本技术属于激光金属增材制造，具体涉及一种光斑整形定制化激光金属3d打印装置。
背景技术：
1、激光熔覆（laser cladding），亦称激光熔敷或激光包覆，是一种新的表面改性技术。该技术通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束，使得熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝，从而在基材表面形成冶金结合的添料熔覆层。
2、从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：1、对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片、轧辊、齿轮等；2、对产品的表面修复，如转子、模具等；3、激光增材制造，通过同步送粉或送丝的方式，进行逐层的激光熔覆，进而获得具有三维结构的零部件。
3、其中，激光熔覆在激光增材制造中的应用与激光金属3d打印的原理近似。激光金属3d打印是一种先进的增材制造技术，该技术利用激光束作为热源，将金属粉末或丝材逐层熔化并凝固，从而构建出具有复杂几何形状的三维金属零件。
4、激光熔覆和激光金属3d打印技术具有许多优势。首先，它们可以制造出具有复杂内部结构和形状的零件，并且零件表面质量优良，这是传统加工方法难以实现的。其次，因其优异的成形稳定性和更好的质量控制，它们可以实现定制化生产，根据具体需求灵活调整打印参数和材料，从而满足不同应用场合的需求；此外，它们还具有材料利用率高、制造速度相对较高、生产周期短等优点。
5、然而，激光熔覆和激光金属3d打印技术也存在一些挑战和限制。由于金属粉末的熔化和凝固过程需要精确的控制，因此对于激光熔覆装置或激光金属3d打印设备的精度和稳定性要求较高。此外，由于激光束对金属粉末造成高温，因此不仅需要对粉末进行预处理，而且金属粉末材料的性能和质量也会受到打印工艺参数的影响。这些挑战和限制都或多或少制约了激光熔覆和激光金属3d打印技术的应用范围。
6、例如公开号分别为cn101386111a、cn106392314a、cn106583728a、cn107217257a、cn106583920a的中国实用新型专利申请。这些专利申请都是采用了光包粉末或光包丝材的喷头结构，它们所形成的光斑都是先通过分光镜进行分光，然后再通过聚焦镜实现环状光斑或多光斑聚焦。针对激光熔覆成形或激光金属3d打印成形，需要根据零件的截面形状尺寸展开喷头扫描路径的规划，再由喷头沿着所规划的扫描路径，先完成单个截面形状成形，然后逐层叠加，实现零件的最终成形。
7、以如图20所示的圆形、方形以及s形状的零件截面形状为例，零件尺寸越大，其截面上的扫描轨迹就越多，耗时越长，效率越低。同时，单个截面形状是由多个单道熔覆层组成，单道熔覆层与单道熔覆之间逐渐搭接才可以形成整个截面，其搭接的熔覆层越多，越会影响到激光熔覆成形或金属3d成形的尺寸精度和质量。最后，单个截面上的扫描轨迹的增加，由于激光束多次反复照射，也会使得金属组织粗大，影响零件的力学性能。
8、综上，现有技术存在因零件截面形状需要多次扫描的所带来的如耗时长、效率低、多道搭接影响熔覆成形和金属3d成形的尺寸精度及质量等诸多问题，同时也会影响成形零件的力学性能。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种光斑整形定制化激光金属3d打印装置，该装置采用“多激光束+光斑整形”技术方案，可根据零件的截面形状形成整形光斑，以提高激光熔覆和3d零件成形效率、质量以及力学性能。
2、为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
3、一种光斑整形定制化激光金属3d打印装置，包括一个开口上大下小的倒锥形围壳，所述倒锥形围壳的内部通过对应的隔板被分隔为同轴排布的内、中、外三层倒锥形环状通道；且内、中、外三层倒锥形环状通道的纵截面均为形状相对应的定制图形；其中，外层倒锥形环状通道为激光反射聚焦环状通道，中层倒锥形环状通道为送气环状通道，内层倒锥形环状通道为送粉环状通道。
4、所述激光反射聚焦环状通道的顶部环状开口作为激光入射口，所述激光入射口的上方沿其纵截面轨迹均匀地设置有若干准直器，每个所述准直器上均设置有激光器；所述激光反射聚焦环状通道的底部环状开口作为激光喷嘴，对准位于所述倒锥形围壳下方的熔池区域。所述激光反射聚焦环状通道负责将由所述激光入射口射入的平行激光通过多次反射后从所述激光喷嘴射出，并在所述倒锥形围壳下方的熔池区域聚焦形成一道与所述定制图形形状相对应的聚焦光斑。
5、所述激光喷嘴的下方设置有一块与所述激光喷嘴的形状相对应的保护镜，所述保护镜用于防止平时的灰尘或打印的飞溅物体进入到所述激光反射聚焦环状通道的内部污染所述反射聚焦面。
6、所述送气环状通道的顶部开口作为保护气体进气口，所述保护气体进气口的上方沿其纵截面轨迹均匀地设置有若干保护气体软管；所述送气环状通道的底部环状开口作为保护气体喷嘴，对准位于所述倒锥形围壳下方的熔池区域；所述送气环状通道负责将由所述保护气体进气口送入的保护气体通过汇聚后从所述保护气体喷嘴喷出，并在所述倒锥形围壳的下方的熔池区域形成一道与所述定制图形形状相对应的保护气体墙。
7、所述送粉环状通道的顶部环状开口作为金属粉末进粉口，所述金属粉末进粉口的上方沿其纵截面轨迹均匀地设置有若干金属粉末软管；所述送粉环状通道的底部环状开口作为金属粉末喷嘴，对准位于所述倒锥形围壳下方的熔池区域；所述送粉环状通道负责将由所述金属粉末进粉口送入的金属粉末通过汇聚后从所述金属粉末喷嘴喷出，并所述倒锥形围壳的下方的熔池区域形成一道与所述定制图形形状相对应的金属粉末层。
8、进一步的，所述倒锥形围壳的内部设置有第一倒锥形环状隔板，所述第一倒锥形环状隔板的内部设置有第二倒锥形环状隔板，所述第二倒锥形环状隔板的内部设置有第三倒锥形环状隔板；所述倒锥形围壳、所述第一倒锥形环状隔板、所述第二倒锥形环状隔板、所述第三倒锥形环状隔板同轴排布，且所述第一倒锥形环状隔板、所述第二倒锥形环状隔板、所述第三倒锥形环状隔板均与所述倒锥形围壳的纵截面形状相对应；
9、所述倒锥形围壳与所述第一倒锥形环状隔板之间的空间构成所述激光反射聚焦环状通道，且所述倒锥形围壳的内壁与所述第一倒锥形环状隔板的外壁均设置为光滑的反射聚焦面；所述第一倒锥形环状隔板与所述第二倒锥形环状隔板之间的空间构成所述送气环状通道；所述第二倒锥形环状隔板与所述第三倒锥形环状隔板之间的空间构成所述送粉环状通道。
10、进一步的，所述倒锥形围壳、所述第一倒锥形环状隔板、所述第二倒锥形环状隔板、所述第三倒锥形环状隔板的壁面斜度依次减小；且所述激光反射聚焦环状通道的纵截面尺寸由所述激光入射口至所述激光喷嘴逐渐变小，所述激光反射聚焦环状通道通过逐渐缩小的内腔以实现激光光束的汇聚；所述送气环状通道的纵截面尺寸由所述保护气体进气口至所述保护气体喷嘴逐渐变小，所述送气环状通道通过逐渐缩小的内腔以实现保护气体气流的汇聚；所述送粉环状通道的纵截面尺寸由所述金属粉末进粉口至所述金属粉末喷嘴逐渐变小，所述送粉环状通道通过逐渐缩小的内腔以实现金属粉末射流的汇聚。
11、进一步的，所述反射聚焦面由高反射率的紫铜材料或石英材料组成。
12、进一步的，所述倒锥形围壳、所述第一倒锥形环状隔板、所述第二倒锥形环状隔板、所述第三倒锥形环状隔板的顶端面齐平；
13、所述倒锥形围壳的顶部固定设置有一块能覆盖所述激光入射口、所述保护气体进气口和所述金属粉末进粉口的大支撑盖；
14、所述大支撑盖上表面的外圈上均匀地设置有若干个用于安装所述准直器的连接架，所有所述连接架的位置均与所述激光入射口的位置相对应，且所有所述连接架的下端均与所述激光入射口连通，所述准直器安装在对应的所述连接架的上端，且所述准直器通过对应的所述连接架与所述激光反射聚焦环状通道对接；
15、所述大支撑盖上表面的中圈上均匀地设置有若干个保护气体软管接头，所有保护气体软管接头的位置均与所述保护气体进气口的位置相对应，且所有保护气体软管接头的下端均与所述送气环状通道连通，所述保护气体软管连接在对应的所述保护气体软管接头上，且所述保护气体软管通过对应的所述保护气体软管接头与所述送气环状通道对接；
16、所述大支撑盖上表面的内圈上均匀地设置有若干个金属粉末软管接头，所有金属粉末软管接头的位置均与所述金属粉末进粉口的位置相对应，且所有金属粉末软管接头的下端均与所述送粉环状通道连通，所述金属粉末软管连接在对应的所述金属粉末软管接头上，且所述金属粉末软管通过对应的所述金属粉末软管接头与所述送粉环状通道对接。
17、进一步的，所述倒锥形围壳和所述第一倒锥形环状隔板的顶端面高于所述第二倒锥形环状隔板和所述第三倒锥形环状隔板的顶端面，且所述倒锥形围壳和所述第一倒锥形环状隔板的顶端面齐平，所述第二倒锥形环状隔板和所述第三倒锥形环状隔板的顶端面齐平；
18、所述倒锥形围壳的顶部固定设置有一块能覆盖所述激光入射口并同时能露出所述保护气体进气口、所述金属粉末进粉口的镂空支撑盖；
19、所述镂空支撑盖的上表面上均匀地设置有若干个用于安装所述准直器的连接架，所有所述连接架的位置均与所述激光入射口的位置相对应，且所有所述连接架的下端均与所述激光入射口连通，所述准直器安装在对应的所述连接架的上端，且所述准直器通过对应的所述连接架与所述激光反射聚焦环状通道对接；
20、所述镂空支撑盖的镂空处设置有一块能覆盖所述保护气体进气口和所述金属粉末进粉口的第一盖板，
21、所述第一盖板上表面的外圈上均匀地开设有若干个保护气体软管接头，所有所述保护气体软管接头的位置均与所述保护气体进气口的位置相对应，且所有保护气体软管接头的下端均与所述送气环状通道连通，所述保护气体软管固定穿设在对应的所述保护气体软管接头上，且所述保护气体软管通过对应的所述保护气体软管接头与所述送气环状通道对接；
22、所述第一盖板上表面的内圈上均匀地设置有若干个金属粉末软管接头，所有金属粉末软管接头的位置均与所述金属粉末进粉口的位置相对应，且所有所述金属粉末软管接头的下端均与所述送粉环状通道连通，所述金属粉末软管连接在对应的所述金属粉末软管接头上，且所述金属粉末软管通过对应的所述金属粉末软管接头与所述送粉环状通道对接。
23、进一步的，所述第一盖板的上表面设置有一个沿所述送粉环状通道向上延伸的隔离罩壳，所有所述金属粉末软管接头均位于所述隔离罩壳的内部，所有所述保护气体软管接头均位于所述隔离罩壳的外部，所述隔离罩壳的底端与所述第一盖板的上表面固定连接，所述隔离罩壳的顶端向上延伸并高出所述镂空支撑盖，所述隔离罩壳的内部形成用于将所述金属粉末软管接头与所述保护气体软管接头隔开的隔离腔，所述金属粉末软管向下穿过所述隔离罩壳的顶端并伸入所述隔离腔的底部后与各自对应的所述金属粉末软管连接。
24、进一步的，所述倒锥形围壳和所述第一倒锥形环状隔板的底端面齐平，所述第三倒锥形环状隔板的底端面高于所述第一倒锥形环状隔板的底端面，所述第二倒锥形环状隔板的底端面高于所述第三倒锥形环状隔板的底端面；所述保护镜通过对应的锁紧螺丝与所述第一倒锥形环状隔板的底端面固定连接。
25、进一步的，所述第一倒锥形环状隔板、所述第二倒锥形环状隔板、所述第三倒锥形环状隔板的底端面均远低于所述倒锥形围壳的底端面，所述第二倒锥形环状隔板的底端面略高于所述第一倒锥形环状隔板的底端面，所述第三倒锥形环状隔板的底端面与所述第二倒锥形环状隔板的底端面齐平；所述保护镜通过对应的锁紧螺丝与所述倒锥形围壳的底端面固定连接。
26、进一步的，所述定制图形的形状为包括圆环形、方环形在内的闭环形状，或为包括s形、l形在内的线条形状。
27、本实用新型的有益效果为：
28、本实用新型采用“多激光束+光斑整形”技术方案，可以根据零件的截面形状形成一个完整形状的聚焦光斑，如圆环形、方环形等闭环形状或如s形、t形、l形等线条形状，从而有效解决了现有技术中需要根据零件截面形状按轨迹多次扫描所带来的问题，大幅提高了激光熔覆和激光金属3d打印零件的成形效率、尺寸精度、质量以及力学性能。
29、总的来说，本实用新型的光斑整形定制化激光金属3d打印装置无论在激光熔覆还是激光金属3d打印领域均具有广阔应用前景。随着技术的不断发展和完善，本实用新型有望在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域发挥越来越重要的作用，推动制造业的转型升级和创新发展。
30、上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
1.一种光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：包括一个开口上大下小的倒锥形围壳（1），所述倒锥形围壳（1）的内部通过对应的隔板被分隔为同轴排布的内、中、外三层倒锥形环状通道；且内、中、外三层倒锥形环状通道的纵截面均为形状相对应的定制图形；其中，外层倒锥形环状通道为激光反射聚焦环状通道（2），中层倒锥形环状通道为送气环状通道（3），内层倒锥形环状通道为送粉环状通道（4）；
2.根据权利要求1所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述倒锥形围壳（1）的内部设置有第一倒锥形环状隔板（10），所述第一倒锥形环状隔板（10）的内部设置有第二倒锥形环状隔板（11），所述第二倒锥形环状隔板（11）的内部设置有第三倒锥形环状隔板（12）；所述倒锥形围壳（1）、所述第一倒锥形环状隔板（10）、所述第二倒锥形环状隔板（11）、所述第三倒锥形环状隔板（12）同轴排布，且所述第一倒锥形环状隔板（10）、所述第二倒锥形环状隔板（11）、所述第三倒锥形环状隔板（12）均与所述倒锥形围壳（1）的纵截面形状相对应；
3.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述倒锥形围壳（1）、所述第一倒锥形环状隔板（10）、所述第二倒锥形环状隔板（11）、所述第三倒锥形环状隔板（12）的壁面斜度依次减小；且所述激光反射聚焦环状通道（2）的纵截面尺寸由所述激光入射口（201）至所述激光喷嘴（202）逐渐变小；所述送气环状通道（3）的纵截面尺寸由所述保护气体进气口（301）至所述保护气体喷嘴（302）逐渐变小；所述送粉环状通道（4）的纵截面尺寸由所述金属粉末进粉口（401）至所述金属粉末喷嘴（402）逐渐变小。
4.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述反射聚焦面由高反射率的紫铜材料或石英材料组成。
5.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述倒锥形围壳（1）、所述第一倒锥形环状隔板（10）、所述第二倒锥形环状隔板（11）、所述第三倒锥形环状隔板（12）的顶端面齐平；
6.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述倒锥形围壳（1）和所述第一倒锥形环状隔板（10）的顶端面高于所述第二倒锥形环状隔板（11）和所述第三倒锥形环状隔板（12）的顶端面，且所述倒锥形围壳（1）和所述第一倒锥形环状隔板（10）的顶端面齐平，所述第二倒锥形环状隔板（11）和所述第三倒锥形环状隔板（12）的顶端面齐平；
7.根据权利要求6所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述第一盖板（19）的上表面设置有一个沿所述送粉环状通道（4）向上延伸的隔离罩壳（20），所有所述金属粉末软管接头（17）均位于所述隔离罩壳（20）的内部，所有所述保护气体软管接头（16）均位于所述隔离罩壳（20）的外部，所述隔离罩壳（20）的底端与所述第一盖板（19）的上表面固定连接，所述隔离罩壳（20）的顶端向上延伸并高出所述镂空支撑盖（18），所述隔离罩壳（20）的内部形成用于将所述金属粉末软管接头（17）与所述保护气体软管接头（16）隔开的隔离腔，所述金属粉末软管（9）向下穿过所述隔离罩壳（20）的顶端并伸入所述隔离腔的底部后与各自对应的所述金属粉末软管（9）连接。
8.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述倒锥形围壳（1）和所述第一倒锥形环状隔板（10）的底端面齐平，所述第三倒锥形环状隔板（12）的底端面高于所述第一倒锥形环状隔板（10）的底端面，所述第二倒锥形环状隔板（11）的底端面高于所述第三倒锥形环状隔板（12）的底端面；所述保护镜（7）通过对应的锁紧螺丝与所述第一倒锥形环状隔板（10）的底端面固定连接。
9.根据权利要求2所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述第一倒锥形环状隔板（10）、所述第二倒锥形环状隔板（11）、所述第三倒锥形环状隔板（12）的底端面均远低于所述倒锥形围壳（1）的底端面，所述第二倒锥形环状隔板（11）的底端面略高于所述第一倒锥形环状隔板（10）的底端面，所述第三倒锥形环状隔板（12）的底端面与所述第二倒锥形环状隔板（11）的底端面齐平；所述保护镜（7）通过对应的锁紧螺丝与所述倒锥形围壳（1）的底端面固定连接。
10.根据权利要求1所述的光斑整形定制化激光金属3d打印装置，其特征在于：所述定制图形的形状为包括圆环形、方环形在内的闭环形状，或为包括s形、l形在内的线条形状。
