CN110142406A - 二维光纤面阵高精度激光3d金属打印机及其打印控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列尾纤相连；半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端且位于打印控制平台的打印平台上方。本发明将单点控制的半导体激光阵列通过尾纤排列形成二维面阵激光输出，一次扫描打印一个二维面，将打印速度提升数一到两个数量级。

Description

二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机及其打印控制方法

技术领域

本发明涉及激光3D打印技术领域，特别是一种二维光纤面阵快速高精度 激光3D金属打印机及其打印控制方法。

背景技术

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控 成型***，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞 组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统 制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成 品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠 加进行生产，大大降低了制造的复杂度。

传统的金属材料的3D打印制造技术，激光快速成型需要用高功率的激光 照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方 的粉末而让后方的金属液冷却凝固，周边需要有送粉装置、惰性气体保护、喷 头控制等来配套。加工过程是一个点堆积过程，对于一些较大工件的加工需要 很长的加工时间，加工效率低下。目前实现金属3D打印的高功率激光器基本 采用半导体激光器阵列整形技术主要集中在如何将半导体阵列耦合进光纤或 者输出加工光束，通常以牺牲加工精度为代价来提高加工效率，因此，在传统 金属材料的3D打印制造技术基础上进行研究，在不牺牲加工精度的情况下提 高加工效率是非常有必要的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种二 维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机，将二维半导体激光器阵列输出的 激光经过整形后获得可进行单点控制的输出功率密度达到激光3D打印要求的 线阵激光输出，再配以同轴送粉喷嘴，实现快速激光3D金属打印。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：

一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，包括由m×n个带有尾纤 输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装 置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵 光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体 激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激 光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形 同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控 制平台的打印平台上方。

进一步的，所述二维面阵光纤排列及整形装置包括二维阵列尾纤固定器、 微透镜阵列、微透镜阵列支架、激光边界指示器及激光封口镜，其中，m×n 个带有尾纤输出的半导体激光器阵列的尾纤通过二维阵列尾纤固定器固定为 m×n的平行四边形，用于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜 阵列包括m×n个微透镜，它们通过微透镜阵列支架安装在二维阵列尾纤固定 器下方，实现每个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜安 装在阵列微透镜支架的下端。

进一步的，所述二维阵列尾纤固定器包括固定板，该固定板上分布有多个 排列为平行四边形的孔；相邻孔之间的纵向间隔即相邻行的距离为n×a，横 向间隔即相邻列的距离为s×a，s为正整数，a为光斑直径。

进一步的，所述激光边界指示器包括4个安装在微透镜阵列的四角位置处 的可见光半导体激光器。

进一步的，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转 轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述 两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过 一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷 嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾 角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围 成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设 有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述 外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒 梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的 出粉端设有条形多孔喷粉板。

进一步的，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内 保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通 道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口， 且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与 两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷 嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上 靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

进一步的，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞 柱。

进一步的，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

本发明的另一个目的，是公开一种应用于上述二维面阵高精度激光3D金 属打印机的文件转换方法，包括如下步骤：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件 file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1； 所述三维打印数据文件file0有4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分 别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标，x、y方向 上的步长均为a，z方向上步长为c，p为对应坐标点的打印控制信息；x∈ [0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大 扫描步数；所述阵列打印数据控制文件file1包含6个数据项，以 (x₁,y₁,z₁,i,j,p₁)表示，前三项x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z 的方向上的序列坐标、第四五项i、j分别对应激光阵列位置坐标、第六项表 示的是其相应的打印控制信息；文件file1与文件file0中数据的关系如下：

x₁＝x+(n-mod(y,n))×s；

y₁＝Ceiling(y/(m×n))-1；

z₁＝z；

i＝INT(y,n)；

j＝mod(y,n)；

p₁＝p；

式中mod(y,n)表示y除以n的余数，Ceiling()为把数值向上舍入为整数， INT(y,n)表示y除以n下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,A+n×s-1]；

y₁∈[0,Ceiling(B/(m×n))-1]；

z₁∈[0,C-1]；

i∈[0,m-1]；

j∈[0,n-1]；

p₁∈[0,1]；

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2， file2包含3+m×n个数据项，其中，前3个数据项是x₂,y₂,z₂,分别表示x、y、 z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a，y方向上步长为b＝m×n×a， z方向上步长为c；m×n个数据项是相应的m×n个激光头对应的打印控制信 息，file2与file1中数据关系如下：

x₂＝x₁；

y₂＝y₁；

z₂＝z₁；

m×n个数据项的序号分别为0，1，…，i*m+j，…，m*n-1；其中第i*m+j 项的取值为file1中对应(x₁,y₁,z₁,i,j)坐标对应的p值，也即p₂(i*m+j) ＝p₁(x₁,y₁,z₁,i,j)，其中i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]。

本发明再一个目的，是公开一种采用上述二维面阵高精度激光3D金属打 印机的打印控制方法，包括如下步骤：

步1，单点输出控制模块3生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块读取打印输出控制文件file2中的第一个数据， 将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送给 打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个序列坐标，控制水平导 轨和升降平台的移动，从而带动打印平台上的工件移动；

步6，单点输出控制模块根据当前数据中的m×n个激光头对应的打印控 制信息，来控制半导体激光器阵列中每个激光器的亮灭，延时一个熔烧时间；

步7，单点输出控制模块读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执行 步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块控制喷嘴停止工作，工件打印结束。

与现有的3D打印机逐点打印方式相比，本发明将单点控制的半导体激光 阵列通过尾纤排列形成二维面阵激光输出，采用了与传统单点激光3D金属打 印不同的二维光纤面阵激光3D金属打印方式，一次扫描打印一个二维面，将 打印速度提升数一到两个数量级。应用本发明，相当于m×n个3D金属激光打 印机并行打印，能够极大地提高打印速度，解决3D金属打印速度慢，难以实 现产业化的缺陷。另外，本发明中采用平行四边形光斑排布以及与之相应的打 印控制方法，在不增加管理成本的情况下将打印效率提升m×n倍。另外，本 发明激光利用热效率要比传统的单点打印要高，这样在一定程度上能够有效地 降低熔烧所需的能量密度，或者说在相同的激光功率下，能够实现更快的扫描 速度。

附图说明

图1为本发明的二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机的结构示意 图。

图2为二维面阵光纤排列及整形装置的结构示意图。

图3为二维阵列尾纤固定器的结构示意图。其中，(a)为二维阵列尾纤固 定器，加工方式为整板加工，(b)为孔的尺寸及行距和列距，(c)为二维阵列 尾纤固定器，加工方式为分片加工。

图4为条形同轴送粉喷嘴的结构示意图。

图5为条形同轴送粉喷嘴的内部结构示意图。

图6为单侧喷嘴内的结构示意图。

图7为单侧喷嘴顶部各入口的结构示意图。

图8为喷粉通道内混粉柱的结构示意图。

图9为条形同轴送粉喷嘴底部的结构示意图。

图10为喷粉孔的分布示意图。

图11为喷粉孔的形状示意图，其中，a、圆形立体图，b、圆形俯视图，c、 椭圆形俯视图，d、方形立体图，e、方形俯视图，f、矩形俯视图。

图12为送粉流程图。

图13为喷嘴倾角调节装置的结构示意图。

图14为不同熔覆角度的喷粉指示调节参考示意图。

以下结合具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的二维光纤面阵快速高精度激光3D金属打印机，包 括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列1、二维 面阵光纤排列及整形装置2、单点输出控制模块3、条形同轴送粉喷嘴6和打 印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置2与半导体激光器阵列1 的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列1输出的激光阵列进行排列整 形，使其满足加工所需的激光汇聚要求；半导体激光器阵列1的每个半导体激 光器、条形同轴送粉喷嘴6和打印控制平台分别与单点输出控制模块3相连；条形同轴送粉喷嘴6位于二维面阵光纤排列及整形装置2的激光输出端，且位 于打印控制平台的打印平台5上方。

本发明的上述结构整体由单点输出控制模块3进行控制实现处理对象的 打印，其功能主要包括四个部分：一是对待打印工件进行文件转换，得到打印 输出控制文件；二是对每个半导体激光器进行独立控制，三是对于打印控制平 台的控制，四是当打印开始启动条形同轴送粉喷嘴6开始工作，打印结束使得 条形同轴送粉喷嘴6停止工作。具体是：单点输出控制模块3根据处理对象的 打印要求生成打印输出控制文件，根据打印输出控制文件控制相关部件协同工 作，具体如下：***初始化，条形同轴送粉喷嘴6启动，读取打印控制信息， 将打印控制平台移动到起始打印位置，控制半导体激光器阵列1中每个激光器 的激光亮灭，经过一个熔烧延时,使得打印输出件的相应位置点上粉末被激光 熔烧形成金属打印点，未熔烧的点则以粉末形式堆积，读取下一条打印信息， 重复上述工作，最终实现加工工件的打印。本发明解决了现有的3D打印机只 能逐点打印，而是多点同时且独立打印，大大提高了打印工作速度，从而有效 提高了工作效率。

以下详细介绍本发明的每个功能部件的具体结构设计。

一、带有尾纤输出的半导体激光器阵列

带有尾纤输出的半导体激光器阵列1由多个具有相同参数的带有尾纤输 出的半导体激光器组成，每个激光器作为一个独立的激光输出且通过单点输出 控制模块3进行单独控制。

优选的，半导体激光器输出阵列1各激光器均采用输出波长为976nm，尾 纤输出功率为60W，尾纤采用100/125的能量光纤(尾纤纤芯直径为100微米)。

二、二维面阵光纤排列及整形装置

如图2所示，二维面阵光纤排列及整形装置2包括二维阵列尾纤固定器8、 微透镜阵列9、微透镜阵列支架10、微透镜阵列调节装置11、激光边界指示 器12及激光封口镜13，其中，m×n个带有尾纤输出的半导体激光器阵列1 的尾纤通过二维阵列尾纤固定器8固定为m×n(m行n列)的平行四边形，用 于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜阵列9包括m×n个微透 镜，它们通过微透镜阵列支架10安装在二维阵列尾纤固定器8下方，实现每 个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜13安装在阵列微 透镜支架10的下端，用于保护二维面阵光纤排列及整形装置2，使其免受激 光熔烧过程中产生的蒸气或烟雾等的污染。

上述设计中，每个半导体激光器发出的激光束经尾纤输出通过其对应的微 透镜后光斑直径为a，m×n个激光半导体激光器的工作相当于m×n个单独 的3D点阵激光打印机协同并行工作。m×n个激光输出经过微透镜阵列9形 成m×n个具有良好汇聚特性、焦点落在同一平面(即加工平面上方的一个虚 平面)内，本实施例中采用上离焦打印。

具体的，如图3(a)、(b)所示，二维阵列尾纤固定器8包括固定板，该 固定板上分布有多个排列为平行四边形的孔，孔的直径为d；相邻孔之间的纵 向间隔即相邻行的距离为n×a，横向间隔即相邻列的距离为s×a(s为正整数， 以方便加工为宜，在满足条件下尽量小)；孔的直径等于光纤直径。二维阵列 尾纤固定器8按m行和n列排布结构加工，其材料选用导热性能较好的金属材 料。如图3(a)所示，可采用对一块整板按点阵分布打孔，在该板上加工出 每个尾纤对应的圆形槽；亦可分片加工(参见图3(c))，即加工成片结构的 尾纤固定器，具体是将n+1片厚度为s×a的金属片，在其一面或两面铣出直 径为d的半圆槽，第1和最后1片铣单面，其余铣双面，第1列仅右面铣槽， 第2列两面铣槽，左面铣槽位置与第1列同，右面铣槽位置比左面铣槽位置高 1个光斑位置，依次类推，最后一片仅在左面铣槽，铣槽位置与倒数第2片右 面铣槽位置相同。本实施例中，按照即上述第二种方式制作片结构尾纤固定槽， 片厚——列间隔取3mm，光斑大小取a(a为光斑直径)＝100um，也即s＝30， 半圆槽直径d为0.125mm(尾纤直径)，槽间距为n×a＝1.2mm，则可得n的取 值为12。二维阵列纵向排列数可以根据对于加工速度要求而设定，m值越大加 工速度越快，本实例中取m＝10。

优选的，微透镜阵列9中的微透镜的大小与尾纤相当或略大；通常采用平 凸透镜或非球面透镜，平面超尾纤方向，焦距选择可以使通过尾纤输出的激光 汇聚加工面或按照加工离焦要求汇聚，根据金属激光加工经验，经常会采用上 离焦，也即将激光汇聚在加工面上方一点的位置比正好汇聚加工面更好。采用 多大的上离焦通常与加工材料也即金属粉末的材质、大小等有关。为了减少能 量损失，微透镜优选平凸结构非球面透镜，双面镀高损伤阈值的976nm增透膜， 透镜采用K9玻璃，微透镜直径为1mm，焦距取30cm。

优选的，为了方便调节阵列微透镜支架10从而调节微透镜阵列9与其对 应尾纤之间的距离，可以在二维阵列尾纤固定器8上设置微透镜阵列调节装置 11，具体可以在微透镜阵列支架10上安装多个调节螺栓，调节螺栓的上端顶 在二维阵列尾纤固定器8下表面，从而通过旋转调节螺栓使得微透镜阵列支架 10调节到合适的位置，也即激光焦点满足打印需求。

优选的，激光边界指示器12包括4个安装在微透镜阵列9的四角位置处 的可见光半导体激光器，用于通过垂直下射的激光阵列指示半导体激光器阵列 1打在打印平台上的光斑边界，即以可见光形式指示激光光束轮廓。优选的， 采用650nm半导体激光器。优选采用650nm半导体激光器。

具体的，激光封口镜13采用K9玻璃或石英平板玻璃，两面镀高损伤阈 值的增透膜，尺寸大于聚焦柱透镜。优选采用K9玻璃，双面镀976nm高损伤 阈值增透膜，尺寸为50mm×50mm×2mm。

三、条形同轴送粉喷嘴

如图4、图5和图6所示，同轴送粉喷嘴6包括连接支架、两个单侧喷嘴、 两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；其中，连接支架用于连接激光器的出光 口，两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架 通过一转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷 嘴的下半部分通过喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调 节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动，实现单侧喷嘴相对于半导体激光 器的位置在一定范围进行调整；两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形 (参见图9)；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道6-6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8和内侧冷却水道6-9四个空腔； 为保证喷粉的汇聚性，外侧冷却水道6-6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8 和内侧冷却水道6-9均为上大下小的倒梯形柱结构；外保护气体通道6-7的排 气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出粉端设有条形多孔喷粉板。

上述技术方案中，两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形，且单侧 喷嘴的外保护气体通道6-7的排气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出 粉端设有条形多孔喷粉板，因此该同轴送粉喷嘴6能够适用于产生条形光斑的 半导体激光器；同时，通过单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下，以转 轴连接器为轴转动，能够实现单侧喷嘴相对位置在一定范围进行调整，从而能 够适应不同功率及不同喷粉方向需求。以下详细介绍条形同轴喷嘴6的每个功 能部件的具体结构设计。

1、连接支架

如图5、图6所示，连接支架包括连接件6-1、两块横向挡板6-2、两块纵 向挡板6-3和内保护气体入口6-4；其中，两块横向挡板6-2的上半部分和两 块纵向挡板6-3围成一激光通道；可选的，连接件6-1为一矩形金属板，其中 心开有矩形孔；矩形孔的大小与半导体激光器出光口相匹配，连接件6-1固定 在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜6-16；连接件6-1用于将喷 嘴固定在半导体激光器出光口上，以保证喷嘴与阵列半导体激光器出光口相对 位置固定；固定后激光器出光口处于连接件6-1的中心位置，且与激光通道的 走向匹配。可选的，在连接件6-1与半导体激光器出光口连接处加入一圈气密 性材料(如橡胶垫、玻璃胶等)，以保证其气密性，避免内侧保护气从连接件 6-1处漏出。

两块纵向挡板6-3的下端分别通过转轴连接器6-5与两个单侧喷嘴的顶端 铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器6-5为轴转动；转轴连接器6-5加工时须保 证气密性；每个单侧喷嘴的下半部分通过一喷嘴倾角调节装置与挡板6-2连接。 单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器6-5为轴转动，实现 单侧喷嘴相对于半导体激光器的位置在一定范围进行调整。

其中一块纵向挡板6-3上靠近连接件6-1的一端设有一内保护气体入口 6-4，用于注入内保护气体。内保护气通道的作用：①使得喷嘴喷出的粉末在 熔覆区形成均匀的“粉末帘”，较好的提高了粉末均匀性，熔覆粉末在载气及 保护气体作用下，可实现均匀分布及良好的粉末聚焦功能，②内保护气通入后， 在连接支架的矩形通道中扩散并沿激光通道流动直至从内保护气体出口流出， 在喷嘴中心形成与激光束方向一致的内保护气帘，使激光覆口镜免受热气和溅 射的污染，有效提高的激光覆口镜寿命，同时可提高喷粉均匀度。可选的，内 保护气体入口6-4为圆形，直径6～8mm；内保护气体出口长度与喷粉长度、 激光束长度匹配，宽度与两个单侧喷嘴调节角度有关联。保护气体采用氦气、 氩气或氮气。

2、单侧喷嘴

如图5、图6、图7所示，单侧喷嘴的功能包括水冷部分、气体保护部分 和喷粉部分。

水冷部分：在熔烧过程中，喷嘴底部与熔池的距离很小，喷嘴要承受来自 反射的激光以及熔池所带来的很高的热辐射，因此喷嘴在结构上必须设置有效 的水冷装置。为提高冷却效果，两个单侧喷嘴上都设置了内侧冷却水通道6-9 和外侧冷却水通道6-6，双侧水冷可使喷嘴长时间连续工作，提高喷嘴利用率。 外侧冷却水道6-6的顶端两侧分别设有外侧冷却水入水口6-6-1和外侧冷却水 出水口6-6-2；内侧冷却水道6-9的顶端两侧分别设有内侧冷却水入水口9-1 和内侧冷却水出水口6-9-2。内侧冷却水通道6-9和外侧冷却水通道6-6分别从 内、外两侧直接冷却喷嘴，均采用循环水冷方式，通过冷却水带走长时间加工而蓄积在喷嘴上的热量。为了提高水冷效率，采用入水口管伸出较长，也即冷 却水入水口6-6-1，6-9-1在冷却水通道内延伸到接近底部位置，出水口在冷却 水通道内刚好凸出或不凸出即可。当然，也可采用效率更高的蛇形或S型水道， 但加工难度较大。

气体保护部分：外保护气体通道6-7为上大下小的倒梯形柱结构，其进气 端设置一个外保护气体入气口6-7-1；其排气端为条形喷气出口6-7-2。外保护 气通道6-7的作用：①用于形成保护气帘，增加粉末的汇聚性，使其处于高压 气帘内保持良好的方向性和汇聚性，提高粉末利用率和覆层质量，延长喷嘴寿 命，②防止粉末飞溅对喷嘴的影响，保证喷嘴的喷粉孔不发生堵塞，③防止氧 化，提高覆层质量；内侧保护气形成保护气帘，可提高激光覆口镜的寿命，免 受热气和溅射的污染，同时可提高喷粉均匀度；

上述方案中，内、外保护气体入气口均采用单入口设计。可选的，如果激 光束长度较长(大于40mm)，则考虑采用双入口或三入口，(如果多入口，在 通道上端依次等距布置)以保证条形喷气口所喷气体的均匀性。保护气体采用 氦气、氩气或氮气。

喷粉部分：为保证喷粉均匀性，喷粉通道6-8的设计需要从入粉、混粉和 喷粉方面考虑。首先，喷粉通道6-8的入口设置k(k≥2)个入粉口6-8-1，入 粉口的数量主要由喷嘴长度决定，喷嘴越长，入粉口数量也越多，根据实验数 据，相邻入粉口6-8-1距离不大于15mm，通常不会影响喷粉均匀性；其次， 在喷粉通道6-8靠近外保护气体通道6-7一侧上设置多个凸起的圆柱，即混粉 碰撞柱6-8-2，其排列如图6、8所示，其直径约2mm，高度以不触及靠近内 侧冷却水道6-9一侧的隔板为原则，其作用是通过高速粉末与混粉碰撞柱6-8-2 多次碰撞，进一步提高喷粉均匀度；优选的，混粉碰撞柱6-8-2共3排，如图 8所示，每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的碰撞柱6-8-2。混粉碰 撞柱6-8-2的设计属于条形同轴送粉喷嘴的独特设计，其作用就是提高喷粉均 匀性，即在入粉口6-8-1较少情况下亦可获得较均匀的喷粉输出，这一设计对 于较长激光(特别是长度大于30mm的条形激光)输出光束情况下特别有效。 无混粉碰撞柱所带来的弊端是与每个入粉口垂直位置的喷粉密度较大，两个入粉口之间对应位置喷粉密度较小，易形成喷粉波浪形分布。

如图9所示，单侧喷嘴的出粉端(即喷粉通道6-8的出粉端)设有条形多 孔喷粉板，该条形多孔喷粉板上均匀设置有多个喷粉孔6-8-3；喷粉孔6-8-3 的结构设计对喷粉均匀性有着很大的影响。为了提高喷粉行程、喷粉均匀性和 粉末利用率，每一个喷粉孔6-8-3为锥角在5°以内锥状。实际上，喷粉孔最 佳锥角Φ的设计除了与喷粉孔径D与喷粉行程L(喷粉孔与加工件距离)有关 外，还与载气流速、粉末类型、混粉量等因素有关，严格计算过于复杂，根据 实验拟合的在常规情况下(也即不考虑载气流速、粉末类型、混粉量等因素变化的情况下)得到的如下经验公式：

sinΦ≈2D/L

如果喷粉孔6-8-3直径1.5mm，喷粉行程40mm，则得到最佳锥角为4.3°； 可选的，如图11所示，锥角5°以内，喷粉孔6-8-3的横截面采用如下几种形 式：图11(a)和图11(b)所示的圆形，图11(c)所示的椭圆形，图11(d)和图 11(e)所示的方形，图11(f)所示的矩形。其中以圆形加工最为方便，以圆形为 例，直径为0.5mm-3mm。可选的，条形多孔喷粉板单独加工，如图10所示， 将其嵌入到喷嘴的出粉口位置，独立设计的目的是能够根据需要更换不同的出 粉口。

喷粉过程如图12所示，由送粉器输出的粉末经一条送粉管达到分料阀， 通过分料阀(采用市场销售的2k路分料阀)将粉末均匀地分成2k路，再分别 接入2k个送粉口——也即2个单侧喷嘴的共2k个入粉口6-8-1，然后在两个 喷粉通道6-8中与混粉碰撞柱6-8-2碰撞，进行碰撞混粉，最后经由条形多孔 喷粉口喷出，两侧的条状喷粉孔所喷粉末汇聚成一个与激光光斑同样大小的条 状或长矩形粉末带，可大幅提升熔覆效率和粉末利用率。可选的，载粉气体采 用氦气、氩气或氮气。

优选的，在每个单侧喷嘴的喷粉通道6-8的两侧靠近出粉端处设置有喷粉 指示器6-10；喷粉指示器6-10用于指示单侧喷嘴的喷粉位置；可选的，喷粉 指示器6-10包括4个可见波段半导体激光二极管，分别安装如图6、图9所示。 喷粉指示器6-10所指方向与喷粉通道6-8的中轴线一致，是在标准载气流速 和标准喷粉量情况下，喷嘴垂直向下喷粉所喷出的方向，同侧的激光二极管所 发激光的交汇点指示标准情况下喷粉边界位置，两侧激光二极管所发激光的两 个交汇点之间便是条形粉末汇聚线，其在加工件上光点显示的是喷粉区域。通 过喷粉指示器6-10配合条形半导体激光器的光斑位置指示器(激光器自带) 通过喷嘴倾角调节装置，进行最佳喷粉状态调节，常规情况(激光头垂直向下， 用于水平面二维熔覆情况)下只需要将二者重合即可达到最佳喷粉状态，对于 非常规则需要根据熔覆现场情况，考虑重力影响、粉末颗粒、粉末载气流速和 喷粉量进行相应调节。

3、转轴连接器

转轴连接器结构如图5、6所示，为具有良好气密性的合页状结构，转轴 连接器上端与连接支架的纵向挡板6-3连接，下端与单侧喷嘴相连，使得单侧 喷嘴能够绕转轴连接器转动。

4、喷嘴倾角调节装置

喷嘴倾角调节装置的结构如图13所示；包括齿轮6-13、传动轴6-14、驱 动装置6-15、弧形齿条6-12和弧形槽6-11；其中，驱动装置6-15位于横向挡 板6-2外侧，驱动装置6-15通过横穿横向挡板6-2的传动轴6-14连接驱动齿 轮6-13；在每个单侧喷嘴的两侧的喷粉指示器6-10的上方位置各铣出一个以 转轴连接器为圆心的弧形槽6-11，弧形槽6-11的位置尽量靠近喷嘴的下端， 以减小调节误差，并在弧形槽6-11的一边铣出弧形齿条6-12，用于配合喷嘴 倾角调节装置调节单侧喷嘴的倾角；齿轮6-13与弧形齿条6-12啮合。可选的，驱动装置6-15采用手动旋钮或步进电机。

喷嘴倾角调节装置安装在侧向挡板6-2下部靠近两个角的位置，用于控制 两个转轴连接器进行一定角度转动，通过调节喷嘴最佳喷粉角度，以期达到和 激光器达到最佳配合。喷嘴倾角调节装置固定于连接支架的侧向挡板6-2的下 方。如果采用手动调节，喷嘴倾角调节装置建议设为2个，在每个单侧喷嘴上 安装一个喷嘴倾角调节装置，2个喷嘴倾角调节装置可以在单侧，亦可在双侧； 将喷嘴倾角调节装置固定在横向挡板6-2与单侧喷嘴对应位置，传动轴6-14 穿过侧向挡板6-2，内侧固定齿轮6-13嵌入弧形槽6-11并与弧形齿条6-12啮 合；每个喷嘴倾角调节装置调节一个单侧喷嘴，通过手动旋转驱动装置6-15， 由于其可以获得较大扭矩，通过传动轴6-14和齿轮6-13以刚性扭转力矩带动 单侧喷嘴转动。如采用步进电机调节，则需加装步进电机控制器(其属于成熟 技术)，可采用4个喷嘴倾角调节装置，也即4个步进电机，每个单侧喷嘴两 边配置2个步进电机为一组(一侧一个)，这2个电机须同步控制，2组之间 可同步控制相向运动，也可每组单独控制，主要用于一些特殊情况下熔覆，如 非垂直喷粉、异形曲面或其他特殊要求。采用4个步进电机作为驱动装置6-15， 可以获得更好的平顺性，同时也可以减小对步进电机扭矩的要求。

通过喷嘴倾角调节装置，配合激光器的光斑指示器和喷粉指示器10，使 得激光熔烧适应于不同熔烧角度(可以与三维机器臂配合——即将激光器与喷 嘴装在机器臂进行熔烧加工)、不同光斑、不同载气流速、不同喷粉量和不同 粉末的喷粉需求。这些特征主要通过喷粉指示器汇聚点与激光器焦点相对位置 进行调整，条形光斑时，下喷时采用与激光器相同的聚焦方式(参见图14(a))， 也即喷粉指示器汇聚点与激光器焦点(光斑指示器指示位置)重合，上喷时， 喷粉指示器汇聚点比激光器焦点略远(参见图14(b))，侧喷时，喷粉指示器 汇聚点比激光器焦点(光斑指示器指示位置)略偏上一点(参见图14(c))。

喷嘴倾角调节装置配合喷粉指示器6-10对喷嘴进行调节，喷粉指示器6-10 所指方向是在标准载气流速和标准喷粉量情况下，垂直向下喷粉所喷出的方 向，标准情况下喷粉采用与激光器相同的对焦方式，通常也是采用上离焦，对 于条形光斑若激光器经验上多采用3mm或者更大的上离焦，喷粉也可采用相 同的上离焦，以便粉末能均匀覆盖所有光斑区域，有些情况则需要实践中加以 总结，以获得最佳喷粉角度。

四、打印控制平台

打印控制平台根据所需打印精度，采用常规的三维步进控制移动平台。打 印控制平台包括打印机控制器、打印平台5、水平导轨6和升降平台7，其中， 打印机控制器连接水平导轨6和升降平台7，打印平台5通过水平导轨6安装 在升降平台7上；打印机控制器用于根据单点打印控制模块3发送的信息控制 水平导轨6和升降平台7进行三个维度的移动(三个维度的移动量对应于打印 输出控制文件file2中的x₂、y₂、z₂的三个序列坐标)。升降平台7用于实现 打印平台5沿z方向(即竖直方向)步进移动，水平导轨6用于带动打印平台 5在x、y方向(即水平方向)上步进移动，实现打印平台5相对于激光喷嘴 的运动。

优选的，为了阻隔金属在激光打印时因为高温而引起的氧化反应，在打印 平台5上设置1个气室23，其形状为上端开口的箱体，打印工件置于气室23 底部，气室23的侧边高过打印工件最高处时激光头的位置(也即要高过此时 喷嘴顶部)，同时需要留出一定的余量。气室23的气体来源于喷嘴的内、外保 护气，通过喷嘴的内、外保护气体不断地对流失的气体进行补充，使打印工件 一直置于充满非活泼气体(惰性气体或氮气)中。

五、打印控制平台

打印控制平台根据所需打印精度，采用常规的三维步进控制移动平台。打 印控制平台包括打印机控制器、打印平台5、水平导轨6和升降平台7，其中， 打印机控制器连接水平导轨6和升降平台7，打印平台5通过水平导轨6安装 在升降平台7上；打印机控制器用于根据单点打印控制模块3发送的信息控制 水平导轨6和升降平台7进行三个维度的移动(三个维度的移动量对应于打印 输出控制文件file2中的x、y、z的三个序列坐标)。升降平台7用于实现打 印平台沿z方向(即竖直方向)步进移动，水平导轨6用于带动打印平台5在 x、y方向(即水平方向)上步进移动，实现打印平台相对于激光喷嘴6的运 动。

优选的，为了阻隔金属在激光打印时因为高温而引起的氧化反应，在打印 平台5上设置1个气室，其形状为上端开口的箱体，打印工件置于气室底部， 气室的侧边高过打印工件最高处时激光头的位置(也即要高过此时喷嘴顶部)， 同时需要留出一定的余量。气室的气体来源于喷嘴的内、外保护气，通过喷嘴 的内、外保护气体不断地对流失的气体进行补充，使打印工件一直置于充满非 活泼气体(惰性气体或氮气)中。

六、单点输出控制模块

本发明中，打印控制主要依靠单点输出控制模块控制激光打印头、打印移 动平台和条形喷嘴，协同工作。单点输出控制模块3用于生成打印输出控制文 件；用于打印开始和结束时对喷嘴的开关控制；用于根据打印控制文件中的激 光信息实时控制每个激光器的亮灭；用于将打印控制文件中的移动信息实时发 送给打印控制平台，以控制打印控制平台带动打印工件完成三个方向的扫描， 完成工件的打印。

1、生成打印输出控制文件

在3D打印领域，激光束和供料***与打印工件之间的相对运动由伺服电 机带动采用步进方式行进，即可采用工件不动而激光束与供料***运动，亦可 采用激光束与供料***不动而工件运动的方式，无论哪种方式，其都是按照步 进、激光烧熔步骤循环，设x方向步进时间t₁，步进速度为v₁，步进长度为a， 熔烧时间t_s，y方向步进时间t₂，步进速度为v₂，若v₂＝v₁，步进长度为b，z 方向步进时间t₃，步进速度为v₃，步进长度为c。设熔烧所需能量密度为e， 单个激光器输出功率为p，输出效率为η，则只要满足：

p≥ea²/ηt_s

就能够满足3D金属激光打印所需功率。

在一个加工单元(完成一次激光烧熔及一个x方向步进)需要时间为 t₀＝t₁+t_s＝a/v₁+t_s，则x方向打印速度为：

对于金属3D打印，通常t_s>>t₁，也即t₀≈t_s，则有

二维半导体激光器阵列1的输出尾纤排列成m×n的平行四边形二维阵 列，激光束经尾纤输出通过微透镜阵列后光斑直径为a，a实际上也就是激光 打印的步进长度，一维的光斑a堆积为线，二维的光斑a堆积为面。二维半导 体激光器阵列1的尾纤排布如图3所示，d为尾纤直径，通常情况下d>a，线 阵情况下加工精度的极限只能达到d，而通过本发明中错位排列的激光阵列加 工精度能够达到a，a的大小与尾纤直径d无关，只取决于光斑大小，相邻尾 纤的纵向间隔为n×a(n×a>d—加工要求)，横向间隔也即各列距离为s×a(s ×a>d—加工要求，s为正整数，以方便加工为宜，在满足条件下尽量小，可 取s＝n)，这样，在一个加工时间单元能够同时完成m×n点的打印，打印面 积为m×n×a²。

对于常规的单点扫描控制过程，只需要按照三维打印数据文件依次读取数 据完成x方向、y方向和z方向扫描即可，按照该点打印控制信息进行打印即 可。但对于本发明的激光阵列结构，则打印控制文件要两次转换：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件 file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1。 其中，三维打印数据文件file0为通用的数据格式，类似于CT扫描的切片点 阵信息，file0文件有4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标 位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标(即在每个方向上距离起 始点的步数)，x、y方向上的步长均为a(即为光斑直径)，z方向上步长为c (c为单层堆叠厚度或者一次熔烧所沉积金属的厚度，其与激光功率密度、打 印粉末材料和喷粉量有关，针对不同打印粉末材料会有一个最佳单层堆叠厚 度、相应的激光功率密度和熔烧时间，可根据实验获得，实施例中取c＝0.1mm)， p为对应坐标点的打印控制信息：1为实(打印)，0为空(不打印)；x∈[0,A-1]， y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数。

阵列打印数据控制文件file1为过渡文件，其包含6个数据项，以(x₁,y₁,z₁,i,j,p₁)表示，前三项x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z 的方向上的序列坐标、第四五项i、j分别对应激光阵列位置坐标、第六项表 示的是其相应的打印控制信息，这实际上相当于将一个三维空间的点阵打印业 务，转换到伪五维空间的点阵打印作业——三个空间维度，两个激光阵列控制 维度。阵列打印数据控制文件file1的数据项(x₁,y₁,z₁,i,j,p₁)与原始三维打 印数据文件file0中数据(x,y,z,p)对应关系如下：

x₁＝x+(n-mod(y,n))×s；

y₁＝Ceiling(y/(m×n))-1；

z₁＝z；

i＝INT(y,n)；

j＝mod(y,n)；

p₁＝p；

式中mod(y,n)表示y除以n的余数，Ceiling()为把数值向上舍入为整数， INT(y,n)表示y除以n下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,A+n×s-1]；

y₁∈[0,Ceiling(B/(m×n))-1]；

z₁∈[0,C-1]；

i∈[0,m-1]；

j∈[0,n-1]；

p₁∈[0,1]；

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2， file2包含3+m×n个数据项，其中，前3个数据项是x₂,y₂,z₂,分别表示x、y、 z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a(即为光斑直径)，y方向上步 长为b＝m×n×a，z方向上步长为c；m×n个数据项是相应的m×n个激光头对 应的打印控制信息。

x₂＝x₁；

y₂＝y₁；

z₂＝z₁；

m×n个数据项的序号分别为0，1，…，i*m+j，…，m*n-1；其中第i*m+j 项的取值为file1中对应(x₁,y₁,z₁,i,j)坐标对应的p值，也即p₂(i*m+j) ＝p₁(x₁,y₁,z₁,i,j)，其中i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]。

自此，得到打印输出控制文件file2,该文件就是顺序打印输出控制文件， 遍历该文件即可完成顺序扫描打印操作。如果想要采取效率更高的奇偶扫描打 印，还需要对打印输出控制文件file2按照奇偶扫描的方式进行排序或建立索 引，也即按关键字{(-1)^mod(y2,2)*x₂+mod(y₂,2)*(A-1),y₂,z₂}排序或建立索引,遍 历按照排序或建立索引后文件即可完成奇偶扫描打印操作，为了便于统一描述 打印过程，这两个文件都称为打印输出控制文件file2。

2、打印控制方法

步1，单点输出控制模块3生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块3读取打印输出控制文件file2中的第一个数据， 将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块3将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送 给打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个序列坐标，控制水平导 轨6和升降平台7的移动，从而带动打印平台5上的工件移动；

步6，单点输出控制模块3根据当前数据中的m×n个激光头对应的打印 控制信息，来控制半导体激光器阵列1中每个激光器的亮灭，延时一个熔烧时 间。

步7，单点输出控制模块3读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执 行步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块3控制喷嘴停止工作，工件打印结束。

本发明中，m×n尾纤阵列可看成n个激光列，每列有m个激光点，每列 中2点之间的间隔为n×a，不同列的起始位置不同，相邻列起始点位置错开1 个光斑大小a，将m×n阵列激光输出分散在n列能够避免激光阵列过于密集 而难以加工，对于减小激光输出光斑和提高加工精度创造了很大的提升空间， 这m×n个激光器由相互独立的控制单元控制，其相当于m×n个3D激光打 印机并行工作。相比于传统激光3D打印，利用本发明使得打印效率提高倍，通常情况下，A>>n×s，B>>m×n，也即打印效率可 以提高m×n倍。

实施例：

***初始化，单点输出控制模块3从打印输出控制文件file2中读取该位 置的打印控制信息，根据读取m×n个激光头对应的打印控制信息，控制点亮 打印控制信息为1的激光器，开启定时器T，延时一个激光熔烧时间，关闭所 有激光激光器，读取file2中下一个数据，重复上述过程，直至file2所有数 据读取完毕，工件打印完成。

针对合金金属粉末，熔烧所需的能量密度会有所不同，大约在10J/mm²， 光斑大小a＝0.1mm，x方向扫描速度为步进长度除以步进时间与熔烧时间之和， 即v₁＝a/t₀＝a/(t_s+t₁)，由于步进时间相比于熔烧时间很短，可以忽略，这样可 以近似的认为t_s≈t₀，设x方向最大扫描速度v₁＝50mm/s，则要求Bar输出功率：

则有单激光器输出功率为p＝60W，即可满足打印能量要求，换言之，对于激光 器输出功率为p＝60W，则可实现方向扫描速度为：

二维面阵打印每次扫描宽度取12mm，则一个点(一个激光器)打印宽度 为0.1mm，则打印12mm宽度需要120个点阵，也就是说需要120个独立控制 的带尾纤输出激光器组成的一个二维激光阵列，将尾纤排列成12×10的二维 阵列。

本实施例中，打印速度为v＝b×c×v₁＝12×0.1×54＝64.8(mm³/s),打印速 度是单点激光速度的120倍。如果进一步提高阵列所含激光器数量，可以进一 步提高打印速度,比如采用100×100阵列的激光阵列可将打印速度提升10000 倍。

Claims (10)

1.一种二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，包括由m×n个带有尾纤输出的半导体激光器组成的半导体激光器阵列、二维面阵光纤排列及整形装置、单点输出控制模块、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；其中，二维面阵光纤排列及整形装置与半导体激光器阵列的激光输出尾纤相连，用于对半导体激光器阵列输出的激光阵列进行排列整形；半导体激光器阵列的每个半导体激光器、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台分别与单点输出控制模块相连；条形同轴送粉喷嘴位于二维面阵光纤排列及整形装置的激光输出端，且位于打印控制平台的打印平台上方。

2.如权利要求1所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述二维面阵光纤排列及整形装置包括二维阵列尾纤固定器、微透镜阵列、微透镜阵列支架、激光边界指示器及激光封口镜，其中，m×n个带有尾纤输出的半导体激光器阵列的尾纤通过二维阵列尾纤固定器固定为m×n的平行四边形，用于形成m×n的平行四边形的激光光束阵列；微透镜阵列包括m×n个微透镜，它们通过微透镜阵列支架安装在二维阵列尾纤固定器下方，实现每个半导体激光器输出尾纤下方对应一个微透镜；激光封口镜安装在阵列微透镜支架的下端。

3.如权利要求2所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述二维阵列尾纤固定器包括固定板，该固定板上分布有多个排列为平行四边形的孔；相邻孔之间的纵向间隔即相邻行的距离为n×a，横向间隔即相邻列的距离为s×a，s为正整数，a为光斑直径。

4.如权利要求2所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述激光边界指示器包括4个安装在微透镜阵列的四角位置处的可见光半导体激光器。

5.如权利要求1所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。

6.如权利要求5所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

7.如权利要求5任一所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。

8.如权利要求7所述的二维光纤面阵高精度激光3D金属打印机，其特征在于，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

9.一种应用于权利要求1-8任一所述的二维面阵高精度激光3D金属打印机的文件转换方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据要打印的工件的结构扫描文件得到三维打印数据文件file0，并将三维打印数据文件file0转换为阵列打印数据控制文件file1；所述三维打印数据文件file0有4个数据项，分别为(x,y,z,p)，x、y、z分别表示目标位置相对于打印起始点在x、y、z方向上的序列坐标，x、y方向上的步长均为a，z方向上步长为c，p为对应坐标点的打印控制信息；x∈[0,A-1]，y∈[0,B-1]，z∈[0,C-1]，A、B、C分别是x、y、z方向上的最大扫描步数；所述阵列打印数据控制文件file1包含6个数据项，以(x₁,y₁,z₁,i,j,p₁)表示，前三项x₁,y₁,z₁表示该坐标系下对应的分别是x、y、z的方向上的序列坐标、第四五项i、j分别对应激光阵列位置坐标、第六项表示的是其相应的打印控制信息；文件file1与文件file0中数据的关系如下：

x₁＝x+(n-mod(y,n))×s；

y₁＝Ceiling(y/(m×n))-1；

z₁＝z；

i＝INT(y,n)；

j＝mod(y,n)；

p₁＝p；

式中mod(y,n)表示y除以n的余数，Ceiling()为把数值向上舍入为整数，INT(y,n)表示y除以n下舍取整，取值范围分别是：

x₁∈[0,A+n×s-1]；

y₁∈[0,Ceiling(B/(m×n))-1]；

z₁∈[0,C-1]；

i∈[0,m-1]；

j∈[0,n-1]；

p₁∈[0,1]；

第二步，将阵列打印数据控制文件file1转换为打印输出控制文件file2，file2包含3+m×n个数据项，其中，前3个数据项是x₂,y₂,z₂,分别表示x、y、z的方向上的序列坐标，x方向上的步长均为a，y方向上步长为b＝m×n×a，z方向上步长为c；m×n个数据项是相应的m×n个激光头对应的打印控制信息，file2与file1中数据关系如下：

x₂＝x₁；

y₂＝y₁；

z₂＝z₁；

m×n个数据项的序号分别为0，1，…，i×m+j，…，m×n-1；其中第i×m+j项的取值为file1中对应(x₁,y₁,z₁,i,j)坐标对应的p值，也即p₂(i×m+j)＝p₁(x₁,y₁,z₁,i,j)，其中i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]。

10.一种采用权利要求1-8任一所述的二维面阵高精度激光3D金属打印机的打印控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步1，单点输出控制模块3生成三维打印数据文件file2；

步2，启动喷嘴；

步3，单点输出控制模块读取打印输出控制文件file2中的第一个数据，将其作为当前数据；

步4，单点输出控制模块将当前数据中的x、y、z的三个序列坐标发送给打印机控制器；

步5，打印机控制器根据接收到的x、y、z的三个序列坐标，控制水平导轨和升降平台的移动，从而带动打印平台上的工件移动；

步6，单点输出控制模块根据当前数据中的m×n个激光头对应的打印控制信息，来控制半导体激光器阵列中每个激光器的亮灭，延时一个熔烧时间；

步7，单点输出控制模块读取下一条数据，将其作为当前数据，重复执行步4-步6，直至打印输出控制文件file2中数据读取完毕；

步8，单点输出控制模块控制喷嘴停止工作，工件打印结束。