CN208392651U - 3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种3D打印机，包括投影式激光加热系统，所述投影式激光加热系统包括用于铺设粉体材料的工作台、激光模组、投影组件和控制系统；所述激光模组包括红外激光器和用于调节所述红外激光器输出功率的激光调节装置；所述投影组件包括将所述激光调节装置调节后的激光光束投影到工作台以对铺设于所述工作台上的粉体材料进行加热的DMD芯片；所述控制系统控制所述激光调节装置和所述DMD芯片的投影形状。本实用新型技术方案可以利用DMD芯片进行激光投影加热进而实现熔融或烧结粉体材料进行3D打印。

Description

3D打印机

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，特别涉及一种3D打印机。

背景技术

自1960年美国加州Hughes实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光之后，因激光自身的特性，使其在多个领域得到快速发展，至1990年激光应用于制造业，仅用了三十年时间。激光的引入为制造业带来了新生，传统制造业中难以处理的高精细加工问题都可以利用激光完美的解决。

3D打印技术自1986美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机之后的发展给制造业带来了一个新的方向，随着近些年的发展，可采用3D打印的产品越来越多，3D打印涉足的制作领域也越来越广泛。其中，DLP(Digital Light Processing)数字光处理技术应用到3D打印之后可以对液态光敏树脂进行3D成型的加工，DLP平面投影辐射可以使光敏树脂快速成型，打印速度快，但目前3D打印中使用的DLP投影技术只能针对光敏树脂进行冷加工处理，不能对材料进行加热，适用范围过窄，材料成本高昂；还有SLS(SelectedLaser Sintering)激光选区熔融或烧结技术，3D打印的原料为粉末材料，对粉末材料进行点加热熔融或烧结，使其固化，需要将粉末材料加热至熔融状态，凝固冷却后取出。SLS技术在3D打印中可以适用多种原料，但是SLS技术是点式加热，路径扫描加热周期较长，制约3D打印的效率的提升。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种3D打印机，旨在解决DLP投影技术在3D打印机领域的应用局限于弱紫外光照射液态光敏树脂固化成型，不能适用于对粉末材料进行熔融或烧结固化的情形。

为实现上述目的，本实用新型提出的3D打印机包括投影式激光加热系统，所述投影式激光加热系统包括工作台、激光模组、投影组件和控制系统；所述激光模组包括红外激光器和用于调节所述红外激光器输出功率的激光调节装置；所述投影组件包括将所述激光调节装置调节后的激光光束投影到工作台以对所述工作台上铺设的粉体材料进行加热的DMD芯片；所述控制系统控制所述激光调节装置和所述DMD芯片的投影形状。

优选地，所述激光调节装置包括第一半波片和偏振分光镜，所述偏振分光镜具有第一出射方向和第二出射方向，且所述偏振分光镜将所述激光器产生的激光光束分为第一激光分量和第二激光分量，其中第二出射方向上设有功率计，第一出射方向指向所述投影组件。

优选地，所述第一半波片组件包括第一半波片和用于固定所述第一半波片且带动所述第一半波片旋转的第一旋转夹持组件，所述第一旋转夹持组件包括一级旋转夹持器和二级旋转夹持器，所述半波片固定在所述一级旋转夹持器上，所述一级旋转夹持器可转动的连接于所述二级旋转夹持器，所述一级旋转夹持器的角分辨率大于所述二级旋转夹持器的角分辨率。

优选地，所述3D打印机还包括第二半波片和第二旋转夹持组件，所述第二半波片安装于所述第二旋转夹持组件，所述第二旋转夹持组件设于所述偏振分光镜与所述投影组件之间，所述控制系统控制所述第二旋转夹持组件与所述第一旋转夹持组件配合，以控制所述DMD芯片的入射光的偏振方向平行于所述DMD芯片的微镜反射面。

优选地，所述3D打印机还包括分束镜组，所述投影组件至少包括3组；所述分束镜组设于所述激光模组和所述投影组件之间，以将所述激光模组输出的激光光束分成与所述投影组件对应的至少3束。

优选地，所述控制系统单独控制每组所述投影组件的DMD芯片，以控制每个所述DMD芯片的投影平面的形状和方向，使每个所述DMD芯片投影到所述作业台上的形状相同并且重合。

优选地，每个所述DMD芯片上均设有散热装置，每个所述散热装置均包括液氮循环冷却管路和贴设于所述DMD芯片的导热块，每个所述导热块均开设有通孔，所述通孔连接所述液氮循环冷却管路。

本实用新型技术方案通过采用红外激光器作为加热的输出光源，并通过DMD芯片将激光投影到工作台，降低了DMD芯片的发热量，使其可以用于投影式加热系统中，进而实现利用投影式激光加热系统进行物料加热熔融或烧结的3D打印。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型投影式激光加热系统的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	红外激光器	300	投影组件
200	第一半波片	301	DMD芯片
				201	第一旋转夹持组件	302	导热块
202	偏振分光镜	400	工作台
				203	功率计	401	预热装置
204	扩束镜组	500	控制设备

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

3D打印技术日益成熟，其应用也逐渐开始普遍，在3D打印领域，现在应用比较广泛的是利用DLP投影紫外光照射液态光敏树脂，使被照射区域内的光敏树脂固化，多层固化后形成3D打印产品。DLP投影的核心是DMD芯片，DMD芯片具有很多的微镜反射面(微镜反射面的数量和分辨率有关，例如，如需投影出4K分辨率的影像，则理论上至少需要4096×2160＝8847360个微镜反射面)，DMD的控制器可以单独控制每个微镜反射面的方向，精确投影出需要的图形。DLP投影技术主要应用于家用或商用投影，例如常见的投影仪和近些年出现的投影电视等。DLP投影技术在3D打印领域可以实现快速而精确的3D打印，但因为DLP投影的核心部件DMD芯片对光的吸收较多，投影光的功率较大时，DMD芯片会因高温而失效，所以，目前DLP投影技术在3D打印中的应用仅限于使用液态光敏树脂作为打印原材料的情况，不适用于使用粉末材料进行熔融或烧结固化从而实现3D打印的情形。为此，本实用新型提出一种投影式激光加热系统，以扩展DLP投影技术在3D打印中的应用范围。

请参照图1，本实用新型提出一种采用投影式激光加热系统进行熔融和烧结加热的3D打印机，其中的投影式激光加热系统包括红外激光器100、用于调节红外激光器100投影输出功率的激光功率调节装置、用于将经所述激光功率调节装置调节后的激光光束分成多束的分束镜组、用于将经分束镜分束后的激光光束进行投影的投影组件300和设有预热装置401的工作台400；其中，所述激光功率调节装置包括第一旋转夹持组件201、功率计203和在同一方向上依次排布的第一半波片200和偏振分光镜202；所述第一半波片200安装在所述第一旋转夹持组件201上；所述功率计203设在所述偏振分光镜202的一侧；所述投影组件300不少于三组；所述投影组件300分别设于所述分束镜组的出射方向，且每组投影组件300均包括一DMD芯片301；所述投影式激光加热系统还包括控制系统，所述控制系统控制所述第一旋转夹持组件201和所述DMD芯片301，且单独控制每个所述DMD芯片301的投影形状和方向，以使每个所述DMD芯片301投影到工作台400上的形状相同且重合。

具体的，本实施例中的激光器采用红外波段的激光器，且输出激光为线性偏振光。线形偏振光在通过半波片后，其偏振方向会发生旋转，且旋转角度为入射光偏振方向与半波片光轴夹角的两倍。因此可以利用半波片的旋转改变线形偏振光的偏振方向。偏振分光镜202可以将线形偏振光分成两束，一束是沿原方向传播的第一激光分量，另一束是偏离原方向的第二激光分量，其中，第一激光分量的功率为有效的加热输出功率，在不考虑损耗的情况下，第一激光分量和第二激光分量的功率之和等于入射到偏振分光镜202的光束的功率。功率计203检测第二激光分量的功率，并根据总功率得出第一激光分量的有效输出功率，而第一激光分量与第二激光分量的比值取决于入射到偏振分光镜202的光束的偏振方向与偏振分光镜202界面的夹角，因此可以通过改变半波片的光轴与入射光偏振方向的夹角来改变第一激光分量的输出功率。本实施例采用第一半波片200和第一旋转夹持组件201，在控制系统的控制下，第一旋转夹持组件201带动第一半波片200旋转，以改变第一半波片200光轴的方向，从而改变激光光束的偏振方向，进而利用偏振分光镜202改变第一激光分量的输出功率。

在其他实施例中，同样参照图1，还可以在偏振分光镜202与分束镜组之间增加扩束镜组204，功率调节后的第一激光分量通过扩束镜组204扩大光束的直径，以降低第一激光分量的功率密度。第一激光分量经扩束镜组204扩束后，再经分束镜组进行分束，将第一激光分量分成多束，进一步降低每束激光分量的功率密度，但同时保持第一激光分量的总功率不变。投影组件300与分束后的第一激光分量对应设置多组，每组投影组件300均包括一个DMD芯片301，以将第一激光分量的每束激光分量都投射到工作台400上。工作台400上设置预热装置401，将铺设于工作台的待加工粉末材料进行预热。

本实施例投影式加热系统具有一控制设备500，该控制设备500统一控制投影式加热系统。

控制系统集成了激光功率调节的控制和DMD芯片301的控制。控制系统根据预设的激光输出功率控制第一旋转夹持组件201的旋转，根据功率计203检测到的第二激光分量的功率确认第一激光分量的功率是否达到预设值。激光器本身产生的激光的偏振方向和功率固定，第一旋转夹持组件201处于初始位置时，第一激光分量的功率最小，也即是控制系统控制激光功率调节装置从有效输出功率最小时开始逐渐增大；控制系统单独控制每个DMD芯片301的微镜反射面。DMD芯片301投影的形状由微镜反射面的倾斜方向决定，DMD芯片301的微镜反射面的数量越多，其投影图形的分辨率越高。本实施例每个DMD芯片301在工作台400上的投影图形相同，控制系统控制每个DMD芯片301的微镜反射面使每个DMD芯片301在工作台400上的投影图形完全重合。

在其他实施例中，投影式激光加热系统也可以采用红外激光器100、激光功率调节装置、投影组件300作为一组激光输出源，整个系统设置多组激光输出源，且每组激光输出源在工作台400上的投影图形完全重合。

本实用新型技术方案通过采用红外激光器100产生的位于红外波段的激光光源作为能量输出源，可以有效减少DMD芯片301的微镜反射面对激光的吸收从而降低大功率光源射向MD芯片时，DMD芯片301的发热。DMD芯片301的微镜反射面采用的是金属铝，金属铝对电磁波的反射率随着电磁波波长的增大而增大，在红外波段，高纯度金属铝理论上的反射率可以达到100％，也即是吸收率为零。但工业应用中，难以达到理想条件，DMD芯片301即使投射红外波段的激光，仍然会存在一定的吸收问题，但其对红外波段电磁波的吸收率远远低于可见光可紫外波段的吸收率，因此，采用红外激光作为投影的输入光源，DMD芯片301因吸收而造成的功率损耗远远低于采用紫外波段作为输入光源时的功率损耗。投影式加热是对一个区域的加热，需要的功率很高，远远高于常规DLP投影的最大输入功率，而制约DLP投影的亮度的一个很重要的因素就是DMD芯片301的发热问题，作为最精密的光学元件，DMD芯片301一向以“娇贵”著称，其最高工作温度只有几十度，采用常规加热用的激光器照射DMD芯片301，可以将DMD芯片301瞬间融化，根本无法通过DMD芯片301将激光进行投射。本实施例所采用激光光源为红外激光光源，并且经过扩束镜组204的扩束和分束镜组的分束之后，其光功率密度密度大为减小，与此同时，加上DMD芯片301对红外光的高反射率，本实施例中高功率红外波段的激光光束照射到DMD芯片301之后，DMD芯片301仅会吸收极少一部分能量，可以通过可实现的散热方式进行散热而保持DMD芯片301在持续工作时，其温度不高于最大耐受温度，可以保持正常工作。

此外，为进一步降低DMD芯片301的发热，本实施例在工作台400上设置预热装置401对待加热的原料进行预热处理，将原料的温度进行加热，使原材料的温度处于熔融或烧结温度以下的一个范围之内，例如可以将原材料的温度加热到比熔融或烧结温度低10℃到℃，这样，激光投影加热使原料温度提高至熔融或烧结温度只需要较低的功率就可以快速实现，从而降低对激光光源功率的要求，可以采用功率较低的激光光源作为输出源，以进一步减少DMD芯片301的发热量。

经偏振分光镜202射出的第一激光分量为线形偏振光，反射介质对线形偏振光的反射率与入射角和偏振方向与反射面的夹角有关，在偏振方向平行于反射面时，吸收率最低，反射率最高。

在经过扩束镜组204和分束镜组之后，每束第一激光分量的偏振方向会有所变化，且根据DMD芯片301的设置位置，每束第一激光分量照射到DMD芯片301上时与DMD芯片301的微镜反射面的夹角会有所差异，在针对扩束镜组204和分束镜组对第一激光分量的偏振方向的影响而针对性的设置每个DMD芯片301的位置和角度时，可以通过调整偏振分光镜202的角度，使其以第一激光分量的光路为转轴旋转的方式同步调整每束第一激光分量，使经分束镜组分束后的每一束第一激光分量照射到DMD芯片301上时其偏振方向与对应的DMD芯片301的微镜反射面之间的夹角为零，进而进一步提高微镜反射面的反射率。为此，本实用新型提出另一实施例，通过在每束第一激光分量的光路上设置第二半波片和带动所述第二半波片以对应的每束第一激光分量的光路为轴旋转的第二旋转夹持组件的方式，单独调整每束第一激光分量的偏振方向与对应DMD芯片301的微镜反射面之间的夹角，使每一束第一激光分量射入到DMD芯片301时，其偏振方向与DMD芯片301的微镜反射面平行。

在对粉末状原料进行加热处理时，温度过高会影响熔融或烧结边缘的精细度，造成过度熔融或烧结在成品表面形成毛刺，而温度过低又会导致在预设时间内无法完成熔融或烧结，使成品表面产生缺口，因此投影式激光加热系统需要对投影激光的功率进行精确控制，本实用新型提出另一实施例，本实施例中的第一旋转夹持组件201包括一级旋转夹持器和二级旋转夹持器；第一半波片200固定在一级旋转夹持器上，一级旋转夹持器可转动的连接于所述二级旋转夹持器，且一级旋转夹持器的角分辨率大于所述二级旋转夹持器的角分辨率。

在红外激光器100本身的功率一定时，第一半波片200的旋转决定了本实用新型发投影式激光加热系统的有效输出功率，通过第一夹持组件的旋转带动第一半波片200的旋转实现输出功率的调节，其转动角度的控制精度决定了激光输出功率的准确度，为减小实现照射到工作台400上的激光功率与预设值的偏差，需要精确调节第一半波片200的旋转角度。本实施例通过设置两级不同角分辨率的旋转夹持器的方式，在满足快速调节功率的情况下，又可以实现精细化的功率调节，以减小实际输出功率与预设值的偏差，增加工作台400上熔融或烧结区域边缘的精细度，避免成品表面毛刺和缺口的产生。

本实用新型的DMD芯片301仅用于将第一激光分量通过反射的方式投射到工作台400上，而DMD芯片301的微镜反射面只能在与DMD芯片301表面呈±12°的两个位置偏转，因此当一个DMD芯片301全部的微镜反射面均与DMD芯片301表面呈12°夹角状态时，投影方向为第一投影方向，对应的投影区域为第一投影区域，当全部微镜反射面均与DMD芯片301表面呈-12°夹角时，投影方向为第二投影方向，对应的投影区域为第二投影区域。本实用新型每个DMD芯片301的第一投影区域均在工作台400内，并且，通过设置DMD的具体位置使每个DMD芯片301在工作台400上的每个第一投影区域完全重合。控制系统可以单独控制每个DMD芯片301在工作台400上的投影图形，并使每个DMD芯片301在工作台400上的投影图形重叠。此时，对应每束第一激光分量来说，工作台400上的投影图形与第一投影区域面积之比为有效加热功率与第一激光分量功率之比，在第一激光分量功率不变的情况下，工作台400上投影图形的投影功率密度不变。若第一激光分量功率为P，工作台400上的投影区域面积为S，工作中投影到工作台400上的图形的面积为S₀，则，投影到工作台400上的光功率密度为：ρ＝P/S，且加热速率正比于功率密度。此时，投影到第二投影区域内的功率为P₁＝P-ρS₀，在实际工作中，通常情况下S₀小于(S-S₀)，也即是通常情况下，投影第二投影区域的功率大于投影到第一投影区域的功率。

这部分投影到第二投影区域的功率除了造成浪费之外，还会影响整个投影式激光加热系统，因此需要对投影第二投影区域的光束进行处理。本实施例设置消光组件，用于消除投影到第二投影区域的光束。具体可以采用反光组件和光吸收组件组合的形式，光吸收组件贴设在工作台400的底部，反光组件可以设置多组的平面或曲面反射镜，将DMD芯片301投影到第二投影区域的光束反射到光吸收组件上，光吸收组件吸收这部分光束能量后温度升高，用于加热工作台400的底部，可以作为辅助加热，将这部分能力加以利用，使工作台400上粉末原料的熔融或烧结更加快速。

在上述实施例中，为实现投影式激光加热系统可以用于熔融或烧结常规的粉末材料，采用了红外波段波长的激光降低DMD芯片301的光吸收，增大激光束直径减小光功率密度，采用分束镜组进一步减小光功率密度，以实现DMD芯片301在正常工作温度范围内可以实现大功率的激光投影，但对于一些耐高温的待加工材料如金属陶瓷等，若实现金属和陶瓷等耐高温材料的熔融或烧结，需要更大功率的激光输出，此时，DMD芯片301的温度难易维持在正常工作温度范围内，本实施例采用液氮循环冷却系统对DMD芯片301进行散热，液氮循环冷却系统包括设于DMD芯片301背部的导热块302，导热块302中设有通孔，通孔连接液氮循环管路。在DMD芯片301温度升高到将要超出正常工作温度范围时，控制系统控制液氮循环系统启动液氮循环。液氮循环冷却装置设有储液罐，和循环泵，当启动循环时，液氮被泵入循环管路，通过导热块302将DMD芯片301上产生的热量快速传递出来，当终止液氮循环时，管路中的液氮回流入储液罐。本实施例中循环管路的管道为双层，内层供液态流动，外层与内层之间设有隔层，以防止外层管道在启动循环时凝露或结霜。同时本实施例采用CO₂脉冲激光器，CO₂激光器的激光波长为10.6μm，DMD芯片301的铝制微镜反射面在理论上对10.6μm的电磁辐射反射率可以达到100％，可以使DMD芯片301聚集的热量更少；而采用脉冲的方式进行加热是因为工作台400上待熔融或烧结材料为粉末状，其本身的导热较差，脉冲式激光仍然可以使待熔融或烧结材料温度上升至熔融或烧结温度，而DMD芯片301导热性良好，同样可以使待加工的粉末状材料熔融或烧结时，脉冲式激光更利于DMD芯片301保持较低的温度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括投影式激光加热系统，所述投影式激光加热系统包括：

工作台，用于铺设粉体材料的工作台；

激光模组，所述激光模组包括红外激光器和用于调节所述红外激光器输出功率的激光调节装置；

投影组件，所述投影组件包括DMD芯片，所述DMD芯片将所述激光调节装置调节后的激光光束投影到所述工作台，以对所述工作台上铺设的粉体材料进行加热；

控制系统，用于控制所述激光调节装置和所述DMD芯片的投影形状。

2.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述激光调节装置包括第一半波片和偏振分光镜，所述偏振分光镜具有第一出射方向和第二出射方向，且所述偏振分光镜将所述激光器产生的激光光束分为第一激光分量和第二激光分量，其中第二出射方向上设有功率计，第一出射方向指向所述投影组件。

3.如权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述第一半波片组件包括第一半波片和用于固定所述第一半波片且带动所述第一半波片旋转的第一旋转夹持组件，所述第一旋转夹持组件包括一级旋转夹持器和二级旋转夹持器，所述半波片固定在所述一级旋转夹持器上，所述一级旋转夹持器可转动的连接于所述二级旋转夹持器，所述一级旋转夹持器的角分辨率大于所述二级旋转夹持器的角分辨率。

4.如权利要求3所述的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机还包括第二半波片和第二旋转夹持组件，所述第二半波片安装于所述第二旋转夹持组件，所述第二旋转夹持组件设于所述偏振分光镜与所述投影组件之间，所述控制系统控制所述第二旋转夹持组件与所述第一旋转夹持组件配合，以控制所述DMD芯片的入射光的偏振方向平行于所述DMD芯片的微镜反射面。

5.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机还包括分束镜组，所述投影组件至少包括3组；所述分束镜组设于所述激光模组和所述投影组件之间，以将所述激光模组输出的激光光束分成与所述投影组件对应的至少3束。

6.如权利要求5所述的3D打印机，其特征在于，所述控制系统单独控制每组所述投影组件的DMD芯片，以控制每个所述DMD芯片的投影形状和方向，使每个所述DMD芯片投影到所述工作台上的形状相同并且重合。

7.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，每个所述DMD芯片上均设有散热装置，每个所述散热装置均包括液氮循环冷却管路和贴设于所述DMD芯片的导热块，每个所述导热块均开设有通孔，所述通孔连接所述液氮循环冷却管路。