本发明专利技术提供一种喷粉式3D打印喷头，其包括可调节激光光斑直径的变光斑机构、中间连接机构、喷嘴机构及喷粉机构，所述变光斑机构通过所述中间连接机构和所述喷嘴机构相连接，所述喷嘴机构的喷嘴出口直径随着激光光斑直径的调节而改变，所述喷粉机构与所述喷嘴机构相连接，所述喷粉机构具有多个内径不同的喷粉管系统，所述多套喷粉管系统根据激光光斑直径的改变而进行适用性地切换。所述喷粉式3D打印喷头可在保证表面加工质量的同时，有效提高加工效率。本发明专利技术另外提供一种喷粉式3D打印喷头的控制方法，步骤简单，易于操作实现。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及3D打印
，尤其涉及一种喷粉式3D打印喷头及其控制方法。
技术介绍
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其中，以金属粉末为耗材的3D打印技术多采用激光熔覆成形技术(Laser cladding forming technology，LCF)，即喷粉式3D打印。喷粉式3D打印技术的工作原理是把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。该技术具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，可实现梯度功能、柔性化程度高、制造周期短、无模近终成形等。但是，该技术存在加工效率低等问题，且熔覆成形的堆积速度较低，约为0.1～4.1cm3/min，远低于传统加工方法的效率，特别在加工大尺寸零件以及实心零件时，这种缺陷更加明显，因此，如何提高喷粉式3D打印的效率是亟待解决的一个问题。现有研究基本采用变大激光光斑直径的方法来提高喷粉式3D打印的效率，研究表明，光斑直径增大一倍，成形效率可以提高90％以上，但增大光斑直径会严重影响零件成形质量，特别是零件表面质量，对于成形一些表面质量要求
比较高的零件，大光斑往往无法满足加工需求。因此，迫切需要设计一种光斑直径大小可调的装置。
技术实现思路
为克服现有喷粉式3D打印技术效率低的缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种喷粉式3D打印喷头，可在保证表面加工质量的同时，有效提高加工效率。一种喷粉式3D打印喷头，其包括可调节激光光斑直径的变光斑机构、中间连接机构、喷嘴机构及喷粉机构，所述变光斑机构通过所述中间连接机构和所述喷嘴机构相连接，所述喷嘴机构的喷嘴出口直径随着激光光斑直径的调节而改变，所述喷粉机构与所述喷嘴机构相连接，所述喷粉机构具有多个内径不同的喷粉管系统，所述多套喷粉管系统根据激光光斑直径的改变而进行适用性地切换。本专利技术一较佳实施方式中，所述变光斑机构为升降台离焦机构，所述升降台离焦机构包括激光头(1)、上连接套(2)、外壳(3)、升降台(4)、聚焦镜座(6)、聚焦镜(7)及升降台支架(8)，激光头(1)通过上连接套(2)与外壳(3)相连接，升降台(4)和升降台支架(8)可活动地连接，承载聚焦镜(7)的聚焦镜座(6)安装在升降台支架(8)上，聚焦镜(7)随着升降台4驱动升降台支架(8)的升降而沿垂直方向移动离焦。本专利技术一较佳实施方式中，所述升降台离焦机构还包括对聚焦镜(7)进行降温的水冷接头(5)，水冷接头(5)安装于聚焦镜座(6)。本专利技术一较佳实施方式中，所述变光斑机构为扩束镜扩束机构，所述扩束镜扩束机构包括激光头(1)、上连接套(2)、聚焦镜座(6)、聚焦镜(7)、扩束镜支架(24)、扩束镜(25)及电动旋转台(26)，激光头(1)通过上连接套
(2)与外壳(3)相连接，聚焦镜(7)承载于聚焦镜座(6)，扩束镜(25)安装在扩束镜支架(24)上，扩束镜支架(24)和电动旋转台(26)相连接，扩束镜支架(24)随着电动旋转台26的旋转而带动扩束镜(25)切入光路或切出光路，切入光路时扩束镜(25)位于聚焦镜(7)的正上方，切出光路时扩束镜(25)偏离聚焦镜(7)。本专利技术一较佳实施方式中，所述扩束镜扩束机构还包括对聚焦镜(7)进行降温的水冷接头(5)，水冷接头(5)安装于聚焦镜座(6)。本专利技术一较佳实施方式中，所述扩束镜扩束机构还包括对聚焦镜(7)进行对中调节的对中支架(27)，对中支架(27)安装于聚焦镜座(6)。本专利技术一较佳实施方式中，所述中间连接机构包括保护镜(9)、下连接套(10)、连接套筒(11)、滑动套筒(12)及调节螺母(13)，保护镜(9)安装在下连接套(10)的凹槽内，下连接套(10)的上端和所述变光斑机构的外壳(3)相连接，下连接套(10)的下端和连接套筒(11)相连接，连接套筒(11)具有两个长条凹槽，滑动套筒(12)的两个凸台卡入连接套筒(11)的两个长条凹槽内，调节螺母(13)套设在连接套筒(11)上，并顶紧滑动套筒(12)的两个凸台，所述变光斑机构与工作平面之间的工作距离随调节螺母(13)的调节而实时调整。本专利技术一较佳实施方式中，所述喷嘴机构包括激光喷嘴(14)、电磁铁(15)、中轴套筒(16)、铁滑块(17)、挡块(18)、连杆(19)及喷嘴挡块(20)，激光喷嘴(14)的上方和所述中间连接机构相连接，电磁铁(15)设置于连杆(19)的上端，且安装于中轴套筒(16)的两个凹槽内，中轴套筒(16)的上端通过螺纹连接安装在所述中间连接机构上，铁滑块(17)套设于中轴套筒(16)上，且位于连杆(19)的下端，挡块(18)拧紧在中轴套筒(16)上顶住铁滑块(17)，
喷嘴挡块(20)紧贴于激光喷嘴(14)的内侧，喷嘴挡块(20)通过连杆(19)铰接于中轴套筒(16)。本专利技术一较佳实施方式中，所述的喷嘴机构包括两个连杆(19)和四块扇形结构的喷嘴挡块(20)。本专利技术一较佳实施方式中，所述喷粉机构包括喷管架(21)和多个内径不同的喷粉管系统，每个所述喷粉管系统均具有多个喷粉管(22)，喷管架(21)连接于所述喷嘴机构，喷粉管(22)和喷管架(21)相连接。本专利技术一较佳实施方式中，所述喷粉机构包括三个内径不同的所述喷粉管系统，每个所述喷粉管系统均具有四个互成90度的喷粉管(22)，四个喷粉管(22)喷出的粉末汇聚于中心被激光作用形成熔池。本专利技术另外提供一种用于提高打印效率的喷粉式3D打印喷头的控制方法，其包括如下步骤：S101、控制变光斑机构改变激光光斑直径；S103、控制喷嘴机构的电磁铁处于对应喷嘴出口直径小的不上电状态或对应喷嘴出口直径大的通电状态；S105、控制喷粉机构的喷粉管系统根据激光光斑直径进行适应性地切换。相较于现有技术，本专利技术提供的喷粉式3D打印喷头利用其中的变光斑机构，可以实时调节激光光斑直径大小，实现有效提高喷粉式3D打印效率的情况下，满足不同加工质量的需求。同时，所述喷粉式3D打印喷头利用其中的喷粉机构，可以实现喷粉管和喷嘴出口直径大小的实时可调，随着激光光斑直径的改变，喷粉管和喷嘴出口直径大小实时改变以适应激光光斑直径尺寸的变化，高效利用粉末和中轴保护气，提高喷粉式3D打印的材料利用率。此外，本专利技术提供的喷粉式3D打印喷头的控制方法步骤简单，易于操作实现。附图说明图1为本专利技术第一实施例提供的喷粉式3D打印喷头中的变光斑机构为升降台离焦机构时的小光斑工作状态示意图；图2为图1所示喷粉式3D打印喷头中的变光斑机构为升降台离焦机构时的大光斑工作状态示意图；图3为本专利技术第一实施例提供的喷粉式3D打印喷头中的变光斑机构为扩束镜扩束机构时的小光斑工作状态示意图；图4为图3所示喷粉式3D打印喷头中的变光斑机构为扩束镜扩束机构时的大光斑工作状态示意图；图5为本专利技术第二实施例提供的喷粉式3D打印喷头的控制方法的流程图；图6为利用图5所示喷粉式3D打印喷头的控制方法进行零件加工的工作过程图。具体实本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述喷粉式3D打印喷头包括可调节激光光斑直径的变光斑机构、中间连接机构、喷嘴机构及喷粉机构，所述变光斑机构通过所述中间连接机构和所述喷嘴机构相连接，所述喷嘴机构的喷嘴出口直径随着激光光斑直径的调节而改变，所述喷粉机构与所述喷嘴机构相连接，所述喷粉机构具有多个内径不同的喷粉管系统，所述多个喷粉管系统根据激光光斑直径的改变而进行适用性地切换。
【技术特征摘要】
1.一种喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述喷粉式3D打印喷头包括可调节激光光斑直径的变光斑机构、中间连接机构、喷嘴机构及喷粉机构，所述变光斑机构通过所述中间连接机构和所述喷嘴机构相连接，所述喷嘴机构的喷嘴出口直径随着激光光斑直径的调节而改变，所述喷粉机构与所述喷嘴机构相连接，所述喷粉机构具有多个内径不同的喷粉管系统，所述多个喷粉管系统根据激光光斑直径的改变而进行适用性地切换。2.如权利要求1所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述变光斑机构为升降台离焦机构，所述升降台离焦机构包括激光头(1)、上连接套(2)、外壳(3)、升降台(4)、聚焦镜座(6)、聚焦镜(7)及升降台支架(8)，激光头(1)通过上连接套(2)与外壳(3)相连接，升降台(4)和升降台支架(8)可活动地连接，承载聚焦镜(7)的聚焦镜座(6)安装在升降台支架(8)上，聚焦镜(7)随着升降台(4)驱动升降台支架(8)的升降而沿垂直方向移动离焦。3.如权利要求2所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述升降台离焦机构还包括对聚焦镜(7)进行降温的水冷接头(5)，水冷接头(5)安装于聚焦镜座(6)。4.如权利要求1所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述变光斑机构为扩束镜扩束机构，所述扩束镜扩束机构包括激光头(1)、上连接套(2)、外壳(3)、聚焦镜座(6)、聚焦镜(7)、扩束镜支架(24)、扩束镜(25)及电动旋转台(26)，激光头(1)通过上连接套(2)与外壳(3)相连接，聚焦镜(7)承载于聚焦镜座(6)，扩束镜(25)安装在扩束镜支架(24)上，扩束镜支架(24)和电动旋转台(26)相连接，扩束镜支架(24)随着电动旋转台(26)的旋转而带动扩束镜(25)切入光路或切出光路，切入光路时扩束镜(25)位
\t于聚焦镜(7)的正上方，切出光路时扩束镜(25)偏离聚焦镜(7)。5.如权利要求4所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述扩束镜扩束机构还包括对聚焦镜(7)进行降温的水冷接头(5)，水冷接头(5)安装于聚焦镜座(6)。6.如权利要求4所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于，所述扩束镜扩束机构还包括对聚焦镜(7)进行对中调节的对中支架(27)，对中支架(27)安装于聚焦镜座(6)。7.如权利要求1所述的喷粉式3D打印喷头，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，杨小君，赵卫，贺斌，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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