CN203282706U - 采用小型大功率激光源的3d激光打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D打印领域，具体涉及激光3D打印领域。采用小型大功率激光源的3D激光打印机包括一激光光源、一打印平台，以及一打印执行机构，激光光源采用一电子束激发激光光源，电子束激发激光光源包括一电致发光半导体机构，还包括一激励源，激励源采用一电子枪系统；电致发光半导体机构设置在电子枪系统的靶向方向上，电致发光半导体机构连接一电极；电子束激发激光光源还设有一用于透射出光线的光出射口。可减小设备体积、降低功耗并且提高了特定波段紫外光的纯度。能够解决原有的3D激光打印机中的激光光源功率小、使用寿命短的问题。可以大大提高工作效率。

Description

采用小型大功率激光源的3D激光打印机

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，具体涉及激光3D打印领域。 

背景技术

3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。 

3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。 

有人认为3D打印机将掀起又一次工业革命。 

3D打印机有多种类型，其中性价比最高的优选3D激光打印机。美国麻省理工学院向外界展示了他们最新研制的3D打印设备“Form1”。这类激光3D打印设备和现有同类型设备之间的主要区别在于被打印物体的成型方式上，可以获得更精准的打印效果。 

研究人员称，目前市面上销售的家用3D打印机都是采用将融化的ABS塑胶进行压缩后再按照图纸完成逐层的喷涂固化过程，但Form1则采用了更加先进的SLA立体雕刻工艺，该工艺也被称为“光敏树脂选择性固化”技术，这项技术的最大特点就在于，它拥有更高的打印精度。 

3D激光打印机虽然前景很好，但是仍然存在诸多需要改进的地方。比如打印速度慢、设备维护成本高等问题。3D激光打印机中的激光光源对其性能存在至关重要的影响。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种采用小型大功率激光源的3D激光打印机，解决以上技术问题。 

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现： 

采用小型大功率激光源的3D激光打印机包括一激光光源、一打印平台，以及一打印执行机构，其特征在于： 

所述激光光源采用一电子束激发激光光源，所述电子束激发激光光源包括一电致发光半导体机构，还包括一激励源，所述激励源采用一电子枪系统； 

所述电致发光半导体机构设置在所述电子枪系统的靶向方向上，所述电致发光半导体机构连接一电极； 

所述电子束激发激光光源还设有一用于透射出光线的光出射口。 

通过将传统的3D激光打印机中的激光光源替换为新型的电子束激发激光光源，减小设备体积、降低功耗并且提高了特定波段紫外光的纯度。能够解决原有的3D激光打印机中的激光光源功率小、使用寿命短的问题。可以大大提高工作效率。 

电子束激发激光光源通过电子束为电致发光半导体机构提供电流，并通过所述电极形成电流回路。 

所述打印执行机构设有一用于调整激光照射位置的激光照射调整机构，所述电子束激发激光光源的光出射口设置在所述激光照射调整机构上。以便于调整激光照射位置。 

所述电子束激发激光光源可以为发射紫外线的紫外电子束激发激光光源，所述电致发光半导体机构采用紫外电致发光半导体机构。以便更加适用于采用光固化原理的3D激光打印机。 

所述电子束激发激光光源也可以为发射红外线的红外电子束激发激光光源，所述电致发光半导体机构采用红外电致发光半导体机构。以便用于采用热固化或熔结原理的3D激光打印机。 

所述采用小型大功率激光源的3D激光打印机还包括一电源系统，所述电源系统设有一蓄电池，和与所述蓄电池连接的充电电路。以便于移动使用。 

所述电致发光半导体机构生成在一反光金属层上，并所述反光金属层连 接所述电极。所发出的紫外光线经过反射后从光出射口射出。 

或者，所述电致发光半导体机构生成在一导电透明基片上，并将所述导电透明基片连接所述电极。所发出的紫外线经过所述导电透明基片透射后，从所述光出射口射出。 

所述电致发光半导体机构包含至少两层层叠的电致发光半导体层，构成半导体发光结构。 

这些电致发光半导体层的材料可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。这些电致发光半导体层可以是有应变的，也可以是没有应变的。 

相邻的两层所述电致发光半导体层为禁带宽度不同的电致发光半导体层，从而在新组成的材料的能带结构上形成单势能阱或是多势能阱的结构。以便于提高转换效率和调控光的波长。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提高转换效率的目的。 

所述半导体发光结构包括至少两种不同材质的所述电致发光半导体层，且包含至少三层所述电致发光半导体层，相邻的两层所述电致发光半导体层为不同材质的所述电致发光半导体层。 

具体的可以为：所述半导体发光结构包括两种不同材质的所述电致发光半导体层，且包含至少三层所述电致发光半导体层，相邻的两层所述电致发光半导体层为不同材质的所述电致发光半导体层，即，两种材质的所述电致发光半导体层交替排列构成层叠式结构。 

每层所述高禁带半导体层的厚度为1纳米～50纳米。 

至少两层所述电致发光半导体层层叠构成所述半导体发光结构，所述半导体发光结构的厚度大于等于10nm。厚度也可以根据波段和功率的需要来具体设计。 

所述电致发光半导体机构依次为第一限制层、至少两层所述电致发光半导体层、第二限制层，以及所述反光金属层，所述反光金属层上设有反光层；所述反光层的反射方向朝向所述光出射口；所述第一限制层朝向所述电子枪方向。光线穿过透光的光出射口发射到外界。 

所述电致发光半导体机构还可以是一半导体激光谐振腔，所述半导体激光谐振腔内设有半导体结构，所述半导体结构生成在所述衬底上，所述衬上 设有一层高禁带半导体层，所述高禁带半导体层上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层。 

选择禁带宽度不同的半导体层，从而组成新的结构的能带结构上形成势能阱结构。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提高转换效率的目的。 

所述半导体结构包括至少两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层。 

具体的可以为：所述半导体结构包括两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层，即，两种材质的所述高禁带半导体层交替排列构成层叠式结构。 

每层所述高禁带半导体层的厚度为1纳米～50纳米。 

至少两层所述高禁带半导体层层叠构成所述半导体结构，所述半导体结构的厚度大于等于10nm。厚度也可以根据波段和功率的需要来具体设计。 

所述半导体结构中包括至少两层氮化铝或氮化镓材质的高禁带半导体层； 

所述半导体结构中，还包括一层ZnMgSSe材质的高禁带半导体层。 

半导体材质可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。高禁带半导体层可以是有应变的，也可以是没有应变的。为了提高转换效率和调控激光的波长。 

在所述半导体结构一端设有高反射镜，另一端设有一低反射镜，所述低反射镜外侧还设有一透明基片。以高反射镜、低反射镜中的一个作为所述衬底。 

所述电子枪系统包括一真空腔室，自所述真空腔室一端向另一端依次排布有电子枪、电学控制机构、电磁聚焦机构、电磁偏转扫描机构、电致发光半导体机构、光出射口。 

所述光出射口位于所述真空腔室侧面，所述反光金属层的反射方向朝向所述光出射口。以便于光线出射。 

所述电子枪发出的电子束依次经过电学控制机构、电磁聚焦机构、电磁偏转扫描机构，形成呈现扫描状态的高能电子束，打入所述电致发光半导体机构，为光发射提供能量。 

所述电子枪发出的电子束也可以工作在脉冲发射状态或是连续发射状态。这些工作状态的选取是根据发光材料的性能以及发光管的具体应用来决定的。 

高能电子束携带的能量可以使它穿过作为靶的电致发光半导体机构的表面到达能产生光的半导体发光结构。高能电子束会把能量传递给半导体材质中的束缚电子，从而产生自由的电子--空穴对。在半导体材质结构比较完整的情况下，这样产生出的自由电子--空穴对将复合而产生光子。 

所述电子枪设有发射电子的阴极，所述阴极可以是金属、氧化物、各种纳米管等材料构成的阴极。 

电学控制机构可以为一高压电加速机构，用于将电子束加速，提高能量。 

所述电磁偏转扫描机构连接有用于一扫描控制系统，所述扫描控制系统控制所述电磁偏转扫描机构，进而通过所述电磁偏转扫描机构控制电子束的发射方向，进而使电子束打在所述电致发光半导体机构的不同位置，使电致发光半导体机构中半导体发光结构的不同位置发光，避免所述半导体发光结构因为一个位置长时间发光而造成过热。 

所述电磁偏转扫描机构还可以采用静电电子偏转系统。通过静电提供偏转能量，并进行偏转控制。 

所述衬底下方设有一散热底座，所述散热底座连接一循环冷却系统，所述循环冷却系统包括散热管、热交换系统、冷却液，所述散热管埋设在所述散热底座内；所述冷却液设置在所述散热管内，所述热交换系统连接所述散热管的入口和出口。冷却液通过散热管流经散热底座，散热底座被冷却，进而半导体发光结构被冷却，冷却液温度上升，升温的冷却液从出口离开周边散热管，从而进入热交换系统，进行冷却和冷却液重新循环。 

所述冷却液采用绝缘、透明的冷却液。以便循环冷却系统隔离高电压，省去了其他电隔离系统的设置。所述冷却液可以采用介质冷却液，如3M公司制造的Fluorinert，也可以采用全氟液体或其他非导电流体。 

附图说明

图1为本实用新型的电致发光半导体机构结构示意图； 

图2为本实用新型的反射式整体结构示意图； 

图3为本实用新型的另一种电致发光半导体机构结构示意图； 

图4为本实用新型的透射式整体结构示意图。 

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。 

参照图2、图4，采用小型大功率激光源的3D激光打印机包括一激光光源、一打印平台，以及一打印执行机构。激光光源采用一电子束激发激光光源，电子束激发激光光源包括一电致发光半导体机构1，还包括一激励源，激励源采用一电子枪系统2；电致发光半导体机构1设置在电子枪系统2的靶向方向上，电致发光半导体机构1连接一电极；电子束激发激光光源还设有一用于透射出光线的光出射口25。 

通过将传统的3D激光打印机中的激光光源替换为新型的电子束激发激光光源，减小设备体积、降低功耗并且提高了特定波段紫外光的纯度。能够解决原有的3D激光打印机中的激光光源功率小、使用寿命短的问题。可以大大提高工作效率。 

电子束激发激光光源通过电子束为电致发光半导体机构1提供电流，并通过电极形成电流回路。打印执行机构设有一用于调整激光照射位置的激光照射调整机构，电子束激发激光光源的光出射口设置在激光照射调整机构上。以便于调整激光照射位置。 

电子束激发激光光源可以为发射紫外线的紫外电子束激发激光光源，电致发光半导体机构采用紫外电致发光半导体机构。以便更加适用于采用光固化原理的3D激光打印机。电子束激发激光光源也可以为发射红外线的红外电子束激发激光光源，电致发光半导体机构采用红外电致发光半导体机构。以便用于采用热固化或熔结原理的3D激光打印机。 

采用小型大功率激光源的3D激光打印机还包括一电源系统，电源系统设 有一蓄电池，和与蓄电池连接的充电电路。以便于移动使用。 

电子枪21设有发射电子的阴极，阴极可以是金属、氧化物、各种纳米管等材料构成的阴极。 

电学控制机构22可以为一高压电加速机构，用于将电子束加速，提高能量，或者只是调整和控制电子束方向。 

电磁偏转扫描机构24连接有用于一扫描控制系统，扫描控制系统控制电磁偏转扫描机构24，进而通过电磁偏转扫描机构24控制电子束的发射方向，进而使电子束打在电致发光半导体机构1的不同位置，使电致发光半导体机构1中半导体发光结构的不同位置发光，避免半导体发光结构因为一个位置长时间发光而造成过热。 

电磁偏转扫描机构24还可以采用静电电子偏转系统。通过静电提供偏转能量，并进行偏转控制。 

衬底下方设有一散热底座3，散热底座3连接一循环冷却系统26，循环冷却系统26包括散热管、热交换系统、冷却液，散热管埋设在散热底座3内；冷却液设置在散热管内，热交换系统连接散热管的入口和出口。冷却液通过散热管流经散热底座3，散热底座3被冷却，进而半导体发光结构被冷却，冷却液温度上升，升温的冷却液从出口离开周边散热管，从而进入热交换系统，进行冷却和冷却液重新循环。 

冷却液采用绝缘、透明的冷却液。以便循环冷却系统26隔离高电压，省去了其他电隔离系统的设置。冷却液可以采用介质冷却液，如3M公司制造的Fluorinert，也可以采用全氟液体或其他非导电流体。 

具体实施例1： 

参照图1、图2，电致发光半导体机构1生成在一反光金属层14上，并反光金属层14连接电极。所发出的紫外光线经过反射后从光出射口25射出。 

电致发光半导体机构1包含至少两层层叠的电致发光半导体层12，构成半导体发光结构。 

这些电致发光半导体层12的材料可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。这些电致发光半导体层12可以是有应变的，也可以是没有应变的。 

相邻的两层电致发光半导体层12为禁带宽度不同的电致发光半导体层 12，从而在新组成的材料的能带结构上形成单势能阱或是多势能阱的结构。以便于提高转换效率和调控光的波长。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提高转换效率的目的。 

半导体发光结构包括至少两种不同材质的电致发光半导体层12，且包含至少三层电致发光半导体层12，相邻的两层电致发光半导体层12为不同材质的电致发光半导体层12。 

具体的可以为：半导体发光结构包括两种不同材质的电致发光半导体层12，且包含至少三层电致发光半导体层12，相邻的两层电致发光半导体层12为不同材质的电致发光半导体层12，即，两种材质的电致发光半导体层12交替排列构成层叠式结构。 

每层电致发光半导体层12的厚度为1纳米～50纳米。 

至少两层电致发光半导体层12层叠构成半导体发光结构，半导体发光结构的厚度大于等于10nm。厚度也可以根据波段和功率的需要来具体设计。 

电致发光半导体机构1依次为第一限制层11、至少两层电致发光半导体层12、第二限制层13，以及反光金属层14，反光金属层14上设有反光层；反光层的反射方向朝向光出射口25；第一限制层11朝向电子枪21方向。光线穿过透光的光出射口25发射到外界。 

具体实施例2： 

参照图3、图4，电致发光半导体机构1还可以是一半导体激光谐振腔，半导体激光谐振腔内设有半导体结构，半导体结构生成在衬底上，衬底上设有一层高禁带半导体层a11，高禁带半导体层a11上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层a12。或者，电致发光半导体机构1生成在一导电透明基片上，并将导电透明基片连接电极。所发出的紫外线经过导电透明基片透射后，从光出射口25射出。 

本发明选择禁带宽度不同的半导体层，从而组成新的结构的能带结构上形成势能阱结构。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提高转换效率的目的。 

半导体结构包括至少两种不同材质的高禁带半导体层a11、a12，且包含至少三层高禁带半导体层，相邻的两层高禁带半导体层a11、a12为不同材质 的高禁带半导体层。 

具体的可以为：半导体结构包括两种不同材质的高禁带半导体层，且包含至少三层高禁带半导体层，相邻的两层高禁带半导体层a11、a12为不同材质的高禁带半导体层，即，两种材质的高禁带半导体层交替排列构成层叠式结构。每层高禁带半导体层的厚度为10纳米～40纳米。至少两层高禁带半导体层a11、a12层叠构成半导体结构，半导体结构的厚度大于等于12nm。半导体结构的厚度根据所需的功率和波长来具体设计。 

半导体结构中包括至少两层III-V族半导体材质的高禁带半导体层11。具体的III-V族半导体材质可以为氮化铝、氮化镓等氮化物系的III-V族半导体材质。半导体结构中包括也可以是至少两层II-VI族半导体材质的高禁带半导体层a12。II-VI族半导体材质可以为ZnMgSSe系的II-VI族半导体材质。半导体材质可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。高禁带半导体层可以是有应变的，也可以是没有应变的。为了提高转换效率和调控激光的波长。 

在半导体结构一端设有高反射镜a13，另一端设有一低反射镜a14，低反射镜a14外侧还设有一透明基片a15。以高反射镜a13、低反射镜a14中的一个作为衬底。 

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (10)

1.采用小型大功率激光源的3D激光打印机包括一激光光源、一打印平台，以及一打印执行机构，其特征在于： 

所述激光光源采用一电子束激发激光光源，所述电子束激发激光光源包括一电致发光半导体机构，还包括一激励源，所述激励源采用一电子枪系统； 

所述电致发光半导体机构设置在所述电子枪系统的靶向方向上，所述电致发光半导体机构连接一电极； 

所述电子束激发激光光源还设有一用于透射出光线的光出射口。 

2.根据权利要求1所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述打印执行机构设有一用于调整激光照射位置的激光照射调整机构，所述电子束激发激光光源的光出射口设置在所述激光照射调整机构上。 

3.根据权利要求2所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述电子束激发激光光源为发射紫外线的紫外电子束激发激光光源，所述电致发光半导体机构采用紫外电致发光半导体机构。 

4.根据权利要求2所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述电子束激发激光光源为发射红外线的红外电子束激发激光光源，所述电致发光半导体机构采用红外电致发光半导体机构。 

5.根据权利要求1、2、3或4所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述采用小型大功率激光源的3D激光打印机还包括一电源系统，所述电源系统设有一蓄电池，和与所述蓄电池连接的充电电路。 

6.根据权利要求1、2、3或4所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述电致发光半导体机构是一半导体激光谐振腔。 

7.根据权利要求6所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述半导体激光谐振腔内设有半导体结构，所述半导体结构生成在所述衬底上，所述衬底上设有一层高禁带半导体层，所述高禁带半导体层上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层。 

8.根据权利要求7所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述半导体结构包括至少两种不同材质的所述高禁带半导体层， 且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层；每层所述高禁带半导体层的厚度为1纳米～50纳米。 

9.根据权利要求7所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述半导体结构中包括至少两层氮化铝或氮化镓材质的高禁带半导体层；所述半导体结构中，还包括一层ZnMgSSe材质的高禁带半导体层。 

10.根据权利要求7所述的采用小型大功率激光源的3D激光打印机，其特征在于：所述衬底下方设有一散热底座，所述散热底座连接一循环冷却系统，所述循环冷却系统包括散热管、热交换系统、冷却液，所述散热管埋设在所述散热底座内；所述冷却液设置在所述散热管内，所述热交换系统连接所述散热管的入口和出口。 

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