[发明专利]一种送粉式激光3D打印光纤送粉头

说明书

技术领域

本发明属于送粉式激光3D打印技术领域，具体来说是一种送粉式激光3D打印光纤送粉头。

技术背景

3D打印技术，又称增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，是一项涉及物理、化学、材料科学与工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、机械工程、生物医学与工程等多学科交叉领域的前沿性先进制造技术。送粉式激光3D打印技术是在由快速原型制造技术和同步送料激光熔覆技术结合而发展起来的一项新的先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板上逐线、逐层熔覆堆积出任意形状的功能性三维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件。

目前，3D打印技术具有非常广泛的应用前景，被欧美发达国家誉为第三次工业革命的载体之一，将带动工业生产、新材料、精益制造等多个领域颠覆性的改变。但当前，常用送粉器存在着送粉精度不高、粉末利用率低、易堵塞、不能承受高功率等问题。

一套稳定实用的送粉头是决定3D打印成形精度和成形效率的关键，当前市场上主流送粉头在送粉精度及承载高功率方面存在较多不足，在实际加工中可以实现稳定承受3000W光纤激光器的送粉头较少，且在送粉精度和粉流喷射挺度上存在较大的不足。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种送粉式激光3D打印光纤送粉头。该送粉头将合金粉末同轴送达激光聚焦后的合适位置，并满足激光3D打印加工的工艺要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种送粉式激光3D打印光纤送粉头，包括依次同轴连接的窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段、连接套筒及喷粉嘴，所述连接套筒的内外侧设有双层冷却结构，激光束依次穿过窗口防护系统、伸缩套筒、对中装置、保护气输送段及连接套筒的中心孔，投射到加工面上，所述喷粉嘴从四周喷射粉流到光束内部，粉末快速熔凝实现成形加工，所述双层冷却结构用于冷却激光束周边的热辐射和载气粉流。

所述双层冷却结构包括内腔冷却层和外腔冷却层，所述内腔冷却层为设置于所述连接套筒内壁上的密封腔，用于直接冷却由于激光束周边的热辐射和激光束反射而造成的热积累，间接冷却载气粉流；所述外腔冷却层为设置于喷粉嘴外侧的密封腔，用于直接冷却载气粉流，并与内腔冷却层配合间接冷却激光束周边的热辐射和激光束反射而造成的热积累。

所述内腔冷却层设有进水接口和出水接口，所述进水接口和出水接口分别与两个内腔水冷管连接。

所述内腔冷却层上的进水接口和出水接口对称布设。

所述外腔冷却层与喷粉嘴螺纹连接。

所述窗口防护系统包括激光增透镜、保护镜架及锁紧装置，其中激光增透镜安装在保护镜架上，所述保护镜架通过锁紧装置与所述伸缩套筒连接；所述保护镜架的作用是定位及锁紧激光增透镜；所述激光增透镜的作用是防止成形过程产生的烟气、回弹粉末进入光纤送粉头之前的光路部分，而造成核心光学器件损坏。

所述伸缩套筒包括多个螺纹连接的套筒，通过旋转各套筒实现伸缩，所述伸缩套筒用于调节加工平面上激光光斑尺寸和离焦量。

所述对中装置包括支撑环和位置调节螺钉，所述伸缩套筒端部设有的轴肩容置于所述保护气输送段端部设有的凹槽内，所述支撑环与所述保护气输送段端部连接，使伸缩套筒与保护气输送段连接，所述保护气输送段端部外圆周上均布有多个与凹槽连通的对中螺纹孔，各对中螺纹孔内均设有一个与伸缩套筒接触的位置调节螺钉，通过调节位置调节螺钉，实现保护气输送段 相对与伸缩套筒发生位置变化，实现送粉头中心与激光光斑位置重合。

所述保护气输送段上对称设有两个充气孔，实现保护气与激光束的同轴输送，直接作用于熔池。

所述喷粉嘴为多个、并且均布于连接套筒的外侧。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明设计的送粉头采用两层冷却结构，内腔冷却层主要冷却激光光束周围，外腔冷却层主要冷却喷粉嘴。两套冷却层相互配合，提高了送粉头高功率激光的耐受度。

2.本发明的喷粉嘴采用高精密电火花工艺加工，具有较高的加工质量，且孔内壁具有较高表面粗糙度，提高了粉流的挺度和送粉精度。同时，喷粉嘴采用螺纹结构与外腔冷却层连接，方便喷粉嘴的拆装和更换。