技术领域
[0001] 本
发明涉及一种激光加工装置及其方法，属于金属材料彩色3D打印技术领域。
背景技术
[0002] 激光具有良好的方向性、单色性、相干性和高
亮度，且
激光束易于传输，同时，激光加工过程中热影响区和热
变形小，属于非
接触式，易于实现自动化。因此，对激光加工的研究与应用得到广泛关注。
[0003] 3D打印是一种新兴的成型技术，其核心是将所需成型
工件的复杂3D形体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据工件的
计算机辅助设计模型，通过3D打印设备，沿着高度方向逐层沉积材料，形成工件的一系列 2D截面薄片，并使
片层与片层之间相互粘接，最终堆积成三维工件。目前， 3D打印技术飞速发展，主要包括光
固化成型、
熔融沉积成型、分层实体加工、三维印刷等。现有3D打印技术可有效实现金属材料的成型，但成型件都为金属
烧结后的本色，无法实现彩色3D打印。存在问题包括：1.效率低、周期长：不能随打印过程实时上色或在位上色，需要将成型件放置特殊的环境或装置内进行二次处理；2.强度低、无法着彩色图案：传统的着色技术，如化学染料上色，可实现彩色图案的上色，但是强度低，使用寿命短。
阳极氧化上色，强度相对化学染料上色强度高，但是无法实现选区图案上色。目前，国内外没有金属材料彩色3d打印系统。
发明内容
[0004] 本发明解决的技术问题为：克服
现有技术不足，提供一种激光加工装置及其方法，获得彩色金属打印件，解决无丰富的具备多种
颜色的金属材料可选择的问题，解决打印件存在的孔洞、开裂等
缺陷，实现金属材料的彩色3D打印，无需添加任何颜料，激光直接着色，通过对金属材料
选择性激光烧结成型件的在线表面辐照，实现一体化的金属材料彩色3D打印。
[0005] 本发明解决的技术方案为：一种激光加工装置，包括：激光发射源(1)、激光束(2)、压辊(3)、可移动45°反射镜(4)、二维扫描振镜(5)、 45°反射镜(6)、
三维扫描振镜(7)、粉末
喷嘴(8)、粉室(9)、载物台(10)、
电机(11)、收料盒(12)和主控制装置(13)；
[0006] 定义
坐标系：原点为任意点，坐标系的y轴正方向平行于激光发射源(1) 发射的激光束(2)方向；坐标系的x轴正方向平行于45°反射镜(6)将激光发射源(1)送来的激光束(2)经反射输出的方向，右手定则确定z轴；
[0007] 激光发射源(1)，用于发射选择性激光烧结3D打印所需激光束(2)，送至可移动45°反射镜(4)；
[0008] 可移动45°反射镜(4)，用于反射激光发射源(1)送来的激光束，将该激光束反射至二维扫描振镜(5)
[0009] 二维扫描振镜(5)，能够控制可移动反射镜(4)送来的激光束的扫描轨迹，实现激光束在粉床(即二维平面)上扫描；
[0010] 载物台(10)连接电机(11)；电机(11)能够带动载物台(10)沿z 轴运动，且以z轴为中心旋转，实现载物台的旋转；电机(11)还能够带动载物台(10)沿x和y轴运动；
[0011] 载物台(10)能够相对粉室(9)运动；
[0012] 粉室(9)为中空圆柱形，载物台(10)位于粉室(9)内；
[0013] 粉末喷嘴(8)用于喷射粉末至粉室(9)内；
[0014] 粉室(9)内壁与载物台(10)形成容腔，收纳粉末喷嘴(8)送来的粉末，压辊(3)，
压实粉室(9)中粉末并保证粉末上表面与激光束焦平面重合，形成粉床；
[0015] 45°反射镜(6)，在可移动45°反射镜(4)移至光路外，45°反射镜 (6)接收反射激光发射源(1)输出的激光束，反射至三维扫描振镜(7)；
[0016] 三维扫描振镜(7)能够控制45°反射镜(6)送来的激光束的的扫描轨迹，实现激光束在打印件(14)(即三维曲面)上的扫描，实现对打印件(14) 的着色。
[0017] 优选的，利用激光对粉末状材料进行烧结成型。
[0018] 选择性激光烧结3D打印所需的激光束，具体为：
波长为800-1500微米，脉宽为10-9-10-3秒的脉冲
激光器。
[0019] 优选的，可移动反射镜(4)的可移动
位置，具体为：在打印件(14) 烧结成型过程中，能够移动45°反射镜(4)工作位置。
[0020] 优选的，载物台(10)包括：承载面和
支撑柱，支撑柱与承载面连接，且支撑柱垂直于承载面；承载面为圆形；支撑柱与电机(11)的
输出轴连接，且位于一条直线上。
[0021] 优选的，载物台(10)位于粉室(9)内，具体为：粉室(9)为中空圆柱体；载物台(10)包括：承载面和支撑柱，承载面的外径与粉室(9)的内径配合，使承载面能够沿z轴在粉室(9)内运动。
[0022] 优选的，激光束(2)，从激光发射源(1)发出经光学系统传输后辐照粉床使其
熔化，完成
单层的选择性激光烧结工作。
[0023] 优选的，可移动45°反射镜能够沿激光束垂直方向移动，当可移动45 °反射镜工作时，反射激光束至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束对粉床的粉末进行选择性激光烧结工作；可移动反射镜沿激光束垂直方向移动至激光发射源(1)输出的激光束的光路外时，45°反射镜工作，反射激光束至三维扫描振镜，三维扫描振镜输出的激光束对打印件表面进行着色。
[0024] 优选的，在进行单层的选择性激光烧结工作前，粉室上表面与激光束焦平面重合，与压辊的压实面重合，粉室为轴对称几何结构，截面形状与载物台截面一致。
[0025] 一种激光加工方法，步骤如下：
[0026] 步骤1：通过主控制装置将打印件(14)的3D打印模型进行分层切片，每层切片为单层的选择性激光烧结截面，每层厚度为单层的选择性激光烧结截面厚度；
[0027] 步骤2：使粉室的上表面与载物台的上表面重合，随后下降载物台一个烧结截面厚度的距离；
[0028] 步骤3：通过粉末喷嘴将
金属粉末喷送至粉室内，通过压辊的往复的
水平滚动实现粉室内粉末的压实与均匀分布；
[0029] 步骤4：可移动45°反射镜工作，开启激光发射源，激光束经可移动45 °反射镜反射至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束以主控制装置对 3D打印模型分层切片后的截面轨迹进行扫描，完成单层的选择性激光烧结工作；
[0030] 步骤5：关闭激光发射源；
[0031] 步骤6：下降载物台一个烧结截面厚度的距离，再次通过粉末喷嘴将金属粉末喷送至粉室内，通过压辊的往复的水平滚动实现粉室内粉末的压实与均匀分布；
[0032] 步骤7：可移动45°反射镜工作，开启激光发射源，激光束经可移动反射镜反射至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束以主控制装置对3D 打印模型下一个分层切片后的截面轨迹进行扫描，完成下一层的选择性激光烧结工作，关闭激光发射源；
[0033] 步骤8：重复步骤6-7直至完成整个打印件(14)的打印；
[0034] 步骤9：下降载物台至打印件完全移出粉室下表面，将电机的输出轴平行于YOZ平面顺
时针转动90度，使电机的输出轴由平行于z轴旋转至平行于y轴；
[0035] 步骤10：开启电机旋转360度，带动载物台与打印件旋转360度，将打印件上多余粉末落至收料盒；
[0036] 步骤11：由主控制装置控制三维扫描振镜(7)和电机，根据3D打印模型表面每个点的空间坐标与电机的旋转速度，计算激光束对打印件表面的辐照轨迹；
[0037] 步骤12：可移动45°反射镜沿激光束垂直方向移动至光路外，开启激光发射源，45度反射镜工作，反射激光发射源(1)输出的激光束至三维扫描振镜；
[0038] 步骤13：主控制装置控制三维扫描振镜扫描与电机旋转，使辐照在打印件表面的每个点的激光束的离焦量不变；步骤14：以设定轨迹完成打印件整个表面的激光辐照，关闭激光发射源，实现对打印件整个表面的着色。
[0039] 本发明与现有技术相比的优点在于：(先说总体方案的优点，再说局部方案的优点)
[0040] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：
[0041] (1)本发明可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色，可提高加工效率、缩短上色周期。
[0042] (2)本发明通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为
冶金结合，强度高。
[0043] (3)本发明利用三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，实现不同图案的辐照扫描，着色过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。
[0044] (4)本发明为保证颜色的高度再现，防止材料表面污物对呈现颜色产生影响，需要增加对材料表面的预处理，即通过激光辐照将材料表面污物去除，所使用的加工参数为：激光单脉冲
能量1mj，扫描速度1000mm/s，搭接率15％。
[0045] (5)本发明能够提高加工效率、缩短上色周期，可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色。
[0046] (6)本发明的着色后着色能
力强度高，本发明着色方法，通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高。
[0047] (7)本发明可实现彩色图案着色，由于三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，可以实现不同图案的辐照扫描，过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。
附图说明
[0048] 图1是本发明加工装置结构示意图。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步详细描述。
[0050] 本发明一种激光加工装置及方法，本发明针对金属材料选择性激光烧结，通过粉末喷嘴将金属粉末喷送至粉室内，通过压辊的往复的水平滚动实现粉室内粉末的压实与均匀分布；激光束经可移动45°反射镜反射至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束以主控制装置对3D打印模型分层切片后的截面轨迹进行扫描，完成单层的选择性激光烧结工作，通过一层一层的烧结积累直至获得最终完整的打印件；主控制装置控制三维扫描振镜扫描与电机旋转，使辐照在打印件表面的每个点的激光束的离焦量不变；以设定轨迹完成打印件整个表面的激光辐照，实现对打印件整个表面的着色，无需添加任何颜料，激光直接着色。通过对金属材料选择性激光烧结成型件的在线表面辐照，实现一体化的金属材料彩色3D打印。
[0051] 本发明的选择性激光烧结结合了激光加工与3D打印两种新兴技术，利用粉末状材料进行成型：将材料粉末铺洒在粉室内零件基底的上表面并刮平，用激光在刚铺的新粉末层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到新的零件截面，并与下面已成型的部件冶金结合。当一层截面烧结完成后，再铺上新的一层材料粉末，继续有选择地烧结。当整个零件成型完成后，去掉多余的粉末，得到最终的零件成型件。
[0052] 如图1所示，是本发明加工装置的工作结构示意，左图为选择性激光烧结工作示意图，右图为金属成型件着色工作示意图。其中，1-激光发射源， 2-激光束，3-压辊，4-可移动反射镜，5-二维扫描振镜，6-反射镜，7-三维扫描振镜，8-粉末喷嘴，9-粉室，10-载物台，11-电机，12-收料盒，13-主控制装置，14-打印件。
[0053] 本发明的一种激光加工装置，包括：激光发射源(1)、激光束(2)、压辊(3)、可移动45°反射镜(4)、二维扫描振镜(5)、45°反射镜(6)、三维扫描振镜(7)、粉末喷嘴(8)、粉室(9)、载物台(10)、电机(11)、收料盒(12)和主控制装置(13)；
[0054] 定义坐标系：原点为任意点，坐标系的y轴正方向平行于激光发射源(1) 发射的激光束(2)方向；坐标系的x轴正方向平行于45°反射镜(6)将激光发射源(1)送来的激光束(2)经反射输出的方向，右手定则确定z轴；
[0055] 激光发射源(1)，用于发射选择性激光烧结3D打印所需激光束(2)，送至可移动45°反射镜(4)；
[0056] 可移动45°反射镜(4)，用于反射激光发射源(1)送来的激光束，将该激光束反射至二维扫描振镜(5)
[0057] 二维扫描振镜(5)，能够控制可移动反射镜(4)送来的激光束的扫描轨迹，实现激光束在粉床(即二维平面)上扫描；
[0058] 载物台(10)连接电机(11)；电机(11)能够带动载物台(10)沿z 轴运动，且以z轴为中心旋转，实现载物台的旋转；电机(11)还能够带动载物台(10)沿x和y轴运动；
[0059] 载物台(10)能够相对粉室(9)运动；
[0060] 粉室(9)为中空圆柱形，载物台(10)位于粉室(9)内；
[0061] 粉末喷嘴(8)用于喷射粉末至粉室(9)内；
[0062] 粉室(9)内壁与载物台(10)形成容腔，收纳粉末喷嘴(8)送来的粉末，压辊(3)，压实粉室(9)中粉末并保证粉末上表面与激光束焦平面重合，形成粉床；
[0063] 45°反射镜(6)，在可移动45°反射镜(4)移至光路外，45°反射镜 (6)接收反射激光发射源(1)输出的激光束，反射至三维扫描振镜(7)；
[0064] 三维扫描振镜(7)能够控制45°反射镜(6)送来的激光束的的扫描轨迹，实现激光束在打印件(14)(即三维曲面)上的扫描，实现对打印件(14) 的着色。
[0065] 利用激光对粉末状材料进行烧结成型，优选方案为：将材料粉末铺洒在粉室内零件基底的上表面并刮平，用激光在刚铺的新粉末层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到新的零件截面，并与下面已成型的部件冶金结合。当一层截面烧结完成后，再铺上新的一层材料粉末，继续有选择地烧结。当整个零件成型完成后，去掉多余的粉末，得到最终的零件成型件。
[0066] 选择性激光烧结3D打印所需的激光束，优选为：波长为800-1500微米，脉宽为10-9-10-3秒的
脉冲激光器。
[0067] 可移动反射镜(4)的可移动位置，具体为：在打印件(14)烧结成型过程中，可移动45°反射镜(4)工作，优选工作方式为：可移动45°反射镜(4)在光路内，将激光发射源(1)送来的激光束反射至二维扫描振镜(5)，在打印件(14)表面着色过程中，可移动45°反射镜(4)不工作，即可移动45°反射镜(4)沿X轴负方向移至光路外，激光发射源(1)送来的激光束输入至45°反射镜(6)进行反射。进一步优选方案为：可移动45°反射镜能够沿激光束垂直方向移动，当可移动45°反射镜工作时，反射激光束至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束对粉床的粉末进行选择性激光烧结工作；可移动反射镜沿激光束垂直方向移动至激光发射源(1)输出的激光束的光路外时，45°反射镜工作，反射激光束至三维扫描振镜，三维扫描振镜输出的激光束对打印件表面进行着色。
[0068] 载物台(10)包括：承载面和支撑柱，支撑柱与承载面连接，且支撑柱垂直于承载面；承载面为圆形；支撑柱与电机(11)的输出轴连接，且位于一条直线上。载物台(10)位于粉室(9)内，具体为：粉室(9)为中空圆柱体；载物台(10)包括：承载面和支撑柱，承载面的外径与粉室(9)的内径配合，使承载面能够沿z轴在粉室(9)内运动。
[0069] 优选方案为：激光束(2)，从激光发射源(1)发出经光学系统传输后辐照粉床使其熔化，完成单层的选择性激光烧结工作。
[0070] 优选方案为：在进行单层的选择性激光烧结工作前，粉室上表面与激光束焦平面重合，与压辊的压实面重合，粉室为轴对称几何结构，截面形状与载物台截面一致。
[0071] 优选方案为：载物台与粉室内表面贴合，防止粉末掉漏，同时保证可沿粉室轴向移动。
[0072] 优选方案为：电机能够沿粉室轴向移动，同时能够实现电机轴向位置 90度转动。
[0073] 优选方案为：打印件(14)为3D打印件，材质为：TA1、TA2、TC4
钛合金材质。
[0074] 本发明的一种激光加工方法，步骤如下：
[0075] 步骤1：通过主控制装置将打印件(14)的3D打印模型进行分层切片(优选方案为通过切片计算进行分层切片)，每层切片为单层的选择性激光烧结截面，每层厚度为单层的选择性激光烧结截面厚度；3D打印模型分层切片是激光3D成型的处理过程，将要打印的零件的模型导入主控制系统，主控制系统根据3D打印过程中单层打印的厚度将零件以该厚度进行分层切片，每一层即为3D打印的烧结截面。3D打印过程中，通过一层一层的烧结积累，最终形成要打印的三维实体。
[0076] 步骤2：使粉室的上表面与载物台的上表面重合，随后下降载物台一个烧结截面厚度的距离；
[0077] 步骤3：通过粉末喷嘴将金属粉末喷送至粉室内，通过压辊的往复的水平滚动实现粉室内粉末的压实与均匀分布；
[0078] 步骤4：可移动45°反射镜工作，开启激光发射源，激光束经可移动45 °反射镜反射至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束以主控制装置对3D打印模型分层切片后的截面轨迹进行扫描，完成单层的选择性激光烧结工作；
[0079] 步骤5：关闭激光发射源；
[0080] 步骤6：下降载物台一个烧结截面厚度的距离，再次通过粉末喷嘴将金属粉末喷送至粉室内，通过压辊的往复的水平滚动实现粉室内粉末的压实与均匀分布；
[0081] 步骤7：可移动45°反射镜工作，开启激光发射源，激光束经可移动反射镜反射至二维扫描振镜，二维扫描振镜输出的激光束以主控制装置对3D 打印模型下一个分层切片后的截面轨迹进行扫描，完成下一层的选择性激光烧结工作，关闭激光发射源；
[0082] 步骤8：重复步骤6-7直至完成整个打印件(14)的打印；
[0083] 步骤9：下降载物台至打印件完全移出粉室下表面，将电机的输出轴平行于YOZ平面顺时针转动90度，使电机的输出轴由平行于z轴旋转至平行于y轴；
[0084] 步骤10：开启电机旋转360度，带动载物台与打印件旋转360度，将打印件上多余粉末落至收料盒；
[0085] 步骤11：由主控制装置控制三维扫描振镜(7)和电机，根据3D打印模型表面每个点的空间坐标与电机的旋转速度，计算激光束对打印件表面的辐照轨迹；进一步的优选方案为：三维扫描振镜可以针对三维模型轮廓数据进行激光束焦点位置的实时调整，使激光束焦点始终落到三维模型轮廓待着色加工的位置上，由点到线，由线到面，实现三维曲面的彩色着色。然而，三维扫描振镜的有效扫描范围是有限的，对于激光束入射
角大于45度的区域，激光束的辐照影响减弱，无法正常着色，需要配合电机旋转，使未着色的模型轮廓区域转动至三维扫描振镜正下方，与此同时，电机的转动速度还要与三维扫描振镜的扫描速度相配合。三维扫描振镜的扫描轨迹、速度与电机的转动方向、速度由主控制装置控制完成。
[0086] 步骤12：可移动45°反射镜沿激光束垂直方向移动至光路外，开启激光发射源，45度反射镜工作，反射激光发射源(1)输出的激光束至三维扫描振镜；
[0087] 步骤13：主控制装置控制三维扫描振镜扫描与电机旋转，使辐照在打印件表面的每个点的激光束的离焦量不变；三维扫描振镜可以保证三维曲面上加工的激光束为焦点位置的激光束，即离焦量始终为0，同样，也可以控制激光束辐照在打印件表面的每个点的激光束的离焦量为恒定值不变，且恒定值满足本发明2-5mm的要求，电机转动是为了将未着色区域转动至三维扫描振镜正下方，实现拼接。
[0088] 步骤14：以设定轨迹完成打印件整个表面的激光辐照，关闭激光发射源，实现对打印件整个表面的着色。优选方案为：以设定轨迹完成打印件整个表面的激光辐照，即以设定好的着色参数(激光发射源输出功率值、激光束经三维振镜的扫描速度值、三维扫描振镜出射激光束的扫描搭接率值)沿着设定好的轨迹，进行着色工作，直至完成整个打印件表面的着色，关闭激光发射源。
[0089] 在步骤3中，喷送至粉室内的金属粉末包括所有金属、金属合金粉末，优选为钛合金粉末。
[0090] 在步骤13中，优选方案为：辐照在打印件表面的每个点的激光束的离焦量不变，且离焦量优选为2～5mm。
[0091] 在所述步骤14中，对打印件所着的颜色受激光发射源的输出功率值与三维扫描振镜(7)输出的激光束的扫描速度值、扫描搭接率值影响。优选方案为：优选方案为：扫描搭接率为激光束扫描过程中，两个光斑的重叠区与两个光斑面积和的比值。激光发射源的输出功率值、三维扫描振镜(7) 输出的激光束的扫描速度值、扫描搭接率三个参数共同作用影响颜色，优选的共同作用影响颜色的方案为：
[0092] 在成型件上呈现出黄色，优选为：激光发射源的输出功率值为30～55W，激光束的扫描速度值为600～900mm/s，激光束的扫描搭接率为30％～50％；
[0093] 想在成型件上呈现出橙色，优选为：激光发射源的输出功率值为 30～55W，激光束的扫描速度值为500～800mm/s，激光束的扫描搭接率为 35％～50％；
[0094] 在成型件上呈现出红色，优选为：激光发射源的输出功率值为30～60W，激光束的扫描速度值为500～800mm/s，激光束的扫描搭接率为40％～50％；
[0095] 在成型件上呈现出紫色，优选为：激光发射源的输出功率值为40～60W，激光束的扫描速度值为400～800mm/s，激光束的扫描搭接率为40％～55％；
[0096] 在成型件上呈现出蓝色，优选为：激光发射源的输出功率值为40～65W，激光束的扫描速度值为400～600mm/s，激光束的扫描搭接率为50％～60％；
[0097] 在成型件上呈现出绿色，优选为：激光发射源的输出功率值为50～65W，激光束的扫描速度值为400～500mm/s，激光束的扫描搭接率为50％～65％。
[0098] 本发明的加工实现着色的方法用在钛合金制品上，提高艺术性、外观辨识性。着色持久、耐磨、强度高，加工周期短、效率高。
[0099] 进一步的优选方案为，通过优选的约束条件：0.1＜K·(P/V)·η＜ 10.6，P为激光发射源输出功率值，V为激光束经三维振镜的扫描速度值，η为三维扫描振镜出射激光束的扫描搭接率值，K为常数10mm/J。满足该公式条件，可获得更加稳定颜色呈现。
[0100] 进一步为保证颜色的高度再现，防止材料表面污物对呈现颜色产生影响，优选方案为增加对材料表面的预处理，即通过激光辐照将材料表面污物去除，所使用的加工参数为：激光单脉冲能量1mj，扫描速度1000mm/s，搭接率15％，通过预处理性能显著提高着色牢固性和色彩
稳定性。
[0101] 本发明可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色，可提高加工效率、缩短上色周期。通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高。
[0102] 本发明利用三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，实现不同图案的辐照扫描，着色过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。本发明能够提高加工效率、缩短上色周期，可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色。
[0103] 本发明的着色后着色能力强度高，本发明着色方法，通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高；而且可实现彩色图案着色，由于三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，可以实现不同图案的辐照扫描，过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。
