本發明屬于送粉式激光3d打印技術領域，具體來說是一種送粉式激光3d打印光纖送粉頭。

技術背景

3d打印技術，又稱增材制造(additivemanufacturing，am)技術，是一項涉及物理、化學、材料科學與工程、計算機科學與技術、控制科學與工程、機械工程、生物醫學與工程等多學科交叉領域的前沿性先進制造技術。送粉式激光3d打印技術是在由快速原型制造技術和同步送料激光熔覆技術結合而發展起來的一項新的先進制造技術，它利用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時將金屬原材料同步送入熔池而形成與基體金屬冶金結合且稀釋率很低的新金屬層，加工過程中采用數控系統控制工作臺根據cad模型給定的路徑往復掃描，便可在沉積基板上逐線、逐層熔覆堆積出任意形狀的功能性三維金屬實體零件或僅需少量精加工的近形件。

目前，3d打印技術具有非常廣泛的應用前景，被歐美發達國家譽為第三次工業革命的載體之一，將帶動工業生產、新材料、精益制造等多個領域顛覆性的改變。但當前，常用送粉器存在著送粉精度不高、粉末利用率低、易堵塞、不能承受高功率等問題。

一套穩定實用的送粉頭是決定3d打印成形精度和成形效率的關鍵，當前市場上主流送粉頭在送粉精度及承載高功率方面存在較多不足，在實際加工中可以實現穩定承受3000w光纖激光器的送粉頭較少，且在送粉精度和粉流噴射挺度上存在較大的不足。

技術實現要素：
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針對上述問題，本發明的目的在于提供一種送粉式激光3d打印光纖送粉頭。該送粉頭將合金粉末同軸送達激光聚焦后的合適位置，并滿足激光3d打印加工的工藝要求。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種送粉式激光3d打印光纖送粉頭，包括依次同軸連接的窗口防護系統、伸縮套筒、對中裝置、保護氣輸送段、連接套筒及噴粉嘴，所述連接套筒的內外側設有雙層冷卻結構，激光束依次穿過窗口防護系統、伸縮套筒、對中裝置、保護氣輸送段及連接套筒的中心孔，投射到加工面上，所述噴粉嘴從四周噴射粉流到光束內部，粉末快速熔凝實現成形加工，所述雙層冷卻結構用于冷卻激光束周邊的熱輻射和載氣粉流。

所述雙層冷卻結構包括內腔冷卻層和外腔冷卻層，所述內腔冷卻層為設置于所述連接套筒內壁上的密封腔，用于直接冷卻由于激光束周邊的熱輻射和激光束反射而造成的熱積累，間接冷卻載氣粉流；所述外腔冷卻層為設置于噴粉嘴外側的密封腔，用于直接冷卻載氣粉流，并與內腔冷卻層配合間接冷卻激光束周邊的熱輻射和激光束反射而造成的熱積累。

所述內腔冷卻層設有進水接口和出水接口，所述進水接口和出水接口分別與兩個內腔水冷管連接。

所述內腔冷卻層上的進水接口和出水接口對稱布設。

所述外腔冷卻層與噴粉嘴螺紋連接。

所述窗口防護系統包括激光增透鏡、保護鏡架及鎖緊裝置，其中激光增透鏡安裝在保護鏡架上，所述保護鏡架通過鎖緊裝置與所述伸縮套筒連接；所述保護鏡架的作用是定位及鎖緊激光增透鏡；所述激光增透鏡的作用是防止成形過程產生的煙氣、回彈粉末進入光纖送粉頭之前的光路部分，而造成核心光學器件損壞。

所述伸縮套筒包括多個螺紋連接的套筒，通過旋轉各套筒實現伸縮，所述伸縮套筒用于調節加工平面上激光光斑尺寸和離焦量。

所述對中裝置包括支撐環和位置調節螺釘，所述伸縮套筒端部設有的軸肩容置于所述保護氣輸送段端部設有的凹槽內，所述支撐環與所述保護氣輸送段端部連接，使伸縮套筒與保護氣輸送段連接，所述保護氣輸送段端部外圓周上均布有多個與凹槽連通的對中螺紋孔，各對中螺紋孔內均設有一個與伸縮套筒接觸的位置調節螺釘，通過調節位置調節螺釘，實現保護氣輸送段 相對與伸縮套筒發生位置變化，實現送粉頭中心與激光光斑位置重合。

所述保護氣輸送段上對稱設有兩個充氣孔，實現保護氣與激光束的同軸輸送，直接作用于熔池。

所述噴粉嘴為多個、并且均布于連接套筒的外側。

本發明的優點及有益效果是：

1.本發明設計的送粉頭采用兩層冷卻結構，內腔冷卻層主要冷卻激光光束周圍，外腔冷卻層主要冷卻噴粉嘴。兩套冷卻層相互配合，提高了送粉頭高功率激光的耐受度。

2.本發明的噴粉嘴采用高精密電火花工藝加工，具有較高的加工質量，且孔內壁具有較高表面粗糙度，提高了粉流的挺度和送粉精度。同時，噴粉嘴采用螺紋結構與外腔冷卻層連接，方便噴粉嘴的拆裝和更換。

3.本發明設計的送粉頭具有伸縮套筒和對中裝置，可方便調節加工平面上激光光斑尺寸和離焦量，同時也可通過調節噴粉嘴的宏觀位置，實現光粉同軸，提高了成形質量和送粉精度。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的內部結構示意圖；

圖3為本發明中窗口防護系統的結構示意圖；

圖4為圖3中a-a剖視圖；

圖5為本發明中對中裝置的結構示意圖；

圖6為圖5中b-b剖視圖。

圖中：1為窗口防護系統，2為伸縮套筒，3為對中裝置，4為保護氣輸送段，5為連接套筒，6為噴粉嘴，7為內腔冷卻層，8為外腔冷卻層，9為激光束，11為鎖緊裝置，12為保護鏡架，13為壓緊螺釘，14為激光增透鏡，31為支撐環，32為對中螺紋孔。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

如圖1、圖2所示，本發明提供的一種送粉式激光3d打印光纖送粉頭，包括依次連接的窗口防護系統1、伸縮套筒2、對中裝置3、保護氣輸送段4、連接套筒5及噴粉嘴6，所述連接套筒5上設有雙層冷卻結構。激光束9為聚焦式，激光束9依次穿過窗口防護系統1、伸縮套筒2、對中裝置3、保護氣輸送段4及連接套筒5的內孔中央，投射到加工面上，所述噴粉嘴6從四周噴射粉流到光束內部，粉末快速熔凝實現成形加工。

所述雙層冷卻結構包括內腔冷卻層7和外腔冷卻層8，所述內腔冷卻層7為設置于所述連接套筒5內壁上的密封腔，用于直接冷卻由于激光束9周邊的熱輻射和激光束9反射而造成的熱積累，間接冷卻載氣粉流；所述外腔冷卻層8為設置于噴粉嘴6外側的密封腔，用于直接冷卻載氣粉流，并與內腔冷卻層7配合間接冷卻激光束9周邊的熱輻射和激光束9反射而造成的熱積累。

所述內腔冷卻層7設有進水接口和出水接口，所述進水接口和出水接口分別與兩個內腔水冷管連接。所述內腔冷卻層7上的進水接口和出水接口對稱布設。激光束9從內腔冷卻層7的內孔中央通過。

所述外腔冷卻層8與噴粉嘴6螺紋連接，方便噴粉嘴6的拆裝和更換。

所述噴粉嘴6為多個、并且均布于連接套筒5的外側。本實施例中，所述噴粉嘴6為四個。所述外腔冷卻層8位于四個噴粉嘴的外圍，可冷卻噴粉嘴6，并與內腔冷卻層7相配合，實現整套送粉頭冷卻效率的提升，提高送粉頭對高功率激光的耐受度。

所述噴粉嘴6采用高精度電火花打孔制備，紫銅材料，具有較高加工精度和表面質量，提高了粉末流的噴射挺度和送粉精度，粉末流從噴粉嘴噴出，并在激光束9的外圍形成倒錐形載粉氣流層，匯聚于激光束9的中心軸線上，粉末的匯聚點位于工件表面上。

所述窗口防護系統1位于整套送粉頭的上部，采用激光增透鏡作為封閉材料，起到透射激光、隔斷煙塵的作用，保護光學套件。

如圖3、圖4所示，所述窗口防護系統1包括激光增透鏡14、保護鏡架12及鎖緊裝置11，其中激光增透鏡14安裝在保護鏡架12上，所述保護鏡架 12通過鎖緊裝置11與所述伸縮套筒2連接；所述保護鏡架12由帶支撐外延的環形結構構成，作用是定位及鎖緊激光增透鏡14；所述激光增透鏡14的作用是防止成形過程產生的煙氣、回彈粉末進入光纖送粉頭之前的光路部分，而造成核心光學器件損壞；所述鎖緊裝置11是通過壓緊螺釘13將所述保護鏡架12鎖緊于所述伸縮套筒2上。

所述伸縮套筒2包括多個螺紋連接的套筒，通過旋轉各套筒實現伸縮，所述伸縮套筒2用于調節加工平面上激光光斑尺寸和離焦量。

所述對中裝置3位于噴粉嘴6的上部，采用環形結構，通過扭轉相關位置的螺栓，可調節噴粉嘴的宏觀位置，實現光粉同軸，提高成形質量。

如圖5、圖6所示，所述對中裝置3包括支撐環31和位置調節螺釘，所述伸縮套筒2端部設有的軸肩容置于所述保護氣輸送段4端部設有的凹槽內，所述支撐環31與所述保護氣輸送段4端部連接，使伸縮套筒2與保護氣輸送段4連接，即軸向定位。所述保護氣輸送段4端部外圓周上均布有多個與凹槽連通的對中螺紋孔32，各對中螺紋孔32內均設有一個與伸縮套筒2的軸肩接觸的位置調節螺釘，通過調節位置調節螺釘，實現保護氣輸送段4相對與伸縮套筒2發生位置變化，實現送粉頭中心與激光光斑位置重合。

本實施例中，所述保護氣輸送段4的端部側面間隔90°方向排布四個中螺紋孔32，四個位置調節螺釘分別穿過四個對中螺紋孔32、并且與伸縮套筒2接觸，通過調節四個位置調節螺釘松緊程度，實現保護氣輸送段4相對與伸縮套筒2發生位置變化，實現送粉頭中心與激光光斑位置重合。

所述保護氣輸送段4上對稱設有兩個充氣孔，所述保護氣輸送段4通過兩個充氣孔將保護氣射到激光束9的內部，并與激光束9的同軸輸送，直接作用于熔池，提高保護效果，防止氧化。

本發明提供的一種送粉式激光3d打印光纖送粉頭，是一種兩層水冷高精密噴射式送粉頭，整套裝置具有送粉精度高、可承載高功率長時間工作、抗氧化等優勢。

以上所述僅為本發明的實施方式，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進、擴展等，均 包含在本發明的保護范圍內。