CN105216332A - 三维打印机及三维打印机的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印机及三维打印机的打印方法。三维打印机包括框架、打印平台、第一打印头、第二打印头和加热装置，第一打印头用于装载粉末材料并把粉末材料喷涂在打印平台上；第二打印头用于装载粘结剂并把粘结剂喷涂在打印平台上的粉末材料上，粘结剂用于粉末材料的初步固化；加热装置用于对打印平台上的粉末材料的二次固化。这种3D打印机相比于FDM类型的3D打印机而言，打印效率显著提高，层与层之间的粘结关系更加牢固而不易发生分离；且相比于SLM类型的3D打印机而言，其消耗的能源更少，降低打印成本。

Description

三维打印机及三维打印机的成型方法

技术领域

本发明涉及三维成型领域，具体地说，是涉及一种采用粉末材料进行三维物体成型的三维打印机及其成型方法。

背景技术

三维（3D）快速成型，也被称为增材制造，基本原理是通过打印或铺设连续的材料层来产生三维物体。三维快速成型设备或三维打印机通过转换物体的三维计算机模型并产生一系列截面切片来工作，然后，打印每个切片，一个在另一个的顶部上，从而产生最终的三维物体。

三维快速成型的方法主要包括的类型为：立体平板印刷或光固化（Stereolithography,SLA)、分层实体制造（Laminatedobjectmanufacturing,LOM)、选择性激光熔化（SelectivelaserMelting,SLM)、熔融沉积成型（Fuseddepositionmodeling,FDM)。

目前，市面上FDM类型的3D打印最为常见，这种类型的3D打印机的生产成本较低，且打印的操作较为便利，初学者容易掌握。其主要原理是将线状丝材如PLA等通过高温喷嘴熔融，然后利用后续线材的连续挤压，将熔融状的材料通过喷嘴出口挤出，然后熔融状材料层层堆积产生三维物体，例如在申请号为CN201410827191.9、CN201510054483.8和CN201510313735.4的中国发明专利申请文件中记载了FDM类型的三维打印机及其工作原理。由于上述3D打印机采用丝料熔融后分层累积的方法，打印成型时间一般较长，并且，由于成型材料的层与层之间仅是通过熔融状的材料黏结后冷却连接在一起的，而当层与层之间的材料温度不同时，就会造成层与层之间的粘接关系不牢固，造成成型物体的强度也较低。甚至，当三维成型物体在放置一段时间之后，层与层之间会出现分开的现象。

另外，利用粉末激光烧结成型的SLM类型的3D打印也是一种重要的机型，其基本原理是用粉末材料在打印平台上铺设一层后用激光选择性烧结，然后用粉末材料再铺设下一层，再激光烧结一次，循环上述步骤后可得到三维立体实物。但是激光烧结的方式需要耗费大量的能源才能使得粉末高温熔化成型，并且这种3D打印设备需要非常专业的维护，消耗的成本极大。例如申请号为201420377082.7的中国实用新型专利申请公开了一种金属粉末激光烧结三维打印机，通过铺粉辊完成打印平台上的铺粉工作，之后再进行选择性激光烧结，这种打印机不仅铺粉工作的效率不高，而且激光烧结的过程需要耗费大量能源且也会降低工作效率。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种通过粉末材料成型的三维打印机。

本发明的另一目的是提供一种三维打印机的打印方法。

本发明提供的三维打印机包括框架、打印平台，打印平台设置在框架上；三维打印机还包括第一打印头、第二打印头和加热装置，第一打印头用于装载粉末材料并把粉末材料喷涂在打印平台上；第二打印头用于装载粘结剂并把粘结剂喷涂在打印平台上的粉末材料上，粘结剂用于粉末材料的初步固化；加热装置用于对打印平台上的粉末材料的二次固化。

由上述方案可见，通过第一打印头在打印平台上喷涂粉末材料，使用第二打印头喷涂的粘结剂对粉末材料进行初步固化，当三维物体的整体打印完成之后，通过加热装置的加热作用即可完成三维物体的二次固化而成型。这种3D打印机相比于FDM类型的3D打印机而言，打印效率显著提高，层与层之间的粘结关系更加牢固而不易发生分离；且相比于SLM类型的3D打印机而言，其消耗的能源更少，降低打印成本。

一个优选的方案是，粉末材料为金属粉末；或者粉末材料由金属粉末和石蜡粉末组成；或者粉末材料由金属粉末和液体石蜡组成；或者粉末材料由金属粉末和树脂粉末组成；或者粉末材料由低密度聚乙烯粉末和石蜡粉末组成。

由上述方案可见，当粉末材料中含有石蜡粉末、树脂粉末时，由于石蜡粉末、树脂粉末本身就是粘结剂，因此它们能够增强对金属粉末等成型材料的初步固化效果，使成型后的三维物体的强度更高。

进一步优选的方案是，按重量比:粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成；或者粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡液体组成；或者粉末材料由50%的石蜡粉末和50%的低密度聚乙烯粉末组成。

由上述方案可见，经过对不同比例的粉末材料的试验后，发现上述比例的粉末材料是较为优化的实施例，其可以进一步增强成型粉末材料的粘结效果。

一个优选的方案是，加热装置的加热温度覆盖初步加热区间和高温加热区间，初步加热区间为100℃至200℃，高温加热区间为800℃至2000℃；第一打印头与第二打印头以邻接方式布置；第一打印头包括装粉口、储粉仓和打印喷嘴，储粉仓的内部设置有可旋转的螺杆，打印喷嘴设置在储粉仓的下游端，装粉口设置在储粉仓的上游端。

由上述方案可见，当粘结剂喷涂在粉末材料上之后可以在常温下完成对粉末材料的初步固化，当对粘结剂进行温度加热之后，例如采用优化的初步加热区间100℃至200℃对粘结剂进行加热，则粘结剂对粉末材料的固化作用更强。在打印平台上喷涂粉末材料时，第一打印头和第二打印头以邻接方式布置的主要优点是，能够实现一边喷涂粉末材料，一边喷涂粘结剂的技术效果，打印效率相应提高。

本发明提供的三维打印机的成型方法，包括以下步骤:首先，在三维打印机的打印平台上喷涂粉末材料；然后，在粉末材料上喷涂粘结剂，粘结剂对打印平台上的粉末材料初步固化；接着，粉末材料在打印平台上逐层堆积后形成三维物体初品；最后，把三维物体初品在800℃至2000℃的环境下二次固化形成三维物体成品。

由上述方案可见，在打印平台上喷涂粉末材料，使用粘结剂对粉末材料进行粘结的初步固化，粉末材料能够初步成型，当三维物体的整体打印完成之后，通过加热装置的加热作用即可完成三维物体的二次固化成型。相比于FDM类型的3D打印方法，效率显著提高，层与层之间的粘结关系更加牢固而不易发生分离；相比于SLM类型的3D打印方法，其消耗的能源减少，降低打印成本。

一个优选的方案是，在初步固化的步骤中，使打印平台上的粉末材料和粘结剂置于100℃至200℃的环境下。

由上述方案可见，当粘结剂喷涂在粉末材料上之后可以在常温下完成对粉末材料的初步固化，当对粘结剂进行温度加热之后，例如采用优化的加热区间100℃至200℃对粘结剂进行加热，则粘结剂对粉末材料的固化作用更强。

一个优选的方案是，粉末材料为金属粉末；或者粉末材料由金属粉末和石蜡粉末组成；或者粉末材料由金属粉末和液体石蜡组成；或者粉末材料由金属粉末和树脂粉末组成；或者粉末材料由低密度聚乙烯粉末和石蜡粉末组成。

由上述方案可见，当粉末材料中含有石蜡粉末、树脂粉末等粘结剂的时候，粘结剂能够增强对金属粉末等成型材料的固化效果，使成型后的三维物体的强度更高。

进一步优选的方案是，粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成；或者粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡液体组成；或者粉末材料由50%的石蜡粉末和50%的低密度聚乙烯粉末组成。

由上述方案可见，经过对不同比例的粉末材料的试验后，发现上述比例的粉末材料是较为优化的实施例，其可以进一步增强成型粉末材料的粘结效果。

一个优选的方案是，采用螺杆送粉的方式把粉末材料喷涂在打印平台上；在打印平台上喷涂一层粉末材料之后再喷涂粘结剂，或者在打印平台上喷涂粉末材料的同时喷涂粘结剂。

由上述方案可见，螺杆送粉的方式容易控制粉末材料的喷涂流量，实现方法比较容易。而同时喷涂粘结剂和粉末材料的方案可以提高打印工作效率。

一个优选的方案是，在打印平台上形成的粉末材料的层厚度范围在0.1毫米至0.5毫米之间。

由上述方案可见，粉末材料的层厚度的控制能够增强粘结剂对粉末材料层与层之间的固化作用，既可避免由于粉末材料层过厚导致粉末材料的初步固化效果下降，也可避免粉末材料层过薄而造成工作效率下降的问题。

附图说明

图1是本发明三维打印机第一实施例的第一打印头、打印平台等组件的结构图。

图2本发明三维打印机第二实施例的第一打印头、第二打印头和打印平台等组件的结构图。

图3本发明三维打印机第三实施例的第一打印头、第二打印头和打印平台等组件的结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

在本发明的实施例中，三维打印机的框架结构可以是多个板围成的框架，也可以是多个杆组成的框架，其主要作用是为了安装或者固定三维打印机上的其它部件，作为优选的方案，框架形成隔热密闭空间，这样可以减少加热装置在加热过程中的热量损失，有助于三维物体的二次固化成型。

在本发明的实施例中，第一打印头和第二打印头可以相对于打印平台在三个维度方向相对运动，这个过程是三维打印机的基本成型原理，其可以采用本领域中所公知的技术实现打印头相对于打印平台的相对运动。其中一种方式为第一打印头和第二打印头均可以在水平方向上进行二维方向的运动，而打印平台可以在竖直方向上运动，例如在申请号为CN201510054483.8和CN201410609259.6的中国发明专利申请文件中均公开了水平方向二维(X、Y方向）运动的打印头和竖直方向（Z方向）运动的打印平台。在其它实施例中，也可以保持打印平台在固定位置，打印头在一定空间范围内任意三维方向运动，例如在申请号为CN201310246765.9的中国发明专利申请，或者在申请号为CN201420137806.0的中国实用新型专利申请中公开了一种打印平台始终处于固定位置，而打印头可以相对于打印平台在三维方向移动的方案。

在本发明的实施例中，第一打印头中的粉末材料优选采用螺杆送粉的方式把粉末材料由打印头的喷嘴喷涂到打印平台，另外，还可以采用可收缩式的容器向外喷射的方式把粉末材料喷涂到打印平台上。此外，还可以通过电动阀门控制流量的方式把第一打印头内的粉末材料喷涂到打印平台上。

在本发明的实施例中，粉末材料可以是金属粉末，金属粉末具体可以是铜粉、铝粉或者混合性金属粉末。在其它实施例中，粉末材料由金属粉末和石蜡粉末组成。作为优选方案，按重量比，粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成。在其它实施例中，粉末材料由金属粉末和液体石蜡组成，作为优选方案，按重量比，粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡液体组成。在其它实施例中，粉末材料由金属粉末和树脂粉末组成。在其它实施例中，粉末材料由低密度聚乙烯粉末和石蜡粉末组成，低密度聚乙烯粉末用于三维物体成型，作为优选方案，粉末材料由50%的石蜡粉末和50%的低密度聚乙烯粉末组成。

在本发明的实施例中，粘结剂可以是石蜡粉末、液体石蜡、巴西棕榈蜡、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯缩丁醛、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯或尼龙等，实际选用时，只要粘结剂对粉末材料能够起到初步的固化作用即可。当粘结剂为固态时，可以在第二打印头上安装加热装置以使粘结剂熔化，另外，还可以通过下面提到的初步加热区间对粘结剂进行加热熔化。

在本发明的实施例中，加热装置的加热温度覆盖初步加热区间和高温加热区间，初步加热区间为100℃至200℃，高温加热区间为800℃至2000℃，加热装置也可以包括第一加热装置和第二加热装置，其中第一加热装置用于实现初步加热区间，而第二加热装置用于高温加热区间的二次固化。作为优选方案，第一打印头与第二打印头以邻接方式布置。加热装置的加热方式可以采用公知的加热方法实现，例如电加热、涡流加热等方式。

本发明提供的三维打印机的成型方法包括以下步骤。

首先，在三维打印机的打印平台上涂覆粉末材料，作为优选方案，采用螺杆送粉的方式把粉末材料喷涂在打印平台上，且在打印平台上形成的粉末材料的层厚度范围控制在0.1毫米至0.5毫米之间。

然后，在粉末材料上喷涂粘结剂，粘结剂对打印平台上的粉末材料初步固化，作为优选方案，在初步固化的步骤中，使打印平台上的粉末材料和粘结剂置于100℃至200℃的环境下。

接着，粉末材料在打印平台上逐层堆积后形成三维物体初品。粘结剂和粉末材料的堆积方式具体可以采取下面的方式：第一种方式：首先在打印平台上喷涂得到第一层粉末材料，然后在第一层上再喷涂粘结剂，接着再把第二层粉末材料喷涂到第一层粉末材料的粘结剂上面。第二种方式：首先在打印平台上得到第一层粉末材料，然后在第一层粉末材料上再喷涂粘结剂，喷涂粘结剂的同时也喷涂第二层粉末材料，也就是在第一层粉末材料上形成局部区域的粘结剂之后也可以直接在这个局部区域喷涂第二层粉末材料，以加快工作效率且粘结剂的初步固化效果也会增强。

最后，把三维物体初品在800℃至2000℃的环境下二次固化形成三维物体成品，根据具体使用的粉末材料的性质，加热装置的高温加热区间800℃至2000℃可以进行适当的调节，一般情况下，由于加热装置的温度较高超过了石蜡等粘结剂的沸点，因此粉末材料层与层之间的粘结剂或者粉末材料内的粘结剂如液体石蜡会逸出到三维物体之外。

第一实施例：

如图1所示，三维打印机包括框架（未示出）、打印平台10、第一打印头11、第二打印头12（未示出）和加热装置（未示出）。

第一打印头11具有装粉口13、储粉仓14和打印喷嘴15，储粉仓14内设置有可旋转的螺杆16，在控制系统对螺杆16的控制旋转作用下，储粉仓14内的粉末材料可以由打印喷嘴15喷涂到打印平台10上。本实施例的粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成（或树脂材料粉末）。第二打印头12内装有石蜡液体作为粘结剂。

使用三维打印机进行打印操作时，首先，第一打印头11的打印喷嘴15在打印平台10上喷涂形成第一层粉末材料17。然后，启动第二打印头12，第二打印头12的打印喷嘴把粘结剂喷涂到第一层粉末材料17之上，粘结剂会包裹住金属粉末，继续在打印平台10上喷涂第二层粉末材料18和进行初步固化的步骤，直到形成三维物体初品。

最后，然后把三维物体初品通过加热装置在高温环境800℃至2000℃下二次固化形成三维物体成品，并使三维物体初品内部的粘结剂石蜡以及粉末材料内的石蜡粉末挥发逸出三维物体之外，最终完成三维物体的成型。

第二实施例：

按重量比，本实施例的粉末材料由50％的石蜡粉末和50％的低密度聚乙烯粉末组成，其中低密度聚乙烯为成型材料，也就是加热装置在800℃至2000℃的环境温度下完成二次固化时，石蜡粉末会挥发逸出，而三维物体成品由低密度聚乙烯材料构成。

如图2所示，本实施例的第一打印头20与第二打印头21邻接设置，当第二打印头21在第一层粉末材料22上的局部区域喷涂粘结剂后，即可用第一打印头20在这个局部区域喷涂第二层粉末材料23。

第三实施例：

如图3所示，本实施例的加热装置设置在第一打印头30的附近如邻接设置，加热装置具有初步加热区间100℃至200℃，其可以对打印平台上的粉末材料和粘结剂进行加热，从而使初步固化的效果更好。

本实施例的粉末材料由90%的金属粉末31和10%的液体石蜡32组成，通过螺杆混合后形成一定粘度的打印粉末材料，其可以从第一打印头30的打印喷嘴32处喷涂到打印平台33上，经过第二打印头34喷涂的粘结剂的初步固化后得到三维物体初品，最后经过加热装置的高温加工处理，就生成三维物体成品。

最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如对第一打印头、第二打印头的喷涂方式进行变化等设计也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.三维打印机,包括：

框架；

打印平台，所述打印平台设置在所述框架上；

其特征在于：

所述三维打印机还包括：

第一打印头，所述第一打印头用于装载粉末材料并把所述粉末材料喷涂在所述打印平台上；

第二打印头，所述第二打印头用于装载粘结剂并把所述粘结剂喷涂在所述打印平台上的粉末材料上，所述粘结剂用于粉末材料的初步固化；

加热装置，所述加热装置用于对所述打印平台上的粉末材料的二次固化。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述粉末材料为金属粉末；或者所述粉末材料由金属粉末和石蜡粉末组成；或者所述粉末材料由金属粉末和液体石蜡组成；或者所述粉末材料由金属粉末和树脂粉末组成；或者所述粉末材料由低密度聚乙烯粉末和石蜡粉末组成。

3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于,

按重量比:所述粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成；或者所述粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡液体组成；或者所述粉末材料由50%的石蜡粉末和50%的低密度聚乙烯粉末组成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的三维打印机，其特征在于：

所述加热装置的加热温度覆盖初步加热区间和高温加热区间，所述初步加热区间为100℃至200℃，所述高温加热区间为800℃至2000℃；

所述第一打印头与所述第二打印头以邻接方式布置；

所述第一打印头包括装粉口、储粉仓和打印喷嘴，所述储粉仓的内部设置有可旋转的螺杆，所述打印喷嘴设置在所述储粉仓的下游端，所述装粉口设置在所述储粉仓的上游端。

5.三维打印机的成型方法，其特征在于，包括以下步骤:

首先，在三维打印机的打印平台上喷涂粉末材料；

然后，在粉末材料上喷涂粘结剂，所述粘结剂对所述打印平台上的粉末材料初步固化；

接着，粉末材料在所述打印平台上逐层堆积后形成三维物体初品；

最后，把所述三维物体初品在800℃至2000℃的环境下二次固化形成三维物体成品。

6.根据权利要求5所述的三维打印机的成型方法，其特征在于：

在所述初步固化的步骤中，使所述打印平台上的粉末材料和粘结剂置于100℃至200℃的环境下。

7.根据权利要求5所述的三维打印机的成型方法，其特征在于：

所述粉末材料为金属粉末；或者所述粉末材料由金属粉末和石蜡粉末组成；或者所述粉末材料由金属粉末和液体石蜡组成；或者所述粉末材料由金属粉末和树脂粉末组成；或者所述粉末材料由低密度聚乙烯粉末和石蜡粉末组成。

8.根据权利要求7所述的三维打印机的成型方法，其特征在于,按重量比：

所述粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡粉末组成；或者

所述粉末材料由90%的金属粉末和10%的石蜡液体组成；或者

所述粉末材料由50%的石蜡粉末和50%的低密度聚乙烯粉末组成。

9.根据权利要求5所述的三维打印机的成型方法，其特征在于：

采用螺杆送粉的方式把所述粉末材料喷涂在所述打印平台上；

在所述打印平台上喷涂一层所述粉末材料之后再喷涂所述粘结剂，或者在所述打印平台上喷涂所述粉末材料的同时喷涂所述粘结剂。

10.根据权利要求5至9任一项所述的三维打印机的成型方法，其特征在于：

在所述打印平台上形成的粉末材料的层厚度范围在0.1毫米至0.5毫米之间。