CN106513672A - 金属三维打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属三维打印装置及其打印方法，利用金属粉末通过液态光固化材料作为粘结剂进行位置三维固化，继而可实现金属三维的初步成型，或者利用熔融沉积成型将含有金属材料的成型材料进行打印成像，同时在逐层成型时经过切削装置进行刨平、切削或形状的打磨，后续可通过高温固化烧结将光固化材料去除并实现金属粉末之间的融合连接，最终完成金属模型的三维打印，由于利用的是DLP光固化或FDM熔融沉积进行初步成型，其打印成型效率高和精度高，且本案的金属三维打印装置不仅打印成本较低且结构较为简单，易于维护。

Description

金属三维打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及金属三维打印领域，尤其涉及一种光固化金属三维打印装置、一种熔融沉积成型的金属三维打印装置和各自的打印方法。

背景技术

3D打印机又称三维打印装置，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导3D打印装置逐层打印。3D打印装置在产品制造业获得了广泛的应用。具体按照成型方式FDM 、DLP、SLA、SLS、SLM、3DP等3D成型的方法。

熔融沉积成型(FDM)是通过在水平移动的打印头挤出加热熔融后的成型材料，并在成型座逐层叠堆形成三维模型。另外一种打印方式是激光烧结(SLM)，其利用粉末激光烧结成型，基本原理是用粉末铺设一层后用激光烧结，然后再用粉末铺设一层，再激光烧结一次，循环打印出三维立体实物。

然而上述两种打印方法都存在一定的局限性，如需要大功率的激光头或者高温熔化，才能够实现金属打印，这就需要三维打印设备非常专业的保护，而且能源消耗较多，成本非常高。

而DLP三维打印是利用数字光处理技术使用一个投影仪逐层固化液态光敏树脂，其能够打印出来具有非常精细分辨率的物体。

现有的DLP光固化3D打印装置包括光发射装置、打印平台与树脂槽，打印平台位于树脂槽内，光发射装置朝向打印平台照射，继而在打印平台上逐层形成需要打印的物体。

然而，由于打印平台在树脂槽内上下移动，一方面，由于液体光敏树脂与打印平台的接触，导致打印平台向上的作用力很大，容易导致打印装置液态树脂槽底部材料损坏。另一方面，由于平台的移动将会存在误差，导致打印物体位置以及打印精度存在一定的误差。同时由于一般成像光用于对树脂等液态光固化材料进行照射固化，其能量较小，故无法对金属材料打印成型，使用方面存在局限性。且光固化的成像方式由于成型材料缺乏回收结构，通常会造成成型材料的大量浪费。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种打印成型效率高、精度高和打印成本较低的光固化金属三维打印装置。

本发明的第二目的是提供一种打印成型效率高、精度高和打印成本较低的光固化金属三维打印装置。

本发明的第三目的是提供一种采用熔融沉积成型方式实现快速且高精度的金属材料三维打印成型的金属三维打印装置。

本发明的第四目的是提供一种打印成型效率高、精度高和打印成本较低的光固化金属三维打印装置的打印方法。

本发明的第五目的是提供一种打印成型效率高、精度高和打印成本较低的光固化金属三维打印装置的打印方法。

本发明的第六目的是提供一种采用熔融沉积成型方式实现快速且高精度的金属材料三维打印成型的金属三维打印装置的打印方法。

为了实现本发明第一目的，本发明提供一种光固化金属三维打印装置，包括控制装置、第一平台、刮板、第二平台、光发射装置和切削装置，第一平台接收控制装置输出的第一控制信号，第一平台可沿竖直方向移动，第一平台用于承载成型材料，成型材料包括液态光固化材料和金属粉末，刮板接收控制装置输出的第二控制信号，刮板可沿水平方向移动，第二平台接收控制装置输出的第三控制信号，第二平台可沿竖直方向移动，刮板可将成型材料从第一平台输送至第二平台上，光发射装置接收控制装置输出的第四控制信号，光发射装置位于第二平台的上方，光发射装置朝向第二平台照射，切削装置接收控制装置输出的第五控制信号，切削装置可在第二平台上进行切削移动。

更进一步的方案是，金属粉末的质量在成型材料的质量中的占比大于等于60%；成型材料呈粘稠状液体。

更进一步的方案是，光固化金属三维打印装置还包括清洁装置，清洁装置用于在第二平台上移动和清洁。

由上述方案可见，通过在第一平台上承载成型材料，第二平台用于成像，继而利用刮板逐层地向第二平台输送成型材料，并在光发射装置对成型材料中的液态光固化材料固化，由于成型材料包括液态光固化材料和金属粉末，故金属粉末通过液态光固化材料作为粘结剂进行位置三维固化，继而可实现金属三维的初步成型，同时在逐层光固化成型时经过切削装置进行刨平、切削或形状的打磨，后续可通过高温固化烧结将光固化材料去除并实现金属粉末之间的融合连接，最终完成金属模型的三维打印，由于利用的是DLP光固化进行初步成型，其打印成型效率高和精度高，且相比于昂贵的SLM金属三维打印装置，SLM金属三维打印装置不仅价格高、后期维护成本大、消耗成本高，本案的光固化金属三维打印装置对金属模型的打印不仅打印成本较低且结构较为简单，易于维护。同时金属粉末占60%，成型材料呈粘稠状材料，使得成型材料更为具有附着力，也提高金属打印的成像品质。以及通过清洁装置对切削后的多余的成型材料进行清洁和回收。

为了实现本发明第二目的，本发明提供一种光固化金属三维打印装置，包括控制装置、第一平台、刮板、第二平台、喷嘴、光发射装置和切削装置，第一平台接收控制装置输出的第一控制信号，第一平台可沿竖直方向移动，第一平台用于承载金属粉末，刮板接收控制装置输出的第二控制信号，刮板可沿水平方向移动，第二平台接收控制装置输出的第三控制信号，第二平台可沿竖直方向移动，刮板可将金属粉末从第一平台输送至第二平台，喷嘴接收控制装置输出的第四控制信号，喷嘴用于朝向第二平台喷射液态光固化材料，光发射装置接收控制装置输出的第五控制信号，光发射装置位于第二平台的上方，光发射装置朝向第二平台照射，切削装置接收控制装置输出的第六控制信号，切削装置可在第二平台上进行切削移动。

更进一步的方案是，光固化金属三维打印装置还包括清洁装置，清洁装置用于在第二平台上移动和清洁。

更进一步的方案是，通过在第一平台上承载金属粉末，第二平台用于成像，继而利用刮板逐层地向第二平台输送金属粉末，同时利用喷嘴均匀地朝向金属粉末喷涂液态光固化材料，并在光发射装置对成型材料中的液态光固化材料固化，由于成型材料包括液态光固化材料和金属粉末，故金属粉末通过液态光固化材料作为粘结剂进行位置三维固化，继而可实现金属三维的初步成型，同时在逐层光固化成型时经过切削装置进行刨平、切削或形状的打磨，后续可通过高温固化烧结将光固化材料去除并实现金属粉末之间的融合连接，最终完成金属模型的三维打印，由于利用的是DLP光固化进行初步成型，其打印成型效率高和精度高，且相比于昂贵的SLM金属三维打印装置，SLM金属三维打印装置不仅价格高、后期维护成本大、消耗成本高，本案的光固化金属三维打印装置对金属模型的打印不仅打印成本较低且结构较为简单，易于维护。以及通过清洁装置对切削后的多余的成型材料进行清洁和回收。

为了实现本发明第三目的，本发明提供一种熔融沉积成型的金属三维打印装置，金属三维打印装置包括打印头组件、成型座、移动组件、耗材供给组件和切削装置，移动组件用于移动打印头组件，耗材供给组件用于驱动第一成型材料和第二成型材料输送到打印头组件中，第一成型材料和第二成型材料中的至少一个包括金属材料和粘结剂，打印头组件用于在成型座上挤出第一成型材料和/或第二成型材料，移动组件还用于移动切削装置在成型座上进行切削。

更进一步的方案是，金属三维打印装置还包括清洁装置，移动组件还用于移动清洁装置在成型座上进行清洁。

由上述方案可见，通过耗材供给组件和打印头组件分别打印具有不同金属材料的成型材料，同时采用打印头挤出成像的原理，利用FDM的成型方式进行三维打印，同时在逐层光固化成型时经过切削装置进行刨平、切削或形状的打磨，其成型效率高、精度高、成本低，继而能够实现多金属材料的三维模型打印, 其能够形成具有新金属性能的三维模型。以及通过清洁装置对切削后的多余的成型材料进行清洁和回收。

为了实现本发明第四目的，本发明提供一种光固化金属三维打印装置的打印方法，光固化金属三维打印装置包括控制装置、第一平台、刮板、第二平台、光发射装置和切削装置，第一平台接收控制装置输出的第一控制信号，第一平台可沿竖直方向移动，第一平台用于承载成型材料，成型材料包括液态光固化材料和金属粉末，刮板接收控制装置输出的第二控制信号，刮板可沿水平方向移动，第二平台接收控制装置输出的第三控制信号，第二平台可沿竖直方向移动，光发射装置接收控制装置输出的第四控制信号，光发射装置位于第二平台的上方，切削装置接收控制装置输出的第五控制信号，

打印方法包括：

刮板将成型材料从第一平台输送至第二平台上，并将第二平台上的成型材料刮平；

光发射装置朝向第二平台上照射；

切削装置对位于第二平台上光固化后的成型材料进行切削；

第二平台下降预设距离，第一平台上升预设距离。

为了实现本发明第五目的，本发明提供一种光固化金属三维打印装置的打印方法，包括控制装置、第一平台、刮板、第二平台、喷嘴、光发射装置和切削装置，第一平台接收控制装置输出的第一控制信号，第一平台可沿竖直方向移动，第一平台用于承载金属粉末，刮板接收控制装置输出的第二控制信号，刮板可沿水平方向移动，第二平台接收控制装置输出的第三控制信号，第二平台可沿竖直方向移动，喷嘴接收控制装置输出的第四控制信号，光发射装置接收控制装置输出的第五控制信号，光发射装置位于第二平台的上方，切削装置接收控制装置输出的第六控制信号，

打印方法包括：

刮板将金属粉末从第一平台输送至第二平台上，并将第二平台上的金属粉末刮平；

喷嘴用于朝向第二平台上的金属粉末喷射液态光固化材料；

光发射装置朝向第二平台上照射；

切削装置对位于第二平台上光固化后的成型材料进行切削；

第二平台下降预设距离，第一平台上升预设距离。

为了实现本发明第六目的，本发明提供一种熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法，金属三维打印装置包括打印头组件、成型座、移动组件、耗材供给组件和切削装置，移动组件用于移动打印头组件，耗材供给组件用于驱动第一成型材料和第二成型材料输送到打印头组件中，第一成型材料和第二成型材料中的至少一个包括金属材料和粘结剂；

打印方法包括：

打印头组件在成型座上挤出第一成型材料和/或第二成型材料；

切削装置对位于成型座上的第一成型材料和/或第二成型材料进行切削。

由上述方案可见，通过上述不同方式进行金属三维成像，同时在逐层光固化成型时经过切削装置进行刨平、切削或形状的打磨，其成型效率高、精度高、成本低，上述方案中的光固化金属三维打印方法对金属模型的打印不仅打印成本较低且结构较为简单，易于维护。

附图说明

图1是本发明光固化金属三维打印装置第一实施例结构原理图。

图2是本发明光固化金属三维打印装置第二实施例结构原理图。

图3是本发明光固化金属三维打印装置第三实施例结构原理图。

图4是本发明金属三维打印装置的打印装置第一实施例的原理示意图。

图5是本发明金属三维打印装置的打印装置第二实施例的原理示意图。

图6是本发明三维成型丝料的制造方法实施例的流程图。

图7是本发明三维成型丝料的制造方法实施例的螺杆挤出机和成型挤出机头的结构图。

图8是三维成型丝料实施例的丝状材料处于直线状态和弯曲状态时的示意图。

图9是三维成型丝料实施例的测试图。

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

光固化金属三维打印装置第一实施例：

参照图1，光固化金属三维打印装置包括控制装置1、平台11、容纳腔111、平台12、容纳腔121、刮板21、光发射装置22、切削装置23和清洁装置24，控制装置1采用具有运算能力的单片机和处理芯片，容纳腔111和容纳腔121在上方均设置有开口，平台11位于第一容纳腔中，平台12位于第二容纳腔中。平台11接收控制装置1输出的控制信号，平台11在容纳腔111内可沿竖直方向移动，平台11用于承载成型材料，成型材料包括液态光固化材料和金属粉末，金属粉末的质量在成型材料的质量中的占比大于等于60%，使得成型材料呈粘稠状液体，成型材料可叠堆在平台11上。

平台12接收控制装置1输出的控制信号，平台12可在容纳腔121内沿竖直方向移动，刮板21接收控制装置1输出的控制信号，刮板21呈长条状设置，刮板21可沿水平方向移动。

光发射装置22接收控制装置1输出的控制信号，光发射装置22采用数字激光头并通过DLP方式进行照射成像，光发射装置22位于平台12的上方，光发射装置22朝向平台12照射成像图像光线。

切削装置23接收控制装置1输出的控制信号，清洁装置24与切削装置23连接，切削装置23和清洁装置24可一同在平台12上移动，切削装置23对光固化后的成型材料进行切削和刨平，清洁装置24跟随式的移动可对切削后活刨平后的剩余成型材料进行清洁。优选地，清洁装置可采用负压抽取式地进行清洁，或者清洁装置还可采用扫刷式地进行清洁，或者采用高压喷气式地进行清洁。上述的刮板、清洁装置和切削装置均可采用常规的移动方式进行移动，如螺杆驱动、皮带驱动等常规的移动方式，而切削装置也是可以采用机械手进行更为灵活的移动，使得切削装置能够对三维模型的侧面顶面进行不同角度的加工，当然切削装置和清洁装置是可以单独分别驱动，使得切削装置具有更高的灵活度。

光固化金属三维打印装置的打印方法第一实施例：

上述光固化金属三维打印装置第一实施例进行金属三维成像时，开始时，平台11一般位于容纳腔111内，平台11上叠堆多层成型材料，平台12一般位于容纳腔121的开口处，首先刮板21将成型材料从平台11输送至平台12上，并将成型材料刮平，随后光发射装置22向平台12的成型材料进行照射，由于照射的成像光使得成型材料中的液态光固化材料固化，继而使预设的照射区域固化，而光固化材料作为金属粉末粒子之间的粘结剂，也使得金属粉末在预设的照射区域位置固定。随后切削装置23和清洁装置24移动至光固化后的成型材料上，进行切削并清洁。

然后成像完毕的平台11往上移动预设距离，而平台12往下移动预设距离。随后继续执行刮板21将成型材料输送至平台12上，以及光发射装置22对成型材料进行光固化处理，以及平台的上下移动，直至三维模型逐层打印完毕。最后将初步完成的含有金属粉末的三维模型从平台12上取出，并对其进行高温固化烧结，高温固化烧结会将模型中的光固化材料如树脂去除，并将金属粉末加热熔融和相互结合，最终完成金属三维模型打印。

光固化金属三维打印装置第二实施例：

参照图2，光固化金属三维打印装置包括控制装置3、平台31、容纳腔311、平台32、容纳腔321、刮板41、光发射装置42、喷头43、切削装置44和清洁装置45，控制装置3采用具有运算能力的单片机和处理芯片，容纳腔311和容纳腔321在上方均设置有开口，平台31位于第一容纳腔中，平台32位于第二容纳腔中。平台31接收控制装置3输出的控制信号，平台31在容纳腔311内可沿竖直方向移动，平台31用于承载金属粉末51，金属粉末51可叠堆在平台31上。

平台32接收控制装置3输出的控制信号，平台32可在容纳腔321内沿竖直方向移动，刮板41接收控制装置3输出的控制信号，刮板41呈长条状设置，刮板41可沿水平方向移动。喷头43接收控制装置3输出的控制信号，喷头43可沿水平方向移动，喷头43可呈长条状延伸设置并用于朝向平台32喷射液态光固化材料52。

光发射装置42接收控制装置3输出的控制信号，光发射装置42采用数字激光头并通过DLP方式进行照射成像，光发射装置42位于平台32的上方，光发射装置42朝向平台32照射成像光。

切削装置44接收控制装置1输出的控制信号，清洁装置45与切削装置44连接，切削装置44和清洁装置45可一同在平台32上移动，切削装置44对光固化后的成型材料进行切削和刨平，清洁装置45跟随式的移动可对切削后活刨平后的剩余成型材料进行清洁。

光固化金属三维打印装置的打印方法第二实施例：

上述光固化金属三维打印装置第二实施例进行金属三维成像时，开始时，平台31一般位于容纳腔311内，平台31上叠堆多层成型材料，平台32一般位于容纳腔321的开口处，首先刮板41将金属粉末从平台11输送至平台12上，并将金属粉末刮平，然后喷头43水平移动并朝向平台32上金属粉末51喷射液态光固化材料52，金属粉末51和液态光固化材料52相互融合，由于金属粉末的直径一般在8纳米左右，金属粉末之间容易相互吸引继而易成金属粉末团，其是不容易铺平的，在喷射液态光固化材料52后，为了使该层更加平整，刮板41再对平台32上的金属粉末51和液态光固化材料52再次刮平。

随后光发射装置42向平台32的液态光固化材料52进行照射，由于照射的成像光使得液态光固化材料固化，继而使预设的照射区域固化，而光固化材料作为金属粉末粒子之间的粘结剂，也使得金属粉末在预设的照射区域位置固定。然后切削装置44和清洁装置45移动至光固化后的成型材料上，进行切削并清洁。

然后成像完毕的平台31往上移动预设距离，而平台32往下移动预设距离。随后继续执行刮板41将金属粉末输送至平台32上，再喷射液态光固化材料，以及光发射装置42进行光固化处理，以及平台的上下移动，直至三维模型逐层打印完毕。最后将初步完成的含有金属粉末的三维模型从平台32上取出，并对其进行高温固化烧结，高温固化烧结会将模型中的光固化材料如树脂去除，并将金属粉末加热熔融和相互结合，最终完成金属三维模型打印。

光固化金属三维打印装置第三实施例：

参照图3，并基于上述光固化金属三维打印装置第一和第二实施例的原理上，可对光固化金属三维打印装置的工位进行改进，如设置多个用于承载成型材料或金属粉末的平台61，平台61可分别承载不同金属材料，设置多个承载模型的平台62，并在每个平台62的上方设置用于照射成像的光发射装置，而平台61和平台62之间相互交叉相邻地设置，即多个平台61可以设置在平台62的外周，使得通过设置在侧面的两个刮板63可对平台62进行成型材料输送和刮平，以及通过设置在侧面的两个喷头64通过移动便可对平台62进行喷射，进行多种金属混合打印成型时，可进行交替铺金属粉末以及喷射液态光固化材料，以及设置在侧面的两个切削装置65和清洁装置66，可对平台62上的模型进行切削和清洁,利用多工位的设置实现不同金属的金属三维打印，以及提高打印成型效率。

上述金属粉末可以采用青铜、钴基合金、铜基合金、金基合金、镍基合金、不锈钢、铁、铅、锌合金中的至少一种，以及本案中的第一平台、第二平台、刮板和喷头均内置有移动电机并可沿预设轨道沿水平移动或竖直移动，控制装置通过控制信号控制移动电机的转动便可实现移动。

熔融沉积成型的金属三维打印装置第一实施例：

参照图4，金属三维打印装置包括打印头组件、成型座、移动组件、耗材供给组件、切削装置73和清洁装置74，三维打印装置1安装有X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机(未标示)，X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机构成本实施例的移动组件，在Z轴移动电机上连接有螺杆，Z轴移动电机上通过螺杆驱动成型座在Z轴方向上移动。

X轴移动电机和Y轴移动电机驱动打印头组件在水平XY方向上移动，打印头组件包括打印头71和第二打印头72，打印头71用于挤出所述成型材料711，打印头72用于挤出成型材料712，耗材供给组件可通过滚轮方式将成型材料输送至打印头中。切削装置73和清洁装置74可一同在成型座上移动，切削装置73对成型材料进行切削和刨平，清洁装置74跟随式的移动可对切削后活刨平后的剩余成型材料进行清洁。移动组件还包括对切削装置73和清洁装置74进行移动的移动机构，该移动机构可以采用常规的移动方式进行移动，如螺杆驱动、皮带驱动等常规的移动机构。

熔融沉积成型的金属三维打印装置第二实施例：

参照图5，在金属三维打印装置第二实施例中对打印头组件进行改进，具体为，打印头组件包括引导装置、喷嘴83和加热器82，引导装置连接在耗材供给组件和打印头组件14之间的，引导装置包括壳体81，在壳体81的上端部设置有两个输入端，在壳体81的下端部设置有输出端813，在输入端和输出端813之间连通地开设有通道811，在另一输入端和输出端813之间连通地开设有通道812，通道811和通道812均为壳体81开设的通槽。通道811和通道812在其各自的下端部相互连通地设置，使得通道811和通道812呈Y型树杈状地分布。在通道811和通道812靠近上端部的位置上分别安装有位置检测装置(未表示)，位置检测装置可采用激光检测等常用的位置检测器，通过位置检测装置可对成型材料的位置进行检测，并将位置检测的结果反馈至三维打印装置中。

加热器82套在喷嘴83外，加热器82可对喷嘴83内的成型材料进行加热并使成型材料加热至熔融状态，具体温度大致在150-200摄氏度，其能够将粘结剂加热至熔融状态。加热器82的输入端与输出端813连通设置。

金属三维打印装置第二实施例还包括切削装置84和清洁装置85，切削装置84对成型材料进行切削和刨平，清洁装置85跟随式的移动可对切削后活刨平后的剩余成型材料进行清洁。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第一实施例：

应用上述金属三维打印装置第二实施例，即成型材料711和成型材料712均包括金属材料和粘结剂，且成型材料711的熔点低于成型材料712的沸点，以及成型材料711和成型材料712的熔点相接近。

打印头组件在成型座上挤出成型材料711和成型材料712的步骤包括：

首先，耗材供给组件驱动成型材料711进入至引导装置并驱动，并驱动至打印头组件中，继而加热，然后打印头组件在成型座上挤出一层成型材料711，随后切削装置84和清洁装置85移动至成型材料711上，进行切削并清洁。

随后，成型座下降预设距离后，打印头组件在成型材料711上挤出一层成型材料712，然后切削装置84和清洁装置85移动至成型材料712上，进行切削并清洁。最后实现不同层采用不同金属材料进行三维模型打印。

打印完毕后，从成型座取出，将进行高温烧结，两种金属材料相互熔融混合，形成具有新的金属性能的金属三维模型。

将两种金属材料相互融合打印，还可以先在打印头内进行混合，具体为，成型材料711和成型材料712在打印头组件内混合后形成混合成型材料，在一并从打印头挤出继而形成混合金属三维打印。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第二实施例：

在金属三维打印装置第一第二实施例的应用基础上，在打印一层模型时，可以根据实际模型设计随时切换打印的成型材料，即一层模型同时采用成型材料711和成型材料712进行打印。

上述打印方法第一实施例和第二实施例，其优选的金属材料为，成型材料711的金属材料为锌基合金，锌基合金的熔点在450-480摄氏度，成型材料712的金属材料为铝基合金，锌基合金的熔点温度在580-650摄氏度。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第三实施例：

又或者只采用一种成型材料，即打印头组件在成型座上打印一种成型材料并使其成三维模型。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第四实施例：

应用上述金属三维打印装置第一第二实施例，并对成型材料的性质做出调整，具体为，成型材料711和成型材料712均包括金属材料和粘结剂，且成型材料711的熔点高于成型材料712的沸点。其优选的金属材料为，成型材料712的金属材料为锌基合金，锌基合金的熔点在450-480摄氏度，成型材料711的金属材料为不锈钢合金，不锈钢合金的熔点温度在1200-1300摄氏度。

打印头组件在成型座上挤出成型材料711和成型材料712的步骤包括：

在需要打印一些需要支撑结构的三维模型时，首先打印头组件在成型座上挤出成型材料711，将成型材料711作为支撑部位，来支撑成型材料712的打印。打印一层后，切削装置和清洁装置移动至成型材料711上，进行切削并清洁。

随后执行实体部位的打印，成型座下降预设距离后，打印头组件14在成型材料711上挤出成型材料712，继而实现支撑部位和实体部位的配合打印。打印该层后，切削装置和清洁装置移动至成型材料712上，进行切削并清洁。

打印完毕后，从成型座取出，将进行高温烧结，由于实体部位是成型材料712，故加热至成型材料712熔融温度即可，而成型材料711由于温度低还处于未固化或还处于粉末状态，所以清理和去除成型材料711是较为容易的。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第五实施例：

上述实施例的成型材料均含有金属材料，本实施例采用的方案是，成型材料711包括金属材料和粘结剂，金属材料可采用锌基合金，成型材料712为支撑材料，支撑材料可采用ABS树脂或PLA聚乳酸，成型材料711的熔点高于所述成型材料712的熔点。

打印头组件在成型座上挤出成型材料711和成型材料712的步骤包括：

在需要打印一些需要支撑结构的三维模型时，首先打印头组件在成型座上挤出成型材料712，将成型材料712作为支撑部位，来支撑成型材料711的打印。打印该层后，切削装置和清洁装置移动至成型材料712上，进行切削并清洁。

随后执行实体部位的打印，成型座下降预设距离后，打印头组件在成型材料712上挤出成型材料711，继而实现支撑部位和实体部位的配合打印。打印该层后，切削装置和清洁装置移动至成型材料711上，进行切削并清洁。

打印完毕后，从成型座取出，将进行高温烧结，由于实体部位是成型材料711，故需加热至成型材料711熔融温度，而为ABS树脂或PLA聚乳酸的支撑材料将会气化排出，所以清理和去除成型材料712是较为容易的。

熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法第六实施例：

除了不同金属材料的混合打印外，还可以采用金属材料与非金属材料之间的混合打印，具体为，可采用金属三维打印装置的打印装置第二实施例进行混合打印，第一成型材料包括第一金属材料和第一粘结剂，第二成型材料采用非金属材料，如可采用陶瓷墨水，其用于色彩的成像，或者可采用永磁材料、陶瓷粉末或稀土粉末等，用于改良金属特性。

由上可见，通过耗材供给组件和打印头组件分别打印具有不同金属材料的成型材料，同时采用打印头挤出成像的原理，利用FDM的成型方式进行三维打印，和打印后进行及时切削刨平处理，其成型效率高精度高成本低，继而能够实现多金属材料的三维模型打印,其能够形成具有新金属性能的三维模型。

三维成型丝料的制造方法实施例和三维成型丝料实施例：

上述实施例中的成型材料通过丝状拉伸制作便可形成本实施例中的三维成型丝料，以下实施例具体讲述本案三维成型丝料是如何制作而成和成分配比。

本发明提供的三维成型丝料包括有金属材料、粘结剂、分散剂、柔韧性增强剂以及稳定剂，其中，金属材料占三维成型丝料的总重量的百分比是80%至90%；粘结剂占三维成型丝料的总重量百分比是1%至10%；分散剂占三维成型丝料的总重量百分比是0.1%至5%；柔韧性增强剂占三维成型丝料的总重量百分比是0.1%至5%；稳定剂占三维成型丝料的总重量百分比是0.1%至1%。

优选地，金属材料为Fe/Ni金属材料（铁镍合金）、Wc/Co/Cu金属材料（碳化钨/钴/铜合金）、YBa₂Cu₃O₇金属材料（钇钡铜氧化物）、SiC金属材料（碳化硅）、Si₃N₄金属材料（氮化硅）、Si/Al金属材料（硅铝合金）、Al₂O₃/Tic金属材料（氧化铝/碳化钛复合材料）、铁金属材料、钴金属材料、钼金属材料、铬金属材料、铌金属材料、镍金属材料、锰金属材料、钨金属材料、铜金属材料、铝金属材料。

优选地，粘结剂为石蜡基粘结剂、蜂蜡、硬脂酸、巴西棕榈蜡、乙烯丙烯酸乙酯、苯乙烯丙烯腈（SAN）树脂、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇甲谜醋酸酯、2-吡咯烷酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、乙基纤维素、醋酸纤维、羟丙基纤维素、低氮硝化纤维素、乙烯-丁烯纤维素、聚乙烯缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、尼龙。

优选地，分散剂为以下物质中的至少一种：聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚丙烯酸酯（PEA）。稳定剂为氧化锌类热稳定剂。

优选地，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为0.1：1至10：1。

优选地，金属材料占据的重量百分比是85%至90%；粘结剂占据的重量百分比是4%至9%；分散剂占据的重量百分比是0.5%至3%；柔韧性增强剂占据的重量百分比是0.5%至3%；稳定剂占据的重量百分比是0.5%至0.8%。

第一实施例：

本实施例的三维成型丝料的制造方法包括下面的步骤。

如图6所示，首先，执行准备步骤S1，取得80份铁镍合金（Fe/Ni）金属材料、10份石蜡基粘结剂、0.5份聚酰胺分散剂、0.5份柔韧性增强剂和0.5份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为1：1。

然后，执行挤出步骤S2，把上述金属材料、粘结剂、分散剂、柔韧性增强剂和稳定剂通过螺杆挤出机，并且经过成型挤出机头在100℃至250℃下挤出得到挤出材料。如图7所示，各组份原料经加料口90加入到螺杆挤出机91内，螺杆92持续搅动各组份原料以达到混合均匀的目的，然后经过成型挤出机头93挤出得到挤出材料94。

接着，执行拉丝步骤S3，挤出材料利用拉丝机拉丝得到丝状材料。如图8所示，是丝状材料95可以是直线形式，并且在外力作用发生弯曲变形，同时，在弯曲变形后这种丝状材料95不会发生断裂。在优选的实施方式中，在拉丝步骤后还包括冷却步骤，在冷却步骤中把丝状材料冷却至室温。拉丝后的丝状材料的直径为1.75毫米±0.05毫米。

最后，执行卷丝步骤S4，由于这种丝状材料95可以弯曲变形，因此可以把丝状材料95卷曲在丝料盘上。

本实施例的三维打印装置包括打印平台、打印头和三维成型丝料，打印头可相对于打印平台在三维方向上移动，三维成型丝料缠绕在FDM三维打印装置的丝料盘上。本实施例的三维打印装置的具体结构特征和工作原理请参见背景技术部分。本实施例的三维打印装置的成型方法包括初步成型步骤和烧结步骤，三维成型丝料采用本实施例的三维成型丝料。

在初步成型步骤中，打印头把三维成型丝料熔融后逐层成型在打印平台上形成初步固化物体，且三维成型丝料在打印头内的熔融温度为180℃至350℃。

在烧结步骤中，把上述得到的初步固化物体放置在真空环境下、1200℃高温环境下烧结固化，最终完成三维物体的成型，成型后的物体的密度值为7.70。烧结步骤的具体工艺可参见现有的金属粉末烧结工艺的过程。

第二实施例：

本实施例的三维成型丝料的制造方法包括下面的步骤。

首先，执行准备步骤：取得85份铁镍合金（Fe/Ni）金属材料、10份蜂蜡粘结剂、0.3份聚甲醛分散剂、0.7份柔韧性增强剂和0.2份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为0.3：1。

然后，执行挤出步骤，把上述金属材料、粘结剂、分散剂、柔韧性增强剂和稳定剂通过螺杆挤出机，并且经过成型挤出机头在160℃至190℃下挤出得到挤出材料。

接着，执行拉丝步骤，挤出材料利用拉丝机拉丝得到丝状材料，在优选的实施方式中。在拉丝步骤后还包括冷却步骤，在冷却步骤中把丝状材料冷却至室温。

最后，执行卷丝步骤，把丝状材料卷曲在丝料盘上。

本实施例的三维打印装置包括打印平台、打印头和三维成型丝料，打印头可相对于打印平台在三维方向上移动，三维成型丝料缠绕在FDM三维打印装置的丝料盘上。本实施例的三维打印装置的具体结构特征和工作原理请参见背景技术部分。本实施例的三维打印装置的成型方法包括初步成型步骤和烧结步骤，三维成型丝料采用本实施例的三维成型丝料。

在初步成型步骤中，打印头把三维成型丝料熔融后逐层成型在打印平台上形成初步固化物体，且三维成型丝料在打印头内的熔融温度为200℃至300℃。

在烧结步骤中，把上述得到的初步固化物体放置在真空环境下、1200℃高温环境下烧结固化，最终完成三维物体的成型，成型后的物体的密度值为7.74。烧结步骤的具体工艺可参见现有的金属粉末烧结工艺的过程。

第三实施例：

在执行准备步骤中，取得90份铁镍合金（Fe/Ni）金属粉末材料、10份蜂蜡粘结剂、0.4份聚甲醛分散剂、0.6份柔韧性增强剂和0.3份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为0.5：1。成型后的物体的密度值为7.82。

其它步骤与上述第二实施例相同，不再赘述。

第四实施例：

在执行准备步骤中，取得80份铁镍合金（Fe/Ni）金属粉末材料、10份乙烯丙烯酸乙酯粘结剂、0.3份聚丙烯分散剂、0.7份柔韧性增强剂和0.2份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为0.3：1。成型后的物体的密度值为7.75。

第五实施例：

在执行准备步骤中：取得85份铁镍合金（Fe/Ni）金属材料、10份硬脂酸粘结剂、0.3份聚甲醛分散剂、0.7份柔韧性增强剂和0.4份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为0.8：1。成型后的物体的密度值为7.74。

第六实施例：

在执行准备步骤中：取得85份铁镍合金（Fe/Ni）金属材料、10份硬脂酸粘结剂、0.3份聚乙烯分散剂、0.7份柔韧性增强剂和0.5份氧化锌热稳定剂。其中，柔韧性增强剂为邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物，且邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的重量百分比为1.2：1。成型后的物体的密度值为7.80。

三维成型丝料的第七实施例至第九实施例的实验数据如下表所示：

组别	CrNiMn不锈钢粉末	粘结剂	稳定剂氧化锌	高温烧结温度（℃）	实物三维物体密度
						第七实施例	80%	10%	1%	1300	7.71
第八实施例	85%	10%	1%	1300	7.73
						第九实施例	90%	10%	1%	1300	7.81

第七实施例至第九实施例的未述及的其它步骤和参数与第一实施例相同，不再赘述。

对上述第一实施例至第六实施例得到的三维成型丝料进行样本采样，对这些样本按照标准GB/T9341-2008进行测试。样本的形状为：长80.00毫米（mm)，宽10.00毫米（mm),厚4.11毫米（mm)。样本测试的速度采用线速度：10.0毫米/分钟（mm/min)。样本测试的跨度为66毫米（mm）。

样本的测试结果如下表所示：

测试指标	规定扰度时的负荷	规定扰度时的弯曲应力σfc	弯曲模量Ef	弯曲强度下的弯曲应变εfM	弯曲强度σfM
						单位	N	MPa	MPa	MPa	MPa
平均值	9.293	6.969	642.120	0.142	6.995

其中，第一实施例的样品还得到了如图9所示曲线，曲线示出了应力随着应变(百分比)的变化趋势。

本发明提供的三维成型丝料, 三维成型丝料的弯曲强度大于6.9MPa，从而实现了金属基三维成型丝料的弯曲变形且不会折断。

在其它的实施方式中，本发明的三维成型丝料不包含热稳定剂，并且依然能够完成本发明的发明目的，也就是在不包含热稳定剂的情况下，三维成型丝料的弯曲强度能够达到要求，盘绕在丝料盘上。

在其它的实施方式中，三维成型丝料的组份还包括磁性材料如四氧化三铁，在上述三维成型丝料的制造方法中，在准备步骤和挤出步骤中，磁性材料粉末与其它原料如粘结剂等一起加入混合。三维成型丝料的组份还可以包括着色剂或者染料，以使得丝料具有不同的颜色。柔韧性增强剂例如是增塑剂，增塑剂例如为邻苯二甲酸酯类（或邻苯二甲酸盐类亦称酞酸酯）的化合物，邻苯二甲酸酯类塑化剂包括：邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯（DEHP）、邻苯二甲酸二正辛酯（DNOP或DnOP）、邻苯二甲酸丁苄酯（BBP）、邻苯二甲酸二仲辛酯（DCP）、邻苯二甲酸二环己酯（DCHP）等。本发明进一步对三维成型丝料的组份中的物料所起的作用或机理进行了阐述，但是这种作用机理不对本发明的保护范围起到限制作用。由于金属材料与粘结剂之间的密度相差较远，因此很难形成均匀的混合效果，而在组份中增加分散剂之后就可以对原料的均匀混合起到很好的作用。本发明的金属材料粉末和粘结剂形成丝料后，由于这种丝料的脆性较大，在弯曲的时候容易发生折断，而在组份中增加了柔韧性增强剂如增塑剂之后，其柔韧性或者弯曲强度得到了提升，上述表征结果可以说明。对于本发明的三维成型丝料，当其粘结剂、增塑剂、分散剂采用聚合物材料时，由于聚合物分子的分子量是一个较宽的范围，这就会造成三维成型丝料的熔融温度出现较大范围的波动，例如熔融温度范围在200℃至230℃内，而增加了热稳定剂后，可以使得三维成型丝料的熔融温度限定在一个较小的范围内，例如200℃至205℃之间。

最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如弯曲强度大于6.9MPa,弯曲强度大于6.5MPa的设计等也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.光固化金属三维打印装置，其特征在于，包括：

控制装置；

第一平台，所述第一平台接收所述控制装置输出的第一控制信号，所述第一平台可沿竖直方向移动，所述第一平台用于承载成型材料，所述成型材料包括液态光固化材料和金属粉末；

刮板，所述刮板接收所述控制装置输出的第二控制信号，所述刮板可沿水平方向移动；

第二平台，所述第二平台接收所述控制装置输出的第三控制信号，所述第二平台可沿竖直方向移动，所述刮板可将所述成型材料从所述第一平台输送至所述第二平台上；

光发射装置，所述光发射装置接收所述控制装置输出的第四控制信号，所述光发射装置位于所述第二平台的上方，所述光发射装置朝向所述第二平台照射;

切削装置，所述切削装置接收所述控制装置输出的第五控制信号，所述切削装置可在所述第二平台上进行切削移动。

2.根据权利要求1所述的光固化金属三维打印装置，其特征在于：

所述金属粉末的质量在所述成型材料的质量中的占比大于等于60%；

所述成型材料呈粘稠状液体。

3.根据权利要求1或2所述的光固化金属三维打印装置，其特征在于：

所述光固化金属三维打印装置还包括清洁装置，所述清洁装置用于在所述第二平台上移动和清洁。

4.光固化金属三维打印装置，其特征在于，包括：

控制装置；

第一平台，所述第一平台接收所述控制装置输出的第一控制信号，所述第一平台可沿竖直方向移动，所述第一平台用于承载金属粉末；

刮板，所述刮板接收所述控制装置输出的第二控制信号，所述刮板可沿水平方向移动；

第二平台，所述第二平台接收所述控制装置输出的第三控制信号，所述第二平台可沿竖直方向移动，所述刮板可将所述金属粉末从所述第一平台输送至所述第二平台；

喷嘴，所述喷嘴接收所述控制装置输出的第四控制信号，所述喷嘴用于朝向所述第二平台喷射液态光固化材料；

光发射装置，所述光发射装置接收所述控制装置输出的第五控制信号，所述光发射装置位于所述第二平台的上方，所述光发射装置朝向所述第二平台照射；

切削装置，所述切削装置接收所述控制装置输出的第六控制信号，所述切削装置可在所述第二平台上进行切削移动。

5.根据权利要求4所述的光固化金属三维打印装置，其特征在于：

所述光固化金属三维打印装置还包括清洁装置，所述清洁装置用于在所述第二平台上移动和清洁。

6.一种熔融沉积成型的金属三维打印装置，其特征在于：

所述金属三维打印装置包括打印头组件、成型座、移动组件、耗材供给组件和切削装置，所述移动组件用于移动所述打印头组件，所述耗材供给组件用于驱动第一成型材料和第二成型材料输送到所述打印头组件中，所述第一成型材料和所述第二成型材料中的至少一个包括金属材料和粘结剂，所述打印头组件用于在所述成型座上挤出所述第一成型材料和/或所述第二成型材料，所述移动组件还用于移动所述切削装置在所述成型座上进行切削。

7.根据权利要求6所述的金属三维打印装置，其特征在于：

所述金属三维打印装置还包括清洁装置，所述移动组件还用于移动所述清洁装置在所述成型座上进行清洁。

8.光固化金属三维打印装置的打印方法，其特征在于，所述光固化金属三维打印装置包括：

控制装置；

第一平台，所述第一平台接收所述控制装置输出的第一控制信号，所述第一平台可沿竖直方向移动，所述第一平台用于承载成型材料，所述成型材料包括液态光固化材料和金属粉末；

刮板，所述刮板接收所述控制装置输出的第二控制信号，所述刮板可沿水平方向移动；

第二平台，所述第二平台接收所述控制装置输出的第三控制信号，所述第二平台可沿竖直方向移动；

光发射装置，所述光发射装置接收所述控制装置输出的第四控制信号，所述光发射装置位于所述第二平台的上方；

切削装置，所述切削装置接收所述控制装置输出的第五控制信号，

所述打印方法包括：

所述刮板将所述成型材料从所述第一平台输送至所述第二平台上，并将所述第二平台上的所述成型材料刮平；

所述光发射装置朝向所述第二平台上照射；

所述切削装置对位于所述第二平台上光固化后的成型材料进行切削；

所述第二平台下降预设距离，所述第一平台上升预设距离。

9.光固化金属三维打印装置的打印方法，其特征在于，包括：

控制装置；

第一平台，所述第一平台接收所述控制装置输出的第一控制信号，所述第一平台可沿竖直方向移动，所述第一平台用于承载金属粉末；

刮板，所述刮板接收所述控制装置输出的第二控制信号，所述刮板可沿水平方向移动；

第二平台，所述第二平台接收所述控制装置输出的第三控制信号，所述第二平台可沿竖直方向移动；

喷嘴，所述喷嘴接收所述控制装置输出的第四控制信号；

光发射装置，所述光发射装置接收所述控制装置输出的第五控制信号，所述光发射装置位于所述第二平台的上方；

切削装置，所述切削装置接收所述控制装置输出的第六控制信号，

所述打印方法包括：

所述刮板将所述金属粉末从所述第一平台输送至所述第二平台上，并将所述第二平台上的所述金属粉末刮平；

所述喷嘴用于朝向所述第二平台上的所述金属粉末喷射液态光固化材料；

所述光发射装置朝向所述第二平台上照射；

所述切削装置对位于所述第二平台上光固化后的成型材料进行切削；

所述第二平台下降预设距离，所述第一平台上升预设距离。

10.一种熔融沉积成型的金属三维打印装置的打印方法，其特征在于，所述金属三维打印装置包括打印头组件、成型座、移动组件、耗材供给组件和切削装置，所述移动组件用于移动所述打印头组件，所述耗材供给组件用于驱动第一成型材料和第二成型材料输送到所述打印头组件中，所述第一成型材料和所述第二成型材料中的至少一个包括金属材料和粘结剂；

所述打印方法包括：

所述打印头组件在所述成型座上挤出所述第一成型材料和/或所述第二成型材料；

所述切削装置对位于所述成型座上的所述第一成型材料和/或所述第二成型材料进行切削。