激光选区熔化装置及3D打印机的制作方法

本发明涉及激光选区熔化金属3D打印技术领域，尤其是涉及一种激光选区熔化装置及3D打印机。

背景技术：

增材制造3D打印技术是一种以数字模型文件(CAD)为基础，运用粉末状金属、PVC、树脂、纤维等材料，通过熔融沉积、激光烧结、激光熔化、激光固化、激光熔覆的方式通过专用软件对CAD三维构型物体，进行切片降维，然后按片逐层打印物体的构造技术，是制造业中正在迅速发展的一项新兴技术，在英国《经济学人》杂志《第三次工业革命》一文中被称为第三次工业革命的重要标志之一。

激光选区熔化金属3D打印技术是在计算机程序的控制下利用高能量密度激光束进行扫描，将预先铺设好的金属粉末层进行选择性熔化并与基体冶金结合，然后不断逐层铺粉、扫描、熔化，最终完成三维金属零部件的制造过程，是目前增材制造领域应用较多的一种金属3D打印技术。该技术可制造复杂形状的金属零件，其成型件力学性能好、精度高，致密度达传统冶金制成件99％以上，在医疗、航空航天、军工、核电建设、产品研发等领域均有重要应用。

现有技术中的激光选区熔化3D打印机的激光光束通过激光振镜反射到金属粉末层对其进行选择性熔化，通过调节激光振镜的偏转角度来调节激光光束照射金属粉末层的位置，从而熔化不同位置处的金属粉末层。但由于受激光振镜偏转角度的限制，使得激光光束照射到金属粉末层的范围较小，使该工艺技术装备成型构件尺寸较小，严重制约该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

据已知的资料显示，目前世界运用激光选区熔化工艺设备成型的最大尺寸构件体积为长500mm×宽500mm×高500mm。2016年我国科技部对增材制造领域的科技攻关项目共下拨中央财政经费4亿元左右，其中对两项激光选区熔化工艺装备的科技攻关经费投入3850.00万元，其中一项就是攻关成形尺寸范围≥500mm×500mm×500mm的技术装备，该项目实施周期为5年。现在运用该技术设备成形尺寸范围超过500mm×500mm×500mm体积的大尺寸构件，已经成为世界各国抢占智能化高端制造技术制高点的重要竞争方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供激光选区熔化装置及3D打印机，以解决现有技术中存在的3D打印机能够成型的构成件尺寸较小的技术问题。

本发明提供的一种激光选区熔化装置，所述激光选区熔化装置包括：固定座、驱动机构、第一转动机构、旋转臂以及机械臂；所述旋转臂的一端与所述固定座转动连接，另一端与所述机械臂的一端转动连接；所述驱动机构与所述旋转臂连接，用于驱动所述旋转臂相对所述固定座转动，以使所述机械臂前后移动；所述第一转动机构与所述机械臂连接，用于驱动所述机械臂相对所述旋转臂转动，以使所述机械臂左右移动；

所述固定座用于固定在3D打印机的箱体上；所述机械臂上用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；所述驱动机构与所述第一转动机构均用于与3D打印机的控制系统电连接。

进一步地，所述机械臂包括第一子臂、第二子臂以及第二转动机构；所述第一子臂与所述第二子臂转动连接；所述第二转动机构与所述第二子臂连接，用于驱动所述第二子臂相对所述第一子臂转动，以使所述第二子臂左右移动；所述第二转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；所述第一转动机构与所述第一子臂连接，用于驱动所述第一子臂相对所述旋转臂旋转。

进一步地，所述机械臂还包括第三子臂；所述第三子臂的一端与所述第二子臂的一端连接；所述第三子臂上用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构。

进一步地，所述机械臂还包括第三转动机构；所述第三子臂的一端与所述第二子臂的一端转动连接；所述第三转动机构与所述第三子臂连接，用于驱动所述第三子臂相对所述第二子臂转动；所述第三转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接。

进一步地，所述驱动机构包括驱动电机；所述驱动电机设置在所述固定座上；所述旋转臂与所述驱动电机的动力输出轴固定连接。

进一步地，所述转动机构包括转动电机、转轴、固定设置在所述转动电机上的主动齿轮、固定设置在所述转轴上的从动齿轮；所述转轴转动穿设在所述旋转臂远离所述固定座的一端，所述机械臂的一端与所述转轴固定连接；所述转动电机设置在所述机械臂上，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

进一步地，所述转轴的外壁上，沿所述转轴的周向，依次间隔设置有多个固定凸起；所述机械臂的一端设置有连接筒；所述连接筒的内壁上，沿所述连接筒的周向，依次间隔地设置有多个固定凹槽；多个所述固定凹槽与多个所述固定凸起一一对应卡接设置。

进一步地，所述机械臂的一端间隔设置有两个固定片；每个所述固定片上均设置有穿设所述转轴的通孔；所述固定凸起与所述连接筒均位于两个所述固定片之间。

进一步地，所述第二转动机构与所述第一转动机构的结构形式相同。

进一步地，本发明还提供一种3D打印机，所述3D打印机包括本发明所述的激光选区熔化装置。

本发明提供的激光选区熔化装置，包括固定座、驱动机构、第一转动机构、旋转臂以及机械臂，在使用时，固定座固定在3D打印机的箱体上，激光耦合与激发机构安装在机械臂上，驱动机构和第一转动机构与3D打印机的控制系统电连接。3D打印机的控制系统控制驱动机构和第一转动机构，驱动机构驱动旋转臂相对固定座转动，以使机械臂前后移动，第一转动机构驱动机械臂相对旋转臂转动，以使机械臂左右移动，从而使得机械臂上的激光耦合与激发机构前后或者左右移动，调整激光耦合与激发机构至预设位置，将光束照射到工作面上的金属粉末层进行选择性熔化，最终完成构件的成型制造。

本发明提供的激光选区熔化装置，驱动机构和第一转动机构带动机械臂前后和左右移动，从而带动激光耦合与激发机构进行移动并工作，这样使得激光耦合与激发机构的加工面积不受激光振镜偏转角度的限制，激光光束照射到金属粉末层的范围大幅提高，适用于生产各种形态和结构成型件的该技术装备，使用者可根据装备的大小及实际成型件尺寸的需要，在同一装备上增加本发明的激光选区熔化装置的数量，就能满足更大体积构成件的加工需要，如：构成件体积长、宽、高3米，5米乃至更大的体积尺寸。有利于该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中旋转臂与机械臂的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中转轴的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中连接筒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中驱动机构的俯视图；

图6为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中转轴和固定片的结构示意图。

附图标记：

1-固定座； 2-旋转臂； 3-机械臂；

4-转轴； 5-主动齿轮； 6-从动齿轮；

7-固定凸起； 8-连接筒； 9-固定凹槽；

10-驱动电机； 11-第一齿轮； 12-固定轴；

13-第二齿轮； 14-固定片； 15-铜套；

31-第一子臂； 32-第二子臂； 33-第三子臂；

34-连接件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的激光选区熔化装置的结构示意图；如图1所示，本发明实施例提供的一种激光选区熔化装置，该激光选区熔化装置包括：固定座1、驱动机构、第一转动机构、旋转臂2以及机械臂3；旋转臂2的一端与固定座1转动连接，另一端与机械臂3的一端转动连接；驱动机构与旋转臂2连接，用于驱动旋转臂2相对固定座1转动，以使机械臂3前后移动；第一转动机构与机械臂3连接，用于驱动机械臂3相对旋转臂2转动，以使机械臂3左右移动；固定座1用于固定在3D打印机的箱体上；机械臂3上用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构；驱动机构与第一转动机构均用于与3D打印机的控制系统电连接。

本发明实施例提供的激光选区熔化装置，包括固定座1、驱动机构、第一转动机构、旋转臂2以及机械臂3，在使用时，固定座1固定在3D打印机的箱体上，激光耦合与激发机构安装在机械臂3上，驱动机构和第一转动机构与3D打印机的控制系统电连接。3D打印机的控制系统控制驱动机构和第一转动机构，驱动机构驱动旋转臂2相对固定座1转动，以使机械臂3前后移动，第一转动机构驱动机械臂3相对旋转臂2转动，以使机械臂3左右移动，也即，机械臂3远离旋转臂2的一端左右移动，从而调整机械臂3的该端至固定座1的距离，使得机械臂3上的激光耦合与激发机构相对固定座1前后或者左右移动，调整激光耦合与激发机构至预设位置，将光束照射到工作面上的金属粉末层进行选择性熔化，最终完成构件的成型制造。

本发明提供的激光选区熔化装置，驱动机构和第一转动机构带动机械臂前后和左右移动，从而带动激光耦合与激发机构进行移动并工作，这样使得激光耦合与激发机构的加工面积不受激光振镜偏转角度的限制，激光光束照射到金属粉末层的范围大幅提高，适用于生产各种形态和结构成型件的该技术装备，使用者可根据装备的大小及实际成型件尺寸的需要，在同一装备上增加本发明的激光选区熔化装置的数量，就能满足更大体积构成件的加工需要，如：构成件体积长、宽、高3米、5米乃至更大的体积尺寸。有利于该工艺技术及其装备在世界范围内的推广与应用。

其中，需要说明的是，本发明所说的左右是指图1中从左至右的方向，前后是指垂直与图1所在平面的方向。

图5为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中驱动机构的俯视图，如图5所示，其中，驱动机构的结构形式可以为多种，例如，驱动机构包括驱动电机10、固定轴12、第一齿轮11以及与第一齿轮11相啮合的第二齿轮13，固定轴12转动穿设在固定座上1，第二齿轮13固定设置在固定轴12上，驱动电机10固定设置在固定座1上，第一齿轮11设置在驱动电机10的动力输出轴上，旋转臂2与固定轴12固定连接。启动驱动电机10，驱动电机10带动第一齿轮11转动，第一齿轮11带动第二齿轮13转动，第二齿轮13带动固定轴12和旋转臂2转动，进而使得机械臂3前后移动。

在上述实施例的基础上，进一步地，机械臂3包括第一子臂31、第二子臂32以及第二转动机构；第一子臂31与第二子臂32转动连接；第二转动机构与第二子臂32连接，用于驱动第二子臂32相对第一子臂31转动，以使第二子臂32左右移动；第二转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接；第一转动机构与第一子臂31连接，用于驱动第一子臂31相对旋转臂2转动。

本实施例中，将机械臂3设置为第一子臂31和第二子臂32，驱动机构带动旋转臂2旋转，第一转动机构带动第一子臂31转动，第二转动机构带动第二子臂32转动，从而使得第一子臂31和第二子臂32左右移动，激光耦合与激发机构设置在第二子臂32上，这样可使得激光耦合与激发机构左右移动。

本实施例中，通过第一子臂31和第二子臂32的同时配合使用，可使机械臂3左右移动的范围更大，使得激光耦合与激发机构移动的位置范围更广，制造的成型构件的尺寸更大。

其中，第一子臂31和第二子臂32之间可通过连接件34转动连接。

在上述实施例的基础上，进一步地，机械臂3还包括第三子臂33；第三子臂33的一端与第二子臂32的一端连接；第三子臂33上用于安装3D打印机的激光耦合与激发机构。

本实施例中，将激光耦合与激发机构安装在第三子臂33上，不妨碍第二子臂32的转动和移动，方便安装和使用。

在上述实施例的基础上，进一步地，机械臂3还包括第三转动机构；第三子臂33的一端与第二子臂32的一端转动连接；第三转动机构与第三子臂33连接，用于驱动第三子臂33相对第二子臂32转动；第三转动机构用于与3D打印机的控制系统电连接。

本实施例中，第三子臂33与第二子臂32转动连接，当第三子臂33移动至预设位置后，可将第三子臂33相对第二子臂32转动，调整激光耦合与激发机构的作业角度，也即对激光耦合与激发机构的位置进行微调，使得光束照射位置更加精准。

其中，第三转动机构的结构形式可以与第一转动机构的结构形式相同。

在上述实施例的基础上，进一步地，驱动机构包括驱动电机；驱动电机设置在固定座1上；旋转臂2与驱动电机的动力输出轴固定连接。

本实施例中，将驱动机构设置为驱动电机，通过驱动电机驱动旋转臂2相对固定座1转动，结构简单。

图2为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中旋转臂与机械臂的局部结构示意图；图3为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中转轴的结构示意图；如图2和图3所示，在上述实施例的基础上，进一步地，第一转动机构包括转动电机、转轴4、固定设置在转动电机上的主动齿轮5、固定设置在转轴4上的从动齿轮6；转轴4转动穿设在旋转臂2远离固定座1的一端，机械臂3的一端与转轴4固定连接；转动电机设置在机械臂3上，主动齿轮5与从动齿轮6啮合。

本实施例中，转动电机带动主动齿轮5转动，主动齿轮5带动从动齿轮6转动，从动齿轮6带动转轴4以及机械臂3相对旋转臂2转动，结构简单，方便安装使用。

图4为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中连接筒的结构示意图；如图3和图4所示，在上述实施例的基础上，进一步地，转轴4的外壁上，沿转轴4的周向，依次间隔设置有多个固定凸起7；机械臂3的一端设置有连接筒8；连接筒8的内壁上，沿连接筒8的周向，依次间隔地设置有多个固定凹槽9；多个固定凹槽9与多个固定凸起7一一对应卡接设置。

本实施例中，通过固定凸起7与固定凹槽9相配合的方式将机械臂3与转轴4固定连接，结构简单，方便安装。同时，多个固定凸起7与多个固定凹槽9配合，使得机械臂3与转轴4固定更加牢靠稳定。

优选地，固定凹槽9和固定凸起7分别为四个，四个固定凸起7均匀间隔地分布在转轴4的周壁上，四个固定凹槽9均匀间隔地分布在连接筒8的周壁上，四个固定凸起7分别与四个固定凹槽9一一对应卡接，这样使得转轴4和连接筒8受力均衡，增强两者连接的稳固性，同时，可避免转轴4和连接筒8局部受力过大受损，延长转轴4和连接筒8的使用寿命。

在上述实施例的基础上，进一步地，旋转臂2的一端间隔设置有两个固定片14；每个固定片14上均设置有穿设转轴4的通孔；固定凸起7与连接筒8均位于两个固定片14之间。

本实施例中，转轴4穿设在两个固定片14的通孔内，固定凸起7和连接筒8位于两个固定片14之间，从而将转轴4与旋转臂2转动连接，也使得转轴4受力平衡。

图6为本发明实施例提供的激光选区熔化装置中转轴和固定片的结构示意图，如图6所示，其中，还包括两个铜套15，两个铜套15套设在转轴4上，两个铜套15位于固定凸起7的两侧，且位于固定凸起7与固定片14之间，铜套15的厚度与固定凸起7的高度相同，也即，铜套15的厚度与转轴4半径之和等于固定片14上通孔的半径。

在上述实施例的基础上，进一步地，第二转动机构与第一转动机构的结构形式相同。

在上述实施例的基础上，进一步地，本发明还提供一种3D打印机，3D打印机包括本发明的激光选区熔化装置。激光选区熔化装置的工作原理同上，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。