CN206065685U - 激光切割和3d打印自由切换加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，包括送粉头和用激光熔化从送粉头喷出的粉末的3D打印头，送粉头连接有送粉系统，3D打印头与送粉头相邻布置；该装置还包括向3D打印头供能的激光器；它还包括由激光器供能的激光切割头，激光切割头与3D打印头相邻且并列布置，激光器的激光发射端与激光切割头、3D打印头之间设有能将一束激光分成两束的可调分束器，可调分束器能使激光切割头和3D打印头同时或单独工作。本实用新型的激光切割和3D打印自由切换加工装置，实现了激光切割和激光3D打印的功能一体化，不仅各路激光功率可调，还减少激光器的数量，降低了设备的成本，提高了设备的紧凑性。

Description

激光切割和3D打印自由切换加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光切割和3D打印自由切换加工装置。

背景技术

近年来以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术代表着新的制造技术掀起了第三次工业革命，受到社会各方面的广泛关注，并在工业制造、生物医疗、建筑、文物、文化创意等多个领域被尝试应用，给大家耳目一新的感觉。3D打印属于成型技术，是增材制造的一种。3D打印首先是在计算机上建立零件的三维CAD模型，而后利用软件进行分层切片，将零件的三维数据信息离散成一系列的二维轮廓信息，之后再利用3D打印设备通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。因此，从原理上讲，无论结构多么复杂的零件对于3D打印来说多可以加工，并且成本不增加。金属3D打印是整个3D打印体系中最前沿也是最具潜力和应用价值的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

金属3D打印产品时需要考虑生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等问题。所以需要考虑多种制造参数配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等，造成成型速度较慢，效率较低。而传统的减材加工方式采用切除的方法具有效率高，热影响小特点。将减材技术和增材制造思想相结合，开发新型加工成型的方法，不仅有利于提高加工速度和精度，而且容易实现加工过程自动化。

目前减材技术和增材制造相结合的方法主要包括增材技术和传统数控机床相结合，如CN201510796063.7(一种金属零件3D打印数控机床)、CN201510911945.3(一种金属激光3D处理设备)、CN201510796063.7(一种金属零件3D打印数控机床)、CN201510077392.6(一种新型综合性数控3D打印设备及使用方法)采用传统机床与激光堆砌相结合，但切削加工采用传统接触式加工，加工精度不高；另外一种如201420843821.7(一种激光3D快速成形装置)采用激光切割和激光3D打印相结合的办法，该方法提出激光切割和3D打印相结合，但是缺乏具体方案，仅以激光切割头和热熔打印头表示是通过激光实现上述加工方法，没有具体的激光器和相应的激光光路。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，实现激光切割和激光3D打印的功能一体化，不仅各路激光功率可调，还减少激光器的数量，降低了设备的成本，提高了设备的紧凑性。

为实现上述目的，本实用新型提供一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，包括送粉头和用激光熔化从所述送粉头喷出的粉末的3D打印头，所述送粉头连接有送粉系统，所述3D打印头与送粉头相邻布置，该装置还包括向3D打印头供能的激光器；它还包括由所述激光器供能的激光切割头，所述激光切割头与3D打印头相邻且并列布置，激光器的激光发射端与激光切割头、3D打印头之间设有能将一束激光分成两束的可调分束器，所述可调分束器为能使激光切割头和3D打印头同时或单独工作的结构。

作为本实用新型的进一步改进，所述可调分束器包括沿所述激光器射出激光方向依次布置的起偏器、半波片和偏振分光棱镜，其中，所述半波片为能通过绕激光轴向旋转来调节光束中P偏振与S偏振的分光比的结构，所述偏振分光棱镜为用于让所述P偏振光透射、S偏振光反射并形成两束激光的结构，所述激光切割头和3D打印头为分别由所述两束激光供能的结构。

作为本实用新型的更进一步改进，所述P偏振光和S偏振光的分光比为从1：99到99：1。

作为本实用新型的更进一步改进，所述可调分束器包括至少一个反射镜，所述反射镜为通过反射使所述两束激光分别射入所述相邻的激光切割头和3D打印头的结构。

作为本实用新型的更进一步改进，所述激光器的发射端朝向水平方向，所述反射镜包括沿S偏振光方向依次布置的第一反射镜和第二反射镜和第四反射镜，所述第一反射镜、第二反射镜和第四反射镜布置在同一高度，三者位于所述偏振分光棱镜和激光切割头之间，其中，激光切割头位于第四反射镜的正下方。

作为本实用新型的更进一步改进，所述反射镜包括沿P偏振光方向依次布置第三反射镜和第五反射镜，所述第三反射镜和第五反射镜布置在同一高度，两者位于所述偏振分光棱镜与所述3D打印头之间，其中，3D打印头位于第五反射镜的正下方。

作为本实用新型的更进一步改进，它包括三维工作平台，所述激光器、可调分束器、送粉头、3D打印头和激光切割头均安装在所述三维工作平台上。

作为本实用新型的更进一步改进，所述三维工作平台包括横向导轨、纵向导轨和两个竖向导轨，所述横向导轨为能沿所述纵向导轨方向移动的结构，横向导轨上设有能沿其导轨方向移动的固定架，所述激光器、可调分束器和两个竖向导轨均固定在所述固定架上，所述激光切割头和3D打印头为分别与其中一个竖向导轨相适配并能沿其上下移动的结构。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的激光切割和3D打印自由切换加工装置具有以下优点：

1、采用一种增材和减材相结合的混合加工方式，既可进行激光切割又能进行激光3D打印，使其具有激光切割速度快、效率高等特点，又具有3D打印的复杂零件加工能力，以及其柔性、个性化和多样化的特色，有利于提高零件的加工速度和精度，容易实现加工过程自动化；

2、可在成本较低的原材料基础上进行粗加工，通过激光切割去除多余的部分；零件中精度要求高、结构复杂及有特殊要求的部分则采用堆叠加工，这将大幅节省贵重的工件材料和降低加工成本，节约材料成本，减少加工的时间，又能保证零件重要部位的质量和精度；其具有材料选择范围广、材料价格便宜、成本低以及材料利用率高等特点；

3、采用可调分束器作为分光器件，旋转半波片调节接触面上P偏振和S偏振入射光的分量，能实现偏振光P：S分光比从1：99到99：1的变化，相应的功率大小随着偏振态变化，在激光加工与3D打印两种加工方式之间自由切换。同时解决了常规分光系统比例固定无法改变的问题，可同时或者单独进行激光切割和激光3D打印两种加工方式，切换简单快捷，两种加工方式所用激光功率也可按需调节，增加了设备的多功能性以及加工灵活性，实现多种组合的激光加工工艺；

4、用一个激光器实现两路激光输出，而且各路激光功率可调。解决常用的两个激光器提供光源，这样减少了激光器的数量，降低了设备的成本，同时也减少激光器所需空间，增加设备的紧凑性。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为激光切割和3D打印自由切换加工装置的分光原理示意图；

图2为激光切割头、3D打印头和送粉头的结构示意图；

图3为三维工作平台的结构示意图。

图中，1、激光器；2、起偏器；3、半波片；4、偏振分光棱镜；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、第三反射镜；8、第四反射镜；9、第五反射镜；10、第一竖向导轨；11、第二竖向导轨；12、横向导轨；13、第一纵向导轨；14、第二纵向导轨；15、激光切割头；16、3D打印头；17、送粉头；18、送粉系统；19、工件；20、固定架。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例。

实施例1

本实用新型的具体实施方式如图1至图3所示，一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，包括送粉头17和用激光熔化从所述送粉头17喷出的粉末的3D打印头16，送粉头17连接有送粉系统18，所述3D打印头16与送粉头17相邻布置，该装置还包括向3D打印头16供能的激光器1；它还包括由所述激光器1供能的激光切割头15，所述激光切割头15与3D打印头16相邻且并列布置，激光器1的激光发射端与激光切割头15、3D打印头16之间设有能将一束激光分成两束的可调分束器，所述可调分束器为能使激光切割头15和3D打印头16同时或单独工作的结构。

如图1所示，所述可调分束器包括沿所述激光器1射出激光方向依次布置的起偏器2、半波片3和偏振分光棱镜4。其中，所述半波片3安装于可以旋转的安装座中，其能通过绕激光轴向旋转来调节光束中P偏振与S偏振的分光比。偏振分光棱镜4用于让所述P偏振光透射、S偏振光反射从而形成两束激光的结构，两束激光的夹角为90°，所述激光切割头15和3D打印头16为分别由所述两束激光供能的结构。

P偏振光和S偏振光的分光比为从1：99到99：1。

旋转半波片3，改变线偏振光与半波片3光轴夹角，这样调节光束中就可以调节P偏振和S偏振的比例。在偏振分光棱镜4的接触面，P偏振光将透射，S偏振光将反射。通过选择半波片3的方向，调节接触面上P偏振和S偏振入射光的分量，从而实现偏振光P：S分光比从1：99到99：1的变化。

可调分束器包括至少一个反射镜，反射镜通过反射作用使两束激光射入相邻的激光切割头15和3D打印头16。

如图1所示，反射镜包括第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8和第五反射镜9，各反射镜的反射面法线均与激光路径呈45°夹角，从而能使激光方向偏转90°。激光器1水平布置，且与起偏器2、半波片3、偏振分光棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8和第五反射镜9位于同一高度。

所述第一反射镜5和第二反射镜6沿所述S偏振光路径位于所述偏振分光棱镜4和第四反射镜8之间。第一反射镜5和第二反射镜6的反射表面相对且相互垂直，其使S偏振光在水平方向上通过两次反射并到达第四反射镜8。第四反射镜8的反射表面朝向斜下方，其法线与水平面的夹角为45°，而激光切割头15位于第四反射镜8的正下方，第四反射镜8将S偏振光反射至激光切割头15内。在激光切割头15的聚焦下，激光从激光切割头15的下端射出，最后在工件19处形成焦点用于切割加工，如图2所示。

所述第三反射镜7沿所述P偏振光路径位于所述偏振分光棱镜4与第五反射镜9之间。第五反射镜9使P偏振光在水平方向上通过反射并到达第五反射镜9。第五反射镜9的反射表面朝向斜下方，其法线与水平面的夹角为45°，3D打印头16位于第五反射镜9的正下方，第五反射镜9将P偏振光反射至3D打印头16内。P偏振光从3D打印头16的下端射出，并在3D打印头16作用下聚焦于工件19工作面上。送粉系统18中送粉头17将合金粉末吹入焦点处，熔化的合金粉末在基材表面铺开，形成堆砌加工。其中，送粉头17侧向倾斜布置，如图2所示。

如图3所示，该激光切割和3D打印自由切换加工装置还包括三维工作平台。激光器1、可调分束器、送粉头17、3D打印头16和激光切割头15均安装在所述三维工作平台上。

三维工作平台包括两个相互平行且水平布置的第一纵向导轨13和第二纵向导轨14、垂直布置于两个纵向导轨之间的横向导轨12、两个与横向导轨12相互垂直的第一竖向导轨10和第二竖向导轨11。横向导轨12在电机驱动下能沿两个纵向导轨方向移动。横向导轨12上设有与其相适配的固定架20，固定架20在电机驱动下能沿横向导轨12方向移动。激光器1、可调分束器、第一竖向导轨10和第二竖向导轨11均固定在固定架上。激光切割头15与第一竖向导轨10相适配，在电机驱动下能沿其上下移动。送粉头17和3D打印头16均与第二竖向导轨11相适配，在电机驱动下能沿其上下移动。工作时，固定架20通过两个纵向导轨和横向导轨12的配合能在水平面上移动，激光切割头15和3D打印头16在两个竖向导轨的配合下能单独进行上下运动，从而根据需要实现同时或者单独进行激光切割和激光3D打印两种加工方式，切换简单快捷，两种加工方式所用激光功率也可按需调节，增加了设备的多功能性以及加工灵活性，实现多种组合的激光加工工艺。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，包括送粉头(17)和用激光熔化从所述送粉头(17)喷出的粉末的3D打印头(16)，所述送粉头(17)连接有送粉系统(18)，所述3D打印头(16)与送粉头(17)相邻布置，该装置还包括向3D打印头(16)供能的激光器(1)；其特征在于,它还包括由所述激光器(1)供能的激光切割头(15)，所述激光切割头(15)与3D打印头(16)相邻且并列布置，激光器(1)的激光发射端与激光切割头(15)、3D打印头(16)之间设有能将一束激光分成两束的可调分束器，所述可调分束器为能使激光切割头(15)和3D打印头(16)同时或单独工作的结构。

2.根据权利要求1所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述可调分束器包括沿所述激光器(1)射出激光方向依次布置的起偏器(2)、半波片(3)和偏振分光棱镜(4)，其中，所述半波片(3)为能通过绕激光轴向旋转来调节光束中P偏振与S偏振的分光比的结构，所述偏振分光棱镜(4)为用于让所述P偏振光透射、S偏振光反射并形成两束激光的结构，所述激光切割头(15)和3D打印头(16)为分别由所述两束激光供能的结构。

3.根据权利要求2所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述P偏振光和S偏振光的分光比为从1：99到99：1。

4.据权利要求2所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述可调分束器包括至少一个反射镜，所述反射镜为通过反射使所述两束激光分别射入所述相邻的激光切割头(15)和3D打印头(16)的结构。

5.据权利要求4所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述激光器(1)的发射端朝向水平方向，所述反射镜包括沿S偏振光方向依次布置的第一反射镜(5)和第二反射镜(6)和第四反射镜(8)，所述第一反射镜(5)、第二反射镜(6)和第四反射镜(8)布置在同一高度，三者位于所述偏振分光棱镜(4)和激光切割头(15)之间，其中，激光切割头(15)位于第四反射镜(8)的正下方。

6.据权利要求5所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述反射镜包括沿P偏振光方向依次布置第三反射镜(7)和第五反射镜(9)，所述第三反射镜(7)和第五反射镜(9)布置在同一高度，两者位于所述偏振分光棱镜(4)与所述3D打印头(16)之间，其中，3D打印头(16)位于第五反射镜(9)的正下方。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，它包括三维工作平台，所述激光器(1)、可调分束器、送粉头(17)、3D打印头(16)和激光切割头(15)均安装在所述三维工作平台上。

8.根据权利要求7所述的一种激光切割和3D打印自由切换加工装置，其特征在于，所述三维工作平台包括横向导轨、纵向导轨和两个竖向导轨，所述横向导轨为能沿所述纵向导轨方向移动的结构，横向导轨上设有能沿其导轨方向移动的固定架(20)，所述激光器(1)、可调分束器和两个竖向导轨均固定在所述固定架(20)上，所述激光切割头(15)和3D打印头(16)为分别与其中一个竖向导轨相适配并能沿其上下移动的结构。