[发明专利]二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法

说明书

本发明公开了一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列尾纤相连；半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端且位于打印控制平台的打印平台上方。本发明将单点控制的半导体激光阵列通过尾纤排列形成二维面阵激光输出，一次扫描打印一个二维面，将打印速度提升数一到两个数量级。

技术领域

本发明涉及激光3D打印技术领域，特别是一种二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法。

背景技术

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。

传统的金属材料的3D打印制造技术，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固，周边需要有送粉装置、惰性气体保护、喷头控制等来配套。加工过程是一个点堆积过程，对于一些较大工件的加工需要很长的加工时间，加工效率低下。目前实现金属3D打印的高功率激光器基本采用半导体激光器阵列整形技术主要集中在如何将半导体阵列耦合进光纤或者输出加工光束，通常以牺牲加工精度为代价来提高加工效率，因此，在传统金属材料的3D打印制造技术基础上进行研究，在不牺牲加工精度的情况下提高加工效率是非常有必要的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机，将二维半导体激光器阵列输出的激光经过整形后获得可进行单点控制的输出功率密度达到激光3D打印要求的线阵激光输出，再配以同轴送粉喷嘴，实现快速激光3D金属打印。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：

一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控制平台的打印平台上方。

进一步的，所述二维面阵光纤排列及整形装置包括二维阵列尾纤固定器、微透镜阵列、微透镜阵列支架、激光边界指示器及激光封口镜，其中，m×n个带有尾纤输出的半导体激光器阵列的尾纤通过二维阵列尾纤固定器固定为m×n的平行四边形，用于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜阵列包括m×n个微透镜，它们通过微透镜阵列支架安装在二维阵列尾纤固定器下方，实现每个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜安装在阵列微透镜支架的下端。

进一步的，所述二维阵列尾纤固定器包括固定板，该固定板上分布有多个排列为平行四边形的孔；相邻孔之间的纵向间隔即相邻行的距离为n×a，横向间隔即相邻列的距离为s×a，s为正整数，a为光斑直径。

进一步的，所述激光边界指示器包括4个安装在微透镜阵列的四角位置处的可见光半导体激光器。