，所述驱动模组在三维方向上对所述光学镜片的位置进行调节。

可选地，所述驱动模组由与所述光学镜片对应独立设置的运动机构构成。

可选地，所述运动机构包括依次活动连接的第一运动机构、第二运动机构及第三运动机构，且对应的所述运动机构中均包括相连接的滑轨及驱动件。

可选地，所述光学镜片通过固定工装设置在所述第三运动机构的滑轨上；所述第三运动机构设置在所述第二运动机构的滑轨上，所述第三运动机构的滑轨与所述第二运动机构的滑轨垂直设置；所述第二运动机构设置在所述第一运动机构的滑轨上，所述第二运动机构的滑轨与所述第一运动机构的滑轨垂直设置；所述第一运动机构的滑轨竖直固定于所述激光准直器的内壁上。

可选地，所述驱动件为伺服电机，所述伺服电机的运动误差在1μm以下。

可选地，所述光学镜片的数量为N个，且10≥N≥2；所述驱动模组同时调整M个所述光学镜片的位置，且5≥M≥2。

可选地，所述驱动模组包括手动驱动模组及自动驱动模组中的一种或组合，当所述驱动模组采用所述自动驱动模组时，所述自动驱动模组还包括控制件，以通过所述控制件实现自动控制。

本发明还提供一种3D打印机，所述3D打印机的激光系统包括所述激光准直仪、激光扫描振镜系统及聚焦场镜，以提供尺寸可变的激光光斑。

如上所述，本发明的激光准直仪及3D打印机，具有以下有益效果：该激光准直仪的激光准直器通过内部的具有不同焦距的光学镜片将激光发射器发出的发散激光光束会聚成具有不同直径的准直光束，由于该激光准直器能够放置多个不同焦距的光学镜片，从而可以根据实际所要得到激光平行光束的直径切换所需的光学镜片，且光学镜片由驱动模组控制运动，通过驱动模组的相互配合，使光学镜片实现在三维方向上的运动，以使光学镜片到达合适的聚焦位置，具有较高的灵活度；驱动模组还可由伺服电机驱动，以实现对光学镜片位置的精准控制，避免手动操作时的抖动与偏差。配备该激光准直仪的3D打印机能够根据需要改变激光光斑的尺寸大小，同时兼顾精度与效率。

附图说明

图1显示为现有技术中激光准直模块的结构示意图。

图2显示为本发明中激光准直仪第一光学镜片的工作过程示意图。

图3显示为图2中沿M-N的剖面结构示意图。

图4显示为本发明中激光准直仪第二光学镜片的工作过程示意图。

图5显示为本发明中激光准直仪第三光学镜片的工作过程示意图。

图6显示为本发明中3D打印机的结构示意图。

元件标号说明

1 激光发射器

2 激光准直器

3 激光扫描振镜系统

4 聚焦场镜

5 成型缸

6 粉料缸

7 铺粉臂

2A 工作舱

2B 储存舱

20 激光准直模块

21 第一运动机构

22 第二运动机构

23 第三运动机构

30 光学镜片

31 第一光学镜片

32 第二光学镜片

33 第三光学镜片

41 上下方向

42 前后方向

43 左右方向

d 直径

d1 直径

d2 直径

d3 直径

f 焦距

f1 焦距

f2 焦距

f3 焦距

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2-图5所示，本实施例提供一种激光准直仪，所述激光准直仪包括：

激光发射器1，用于提供激光光源；

激光准直器2，所述激光准直器包括光学镜片模组及驱动模组，所述光学镜片模组中具有不同焦距的光学镜片，且所述光学镜片与所述驱动模组连接，通过所述驱动模组调整所述光学镜片的位置，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

作为示例，所述激光准直器2包括工作舱2A、与所述工作舱2A垂直连通的储存舱2B，所述工作舱2A及所述储存舱2B内设置有不同焦距的所述光学镜片，所述工作舱2A的一端固定有所述激光发射器1，通过所述驱动模组切换留存在所述工作舱2A中的所述光学镜片，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

具体的，参阅图2、图4及图5，本实施例中，所述激光准直器2包括所述工作舱2A及储存舱2B，其中，所述工作舱2A用于放置经所述驱动模组调整后的所述光学镜片，以接收所述激光发射器所提供的激光光源，并将所述激光光源转换成准直光束。所述储存舱2B则用以放置经所述驱动模组调整后的待用的所述光学镜片，从而通过所述工作舱2A及储存舱2B为所述光学镜片提供不同的放置空间，避免干扰。当然，实际应用中，也可不作明显区分，只需确保工作中的所述光学镜片与待用的所述光学镜片具有足够的容纳空间即可。

作为示例，所述光学镜片的数量可为N个，且10≥N≥2。

具体的，在所述激光准直器2中，所述光学镜片除本实施例图示中的3个外，还可包括如2个、5个、8个等，具体数量可根据需要进行选择，以扩大所述激光准直仪的应用范围，当然所述光学镜片的数量并非仅局限于此，此处不作过分限制。本实施例中仅以三3个所述光学镜片为例，即所述工作舱2A及储存舱2B内设置有三个所述光学镜片，为了便于描述，本实施例中将该三个所述光学镜片分别命名为第一光学镜片31、第二光学镜片32及第三光学镜片33，三个所述光学镜片分别有不同的焦距从而能够将所述激光发射器1发出的发散激光光束调整为不同直径的平行激光光束，其中，所述第一光学镜片31、第二光学镜片32及第三光学镜片33的焦距分别对应为f1、f2、f3，所述第一光学镜片31、第二光学镜片32及第三光学镜片33将所述激光发射器1发出的激光光束调整为平行激光光束的直径分别对应为d1、d2、d3。

作为示例，所述驱动模组在三维方向上对所述光学镜片的位置进行调节。

具体的，所述三维方向包括通过所述驱动模组的调整对所述光学镜片的上下、左右、前后及旋转角度的调整，从而保证具有较高的灵活度，以使所需的所述光学镜片准确的移动至预定的聚焦位置，即保证所需的所述光学镜片与所述激光发射器1的距离等于该光学镜片的焦距、且所述激光发射器1发出的激光光束的中心线穿过该光学镜片的中心，在此状态下该光学镜片能够将所述激光发射器1发出的激光光束调整为平行激光光束，完成准直过程。

作为示例，所述驱动模组包括手动驱动模组及自动驱动模组中的一种或组合，当所述驱动模组采用所述自动驱动模组时，所述自动驱动模组还包括控制件，以通过所述控制件实现自动控制。

具体地，所述手动驱动模组即通过人工手动的方式对所述光学镜片进行移动；所述自动驱动模组即通过控制件对所述光学镜片进行移动，其中所述控制件可采用PLC等控制部件或采用计算机等，用以实现对所述光学镜片的智能化自动精确控制，以降低误差，提供精度，但并非局限于此，如根据需要，所述驱动模组也可采用手动驱动模组及自动驱动模组相结合的方式，以便于满足不同运用场景的需求。

作为示例，所述驱动模组由与所述光学镜片对应独立设置的运动机构构成。

作为示例，所述运动机构包括依次活动连接的第一运动机构21、第二运动机构22及第三运动机构23，且对应的所述运动机构中均包括相连接的滑轨及驱动件，以通过所述驱动件驱动所述运动机构在所述滑轨上运动。

作为示例，所述光学镜片通过固定工装设置在所述第三运动机构23的滑轨上；所述第三运动机构23设置在所述第二运动机构22的滑轨上，所述第三运动机构23的滑轨与所述第二运动机构22的滑轨垂直设置；所述第二运动机构22设置在所述第一运动机构21的滑轨上，所述第二运动机构22的滑轨与所述第一运动机构21的滑轨垂直设置；所述第一运动机构21的滑轨竖直固定于所述激光准直器的内壁上。

作为示例，三个光学镜片均装有所述运动机构，通过所述运动机构三个所述光学镜片能够在工作舱2A与储存舱2B之间切换位置。

具体的，如图2及图3，本实施例中，所述运动机构包括所述第一运动机构21、第二运动机构22及第三运动机构23，且对应的每个所述运动机构均包括滑轨。以所述第一光学镜片31为例，所述第一光学镜片31通过固定工装设置在所述第三运动机构23的滑轨上，所述第一光学镜片31能够在所述第三运动机构23的滑轨上沿左右方向43滑动；所述第三运动机构23设置在所述第二运动机构22的滑轨上，所述第三运动机构23的滑轨与所述第二运动机构22的滑轨垂直设置，所述第三运动机构23能够在所述第二运动机构23的滑轨上沿前后方向42滑动；所述第二运动机构22设置在所述第一运动机构21的滑轨上，所述第二运动机构22的滑轨与所述第一运动机构21的滑轨垂直设置，所述第二运动机构22能够在所述第一运动机构21的滑轨上沿上下方向41滑动；所述第一运动机构21的滑轨竖直固定于所述工作舱2A及所述储存舱2B的内壁上，以实现所述第一光学镜片31在所述工作舱2A与所述储存舱2B之间切换位置。上述第一运动机构21、第二运动机构22及第三运动机构23均可独立控制调整位置，通过上述运动机构的相互配合，能够使所述第一光学镜片31实现上下、左右、前后三个维度的运动，进一步的通过所述运动机构的控制也可实现所述第一光学镜片31在所述第三运动机构23的滑轨上的旋转角度调整，旋转角度可包括2°～20°，如2°、5°、10°、20°等。从而在使用时，可保证所述第一光学镜片31与所述激光发射器1的距离等于所述第一光学镜片31的焦距，即所述激光发射器1位于所述第一光学镜片31的焦点位置，同时保证所述激光发射器1发出的激光光束的中心线穿过所述第一光学镜片31的中心，从而达到合适的聚焦位置，在此状态下所述第一光学镜片31能够将所述激光发射器1发出的激光光束调整为直径为d1的平行激光光束，完成准直过程。

作为示例，所述驱动件可以是伺服电机等驱动装置，所述伺服电机的运动误差在1μm以下。

具体的，所述驱动件采用伺服电机能够实现对所述光学镜片位置的精准控制，避免手动操作时的抖动与偏差。

上述激光准直仪的使用步骤为：首先根据所要得到激光平行光束的直径确定所需的所述光学镜片，以所述第一光学镜片31为例，需要用到的所述第一光学镜片31通过所述第一运动机构21的驱动进入所述工作舱2A，而使用不到的所述光学镜片则留在所述储存舱2B中以免造成干扰，如图2。然后通过所述第二运动机构22调整所述第一光学镜片31的位置，使所述激光发射器1发出的激光光束的中心线穿过所述第一光学镜片31的中心，之后通过所述第三运动机构23的驱动调整所述第一光学镜片31的位置，使所述第一光学镜片31与所述激光发射器1的距离等于所述第一光学镜片31的焦距，即所述激光发射器1位于所述第一光学镜片31的焦点位置。由此便可得到与所述第一光学镜片31对应的直径为d1的激光平行光束。当需应用其他焦距的所述光学镜片以获得不同直径的激光平行光束时，如图4中的第二光学镜片32及图5中的第三光学镜片33，可同样通过对应的所述运动机构进行调整，此处不作赘述。

需要说明的是该激光准直仪中并不限于三个光学镜片，可以根据实际需要设定光学镜片的个数以便有更多的选择，可选地，所述光学镜片的数量为N个，且10≥N≥2；所述光学镜片也可以共用一个所述驱动模组，以使所述驱动模组能够同时调整M个所述光学镜片的位置，如5≥M≥2等。此外，在对所述激光发射器1发出的激光光束进行准直时，也不限于一组光学镜片，可以根据需要同时使用多组光学镜片进行组合使用。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，提供一种3D打印机。所述3D打印机基于铺粉系统和激光系统，主要使用SLS技术(激光选区烧结技术，应用于高分子塑料、金属、陶瓷等材料)及SLM技术(激光选区熔化技术，应用于金属等材料)，通过逐层打印的方式将零件构造出来。

现有技术中的3D打印机结构，包括激光系统及铺粉系统。激光系统用于提供激光光斑，一般包括：依次连接的激光发射器、激光准直模块、激光扫描振镜系统及聚焦场镜，激光发射器发出的激光光束存在发散角，经过激光准直模块的准直作用调整为平行激光光束，平行激光光束再经过激光扫描振镜系统及聚焦场镜聚焦为激光光斑；铺粉系统用于铺设粉料层，一般包括成型缸、粉料缸及铺粉臂。3D打印机的工作过程为：铺粉臂将粉料缸中的粉料铺设至成型缸中形成一个薄层，利用激光光斑以点照射的形式选择性的烧结固化该薄层的某些区域，以图形化该薄层。如此往复，通过一层层的铺设烧结而得到最终零件的结构。

由于上述现有技术中的3D打印机使用的是现有技术中的激光准直模块，该激光准直模块只适配有一组镜片，只能得到特定直径的平行激光光束而无法变换，因此该平行激光光束经过激光扫描振镜系统及聚焦场镜后，最终只能得到固定尺寸的激光光斑，这就很难同时兼顾零件的成型尺寸精度、最小特征尺寸、生产效率及成本。一般的，成型尺寸精度越高、最小特征尺寸越小，就需要更小的激光光斑，但是小的激光光斑，在实体填充烧结方面造成效率低下等问题。

基于此，本实施例提供的3D打印机在现有技术的基础上，将现有技术中3D打印机的激光准直模块更换为实施例一中的所述激光准直器2。具体地，如图6所示，本实施例中的所述3D打印机的激光系统包括：依次连接的激光发射器1、激光准直器2、激光扫描振镜系统3及聚焦场镜4，以提供尺寸可变的激光光斑；所述3D打印机的铺粉系统用于铺设粉料层，包括成型缸5、粉料缸6及铺粉臂7。其中，所述激光发射器1及激光准直器2的组合结构即为实施例一中所述的激光准直仪。

本实施例提供的3D打印机由于采用了所述激光准直器，该激光准直器可以根据需要将所述激光发射器1发出的激光光束调整为直径大小不同的平行激光光束，从而改变最终激光光斑的尺寸大小，同时兼顾精度与效率。其中，激光光斑的大小与进入所述激光扫描振镜系统3的平行激光光束的直径大小有关，平行激光光束直径越大，激光光斑越小；平行激光光束直径越小，激光光斑越大。

需要说明的是，本发明中的所述激光准直仪并不局限于使用在3D打印机中，还可以应用在激光切割仪等激光设备中。

综上所述，本发明提供了一种激光准直仪及3D打印机，该激光准直仪包括激光发射器与激光准直器，激光准直器通过内部的光学镜片将激光发射器发出的发散激光光束会聚为平行光束。同时该激光准直器能够放置多个不同焦距的光学镜片，可以根据实际所要得到激光平行光束的直径切换所需的光学镜片，光学镜片由运动机构控制运动，通过运动机构的相互配合，使光学镜片实现三个维度的运动，使光学镜片到达合适的聚焦位置，具有较高的灵活度。运动机构还可由伺服电机驱动，以实现对光学镜片位置的精准控制，避免手动操作时的抖动与偏差。配备该激光准直仪的3D打印机能够根据需要改变激光光斑的尺寸大小，同时兼顾精度与效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种激光准直仪，其特征在于，所述激光准直仪包括：

激光发射器，用于提供激光光源；

激光准直器，所述激光准直器包括光学镜片模组及驱动模组，所述光学镜片模组中具有不同焦距的光学镜片，且所述光学镜片与所述驱动模组连接，通过所述驱动模组调整所述光学镜片的位置，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

2.根据权利要求1所述的激光准直仪，其特征在于，所述激光准直器包括工作舱、与所述工作舱垂直连通的储存舱，所述工作舱的一端固定有所述激光发射器，所述工作舱及所述储存舱内设置有不同焦距的所述光学镜片，通过所述驱动模组切换留存在所述工作舱中的所述光学镜片，以将所述激光光源转换成具有不同直径的准直光束。

3.根据权利要求1所述的激光准直仪，其特征在于：所述驱动模组在三维方向上对所述光学镜片的位置进行调节。

4.根据权利要求1所述的激光准直仪，其特征在于：所述驱动模组由与所述光学镜片对应独立设置的运动机构构成。

5.根据权利要求4所述的激光准直仪，其特征在于，所述运动机构包括依次活动连接的第一运动机构、第二运动机构及第三运动机构，且对应的所述运动机构中均包括相连接的滑轨及驱动件。

6.根据权利要求5所述的激光准直仪，其特征在于，所述光学镜片通过固定工装设置在所述第三运动机构的滑轨上；所述第三运动机构设置在所述第二运动机构的滑轨上，所述第三运动机构的滑轨与所述第二运动机构的滑轨垂直设置；所述第二运动机构设置在所述第一运动机构的滑轨上，所述第二运动机构的滑轨与所述第一运动机构的滑轨垂直设置；所述第一运动机构的滑轨竖直固定于所述激光准直器的内壁上。

7.根据权利要求5所述的激光准直仪，其特征在于，所述驱动件为伺服电机，所述伺服电机的运动误差在1μm以下。

8.根据权利要求1所述的激光准直仪，其特征在于，所述光学镜片的数量为N个，且10≥N≥2；所述驱动模组同时调整M个所述光学镜片的位置，且5≥M≥2。

9.根据权利要求1所述的激光准直仪，其特征在于，所述驱动模组包括手动驱动模组及自动驱动模组中的一种或组合，当所述驱动模组采用所述自动驱动模组时，所述自动驱动模组还包括控制件，以通过所述控制件实现自动控制。

10.一种3D打印机，其特征在于，所述3D打印机的激光系统包括如权利要求1-9任一所述的激光准直仪、激光扫描振镜系统及聚焦场镜，以提供尺寸可变的激光光斑。

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