CN114888303B - 一种蓝色激光增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提一种蓝色激光增材制造装置，其包括储粉罐、送粉管和多个半导体蓝色激光器。其中，送粉管连接在储粉罐的底端，以用于将储粉罐内的粉末送出；多个半导体蓝色激光器设置在储粉罐的周侧，半导体蓝色激光器通过调整件与储粉罐连接，调整件用于调整多个半导体蓝色激光器的光束，以使多个半导体蓝色激光器的光束聚集在送粉管的出口下方。通过采用多个自由空间输出半导体蓝色激光器，半导体蓝色激光器未经过光纤耦合，而经由外部空间合束，合束后的光束仍然为矩形平顶光束，按合束的半导体蓝色激光器的数量成倍提升了激光功率，且采用中心送粉、同步熔覆的方式，大大提升了粉末的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种蓝色激光增材制造装置。
背景技术
在增材制造中，半导体蓝色激光器常与送粉头(或送丝机)搭配，蓝光激光采用自由空间或光纤耦合的输出方式，对目标材料和基材进行加工熔化，使得材料在基材上生长，以达到成型零件的目的。
SLM(Selective laser melting)技术选用蓝光激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末熔化凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。SLM的方式为了成型精细的零件，往往需要较小的光斑，但由于目前蓝光激光几乎均为半导体激发，半导体激光器本身的激发方式决定了其光束质量差，难以得到小光斑，导致其在SLM中适用范围小，且设备和工艺复杂、粉末的利用率不高。
在目前还有使用蓝光激光作为能力源的增材制造中，蓝光激光经半导体输出后耦合至光纤，配备一同轴熔覆头，粉末和基体经蓝光激光照射同时熔化后冶金结合。相比于红外激光，大多数光纤对蓝光吸收率高，蓝光激光经过光纤耦合后，会损失至少15%的能量，导致输出能量下降，也易烧毁光纤，而且经由光纤耦合后，输出的光束模式为圆形高斯光，造成材料成型后性质存在边缘性差异。
另外通过自由空间输出蓝光激光的增材制造中，蓝光激光经由半导体输出后直接照射在粉末后，穿透至基材，使两者熔化，从而粉末和基材结合。此时蓝光激光虽无功率损失，但自由空间输出半导体激光器多使用侧边预制送粉的形式，无法实现粉材和基材同步熔化，且由于目前技术所限，功率均处于低的水平，导致工艺的选择范围较小。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中采用自由空间输出的蓝色激光功率低且无法实现粉末与基材同步熔覆的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提一种蓝色激光增材制造装置，其包括储粉罐；送粉管，其连接在所述储粉罐的底端，以用于将所述储粉罐内的粉末送出；多个半导体蓝色激光器，其设置在所述储粉罐的周侧，所述半导体蓝色激光器通过调整组件与所述储粉罐连接，所述调整组件用于调整多个所述半导体蓝色激光器的光束，以使多个所述半导体蓝色激光器的光束聚集在所述送粉管的出口下方。
可选地，所述调整组件包括固定于所述储粉罐的外表面的连接件和多个用于固定所述半导体蓝色激光器的调整件，所述连接件设置有第一转轴，所述第一转轴与所述储粉罐的轴向垂直，所述调整件通过所述第一转轴可转动地连接于所述连接件，通过将所述调整件绕所述第一转轴转动，以调整所述半导体蓝色激光器的光束聚集位置与所述送粉管出口下方的直线距离。
可选地，所述调整组件还包括固定于所述储粉罐的外表面的连接件、多个用于固定所述半导体蓝色激光器的调整件以及分别连接所述连接件和所述调整件的耳板；
其中，所述耳板的通孔内贯穿设置有第一转轴，所述第一转轴与所述储粉罐的轴向垂直，所述调整件通过所述第一转轴可转动地连接于所述耳板；所述连接件设置有与所述储粉罐轴向平行设置的第二转轴，所述耳板与所述通孔相对的一端通过所述第二转轴可转动地连接于所述连接件；所述调整件与所述耳板配合调整多个所述半导体蓝色激光器的光束组合出不同的合束形状。
可选地，所述调整组件还包括固定件，所述固定件固定在所述连接件的外表面，以用于将所述蓝色激光增材制造装置与外部设备固定。
可选地，所述送粉管包括粉末流道、环设于所述粉末流道的保护气罩以及与所述保护气罩连通的保护气接口。
可选地，所述储粉罐内设置有重力送粉机，以用于对粉末进行流量调整。
可选地，所述储粉罐设置有重力送粉阀门和气动送粉接口，所述气动送粉接口位于所述重力送粉阀门的下方，所述气动送粉接口用于连接外部送粉管道进而实现气动送粉。
可选地，多个所述半导体蓝色激光器均布在所述储粉罐的周侧。
可选地，所述半导体蓝色激光器为两个。
可选地，所述储粉罐包括圆柱形的罐体和连接于所述罐体底端的倒圆锥形的罐底，所述罐底与所述送粉管连通。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
本发明提一种蓝色激光增材制造装置，其包括储粉罐、送粉管和多个半导体蓝色激光器。其中，送粉管连接在储粉罐的底端，以用于将储粉罐内的粉末送出；多个半导体蓝色激光器设置在储粉罐的周侧，半导体蓝色激光器通过调整件与储粉罐连接，调整件用于调整多个半导体蓝色激光器的光束，以使多个半导体蓝色激光器的光束聚集在送粉管的出口下方。通过采用多个自由空间输出半导体蓝色激光器，半导体蓝色激光器未经过光纤耦合，而经由外部空间合束，合束后的光束仍然为矩形平顶光束，按合束的半导体蓝色激光器的数量成倍提升了激光功率，且采用中心送粉、同步熔覆的方式，大大提升了粉末的利用率。
附图说明
图1为本申请提供的蓝色激光增材制造装置的一实施例的结构示意图。
图2为图1另一视角的结构示意图。
图3为图1中送粉管的剖视图。
附图标记说明如下：
10、储粉罐；11、罐体；12、罐底；13、重力送粉阀门；14、气动送粉接口；20、送粉管；21、粉末流道；22、保护气罩；23、保护气接口；30、半导体蓝色激光器；40、调整组件；41、连接件；411、连接端；42、调整件；43、耳板；431、通孔；44、第一转轴；45、固定件；451、安装孔；A、光束；B、粉末流。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
本申请提供一种蓝色激光增材制造装置，以应于采用蓝光激光作为能量源的增材制造中。
请参阅图1，该蓝色激光增材制造装置包括储粉罐10、送粉管20和多个半导体蓝色激光器30，其中，送粉管20连接在所述储粉罐10的底端，多个半导体蓝色激光器30通过调整组件40设置在储粉罐10的周侧。
请参阅图2，储粉罐10用于储存增材制造中使用的粉末材料，具体地在本实施例中，储粉罐10包括圆柱形的罐体11以及连接在罐体11底端的倒圆锥形的罐底12，罐底12的锥尖部连接有送粉管20，如此则使得储粉罐10内的粉末更好的流动汇聚到送粉管20，再经送粉管20顺利送出。可以理解地是，储粉罐10还可以设置为其他的形状。
储粉罐10内设置有重力送粉器（图中未示出），重力送粉时，储粉罐10内的重力送粉器可以进行粉末流量调节，再经由储粉罐10底部的送粉管20送出粉末流B。
进一步地，请再参阅图1，储粉罐10内还设置有重力送粉阀门13和气动送粉接口14。具体地，重力送粉阀门13和气动送粉接口14设置在倒圆锥形罐底12的壁面上，气动送粉接口14位于重力送粉阀门13位于的下方。重力送粉阀门13用于关闭储粉罐10内重力送粉器的出粉通道，气动送粉接口14用于连接外部送粉管20道以实现气动送粉。在某些场合需要使用气动送粉，此时可关闭重力送粉阀门13，将外部送粉管20道插入气动送粉接口14，从而实现重力送粉向气动送粉的转换。
多个半导体蓝色激光器30设置在储粉罐10的周侧，半导体蓝色激光器30通过调整组件40与储粉罐10连接，且半导体蓝色激光器30的出光口朝下，调整组件40用于调整多个半导体蓝色激光器的光束A，以使半导体蓝色激光器的光束A聚集在送粉管20的出口下方。优选地，多个半导体蓝色激光器30均布在所述储粉罐10的周侧。通过采用多路自由空间输出半导体蓝色激光器30，未经过光纤耦合，而经由外部空间合束，合束后的光束A仍然为矩形平顶光束A，按合束的半导体蓝色激光器30的数量成倍提升了激光功率。且通过在储粉罐10外周设置多个半导体蓝色激光器30，采用了中心送粉、同步熔覆的方式，避免了不同方向粉流的相互撞击散射，增材制造过程中粉末飞溅小，大大提升了粉末的利用率，并可在气动送粉和重力送粉间简易进行切换。
请参阅图1和图2，调整组件40包括连接件41和多个调整件42，连接件41固定在储粉罐10的外表面，调整件42固定在半导体蓝色激光器30的外表面。连接件41设置有第一转轴44，第一转轴44与储粉罐10的轴向垂直，调整件42通过第一转轴44可转动地连接于连接件41。通过将调整件42绕第一转轴44转动，可以实现自由调节所述半导体蓝色激光器30的光束A的聚集位置与所述送粉管20出口下方的直线距离，满足不同工艺的需求。
具体地在本实施例中，调整组件40包括连接件41、多个调整件42和耳板43。半导体蓝色激光器30为两个，相应地调整件42为两个，连接件41为C型结构，C型的连接件41的开口两端分别向外侧延伸形成与调整件42连接的连接端411。调整件42为U型结构，半导体蓝色激光器30固定于U型的调整件42内，调整件42的U型开口相对的一端与连接件41的连接端411可转动连接。耳板43的通孔431内贯穿设置有第一转轴44，第一转轴44与储粉罐10的轴向垂直，调整件42通过第一转轴44实现与耳板43的转动连接；连接件41的连接端411设置有与储粉罐10轴向平行的第二转轴（图中未示出），耳板43与通孔431相对的一端通过第二转轴与连接件41的连接端411转动连接。调整件42与耳板43配合调整两路半导体蓝色激光器30的光束A组合出不同的合束形状。
例如，在某些工艺场合需要使用长而窄的条形光斑进行熔覆，可以将两个半导体蓝色激光器30分别通过各自连接的耳板43绕第二转轴向相反的方向转动，以得到一前一后两个位置的光束A；再通过分别调整两个半导体蓝色激光器30的调整件42绕第一转轴44转动，将一前一后两个位置的光束A调整到同一轴线，并且使合束的光斑位于送粉管20的出口下方，如此则得到了合束后的条形光斑。因此，通过调节耳板43和调整件42进而调节对汇聚光束A的位置以实现对光束A合束后的简单整形。
可以理解地是，连接件41还可以设置为其他的形状，例如，连接件41设置为环状，将环状的连接件41套设并固定在储粉罐10的外周，连接件41的外表面向外凸设形成与多个半导体蓝色激光器30数量对应的多个连接端411。在不同的使用场合下，通过设置不同数量的半导体蓝色激光器30，再调整耳板43和调整件42，可以组合出任意的合束形状。
进一步地，所述调整组件40还包括固定件45，固定件45固定在连接件41的外表面，以用于将该蓝色激光增材制造装置与外部设备固定。具体地，固定件45为圆形，其开设有多个用于实施固定的安装孔451。
请参阅图3，送粉管20与储粉罐10底端连通，以用于将储粉罐10内的粉末送出。送粉管20包括粉末流道21、保护气罩22以及保护气接口23。粉末流道21连通储粉罐10的底端，保护气罩22环设于粉末流道21外周，粉末流道21的出口端露出在保护气罩22之外，保护气接口23与保护气罩22相连通，并设置在保护气罩22的靠近储粉罐10的一端，保护气接口23用于连接外部气体装置。经保护气接口23通入外部气体装置输送的惰性气体，使惰性气体充满保护气罩22，可以对粉末流道21内的粉流起到防氧化的作用，且惰性气体还可以对粉末流道21进行冷却，防止粉末粘连。
本发明提一种蓝色激光增材制造装置，其包括储粉罐10、送粉管20和多个半导体蓝色激光器30。其中，送粉管20连接在储粉罐10的底端，以用于将储粉罐10内的粉末送出；多个半导体蓝色激光器30设置在储粉罐10的周侧，半导体蓝色激光器30通过调整件42与储粉罐10连接，调整件42用于调整多个半导体蓝色激光器的光束A，以使多个半导体蓝色激光器的光束A聚集在送粉管20的出口下方。通过采用多个自由空间输出半导体蓝色激光器30，半导体蓝色激光器30未经过光纤耦合，而经由外部空间合束，合束后的光束A仍然为矩形平顶光束A，按合束的半导体蓝色激光器30的数量成倍提升了激光功率，且采用中心送粉、同步熔覆的方式，大大提升了粉末的利用率。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种蓝色激光增材制造装置，其特征在于，包括：
储粉罐；
送粉管，其连接在所述储粉罐的底端，以用于将所述储粉罐内的粉末送出；
多个半导体蓝色激光器，其设置在所述储粉罐的周侧，所述半导体蓝色激光器通过调整组件与所述储粉罐连接，所述调整组件用于调整多个所述半导体蓝色激光器的光束，以使多个所述半导体蓝色激光器的光束聚集在所述送粉管的出口下方；
所述送粉管包括粉末流道、环设于所述粉末流道的保护气罩以及与所述保护气罩连通的保护气接口；
所述调整组件包括固定于所述储粉罐的外表面的连接件和多个用于固定所述半导体蓝色激光器的调整件，所述连接件设置有第一转轴，所述第一转轴与所述储粉罐的轴向垂直，所述调整件通过所述第一转轴可转动地连接于所述连接件，通过将所述调整件绕所述第一转轴转动，以调整所述半导体蓝色激光器的光束聚集位置与所述送粉管出口下方的直线距离；
所述调整组件还包括固定于所述储粉罐的外表面的连接件、多个用于固定所述半导体蓝色激光器的调整件以及分别连接所述连接件和所述调整件的耳板；
其中，所述耳板的通孔内贯穿设置有第一转轴，所述第一转轴与所述储粉罐的轴向垂直，所述调整件通过所述第一转轴可转动地连接于所述耳板；所述连接件设置有与所述储粉罐轴向平行设置的第二转轴，所述耳板与所述通孔相对的一端通过所述第二转轴可转动地连接于所述连接件；所述调整件与所述耳板配合调整多个所述半导体蓝色激光器的光束组合出不同的合束形状；
所述调整组件还包括固定件，所述固定件固定在所述连接件的外表面，以用于将所述蓝色激光增材制造装置与外部设备固定。
2.根据权利要求1所述的蓝色激光增材制造装置，其特征在于，所述储粉罐内设置有重力送粉机，以用于对粉末进行流量调整。
3.根据权利要求2所述的蓝色激光增材制造装置，其特征在于，所述储粉罐设置有重力送粉阀门和气动送粉接口，所述气动送粉接口位于所述重力送粉阀门的下方，所述气动送粉接口用于连接外部送粉管道进而实现气动送粉。
4.根据权利要求1所述的蓝色激光增材制造装置，其特征在于，多个所述半导体蓝色激光器均布在所述储粉罐的周侧。
5.根据权利要求4所述的蓝色激光增材制造装置，其特征在于，所述半导体蓝色激光器为两个。
6.根据权利要求1所述的蓝色激光增材制造装置，其特征在于，所述储粉罐包括圆柱形的罐体和连接于所述罐体底端的倒圆锥形的罐底，所述罐底与所述送粉管连通。
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