[发明专利]一种激光加热3D打印系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种激光加热3D打印系统及控制方法，包括：激光加热组件、打印平台、振镜、场镜、打印腔、打印激光束a和加热激光束b；激光加热组件包括前后镜筒、阵列镜片A、平凸透镜B、径向调整凸轮，套设在后镜筒上的轴向调整凸轮、轴向调整镜座和轴向凸轮压圈；套在轴向调整镜座上的平凹透镜C、CD隔圈、平凹透镜D和后压圈，使得后镜筒的径向运动转换成平凹透镜C和平凹透镜D的径向移动，进而实现微调平凹透镜C和D偏离中心的量。本发明仅通过独立的激光器和加热组件加热打印粉末就实现了加热区域温度场的控制，解决了传统底板加热温度上升慢，加热温度不高，温控不及时及加热功率低等问题，实现了精准控温的目标。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体而言，涉及一种激光加热3D打印系统及其控制方法。

背景技术

激光打印作为一种增材制造技术，具有较高的打印精度和打印速度，材料适用范围广。与传统加工方式相比，3D打印机具有可节省加工原料、无需对加工废料进行后处理等优势。激光烧结成型利用分层叠加原理，把模型分解成平面，通过粉末作为原料把平面堆积成三维模型，由于烧结过程中原料可以重复利用，具有很好的加工经济性。但是在金属烧结过程中会产生热应力和热变形，造成零件翘边、开裂，究其原因，主要是由于未烧结的粉末和烧结粉末之间存在温度差。

现有的金属3D打印机为解决热应力和热变形，通常采用加热的方式降低激光烧结位置和周围粉末的温度差，现有的3D打印机在成型缸的打印平台下方增设加热元件，并通过热电偶等温度测量原件进行控制。这种加热方式，由于需要通过金属底板进行热传导，测量温度和打印粉末温度差距较大，并且随着打印的进行，打印粉体表面温度由于热传导的影响，粉末表面的温度会越来越低。也有采用激光加热的方案进行后处理，但是该方案均需要通过振镜，打印和加热均通过振镜降低了打印效率，而且在使用高功率激光时，振镜镜片的可靠性极低，成本较高。此外，该方式未在打印前对打印粉末进行加热处理，在大尺寸零件的打印过程中不能有效地对打印前的粉末进行预热处理，通常需要加装底板预热装置，使得设备成本增加，并且影响了打印质量。

因此，如何消除这种温度差，大幅降低制件的热应力和热变形，减少开裂，降低粉体的气体残留，成为目前亟需解决的方案。

发明内容

本发明旨在提供一种激光加热3D打印系统及其控制方法，其能够针对烧结原料粉体表面进行加热和控制，利用激光将粉末逐层融化堆积成型，从而达到提高制件精度、表面质量和机械性能的目的。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种激光加热3D打印系统，包括：激光加热组件、打印平台、振镜、场镜和打印腔、打印激光束和加热激光束；所述激光加热组件包括前镜筒、后镜筒、阵列镜片A、平凸透镜B、径向调整凸轮，套设在后镜筒上的轴向调整凸轮、轴向调整镜座和轴向凸轮压圈；以及套在轴向调整镜座上的平凹透镜C、CD隔圈、平凹透镜D和后压圈，以使得后镜筒的径向运动转换成平凹透镜C和平凹透镜D的径向移动，进而实现微调平凹透镜C和平凹透镜D偏离中心的量。

根据本发明，所述阵列镜片A与平凸透镜B之间的空气距为15mm；所述平凸透镜B和平凹透镜C之间的空气距为40-61mm，优选的空气距为50.8mm；平凹透镜C和平凹透镜D之间的空气距为9.47mm。

根据本发明，所述激光加热组件还包括阵列镜片A的镜片压圈，其设置在前镜筒上，与前镜筒通过螺纹联结，配置为用于固定阵列镜片A。优选地，阵列镜片A S1面为平面，S2面pitch为300μm，F＝1.62。

根据本发明，所述平凸透镜B的S3面曲率半径为34.8mm，中心厚度为4.4mm，S4面为平面。具体地，所述平凹透镜C的S5面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S6面为平面。所述平凹透镜D的S7面的曲率半径为-30.58mm，中心厚度为3mm，S8面为平面。

根据本发明，所述激光加热组件还包括平凸透镜B的镜片压圈、窗口片和窗口片压圈，平凸透镜B的镜片压圈设置在前镜筒上，与前镜筒通过螺纹连接，配置为用于固定平凸透镜B。