CN108067619A - 三维打印机、三维打印机的成型方法和金属三维物体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属三维物体、三维打印机及其成型方法，三维打印机包括打印头组件、打印平台和烧结成型室，打印头组件包括金属丝料供给通道、金属粉末供给通道以及至少一个打印喷嘴，金属丝料供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属粉末供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料，金属粉末通道用于供给其中至少包括金属粉末的第二打印材料，打印头组件用于挤出第一打印材料和第二打印材料；打印平台用于承载打印头组件挤出的第一打印材料和第二打印材料形成的初步固化物体；初步固化物体具有至少一个成型层，成型层具有外层和内层。三维打印机成型的金属三维物体密实，强度高，同时机械性能好。

Description

三维打印机、三维打印机的成型方法和金属三维物体

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，具体地说，是涉及一种三维打印机、三维打印机的成型方法以及这种方法产生的金属三维物体。

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（Laminated object manufacturing, LOM)、选择性激光熔化（Selective laser Melting, SLM)、熔融沉积成型（Fuseddepositionmodeling, FDM)等。

目前，市面上FDM类型的3D打印机最为常见，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（聚乳酸）通过高温打印喷嘴熔融，然后利用后续线材的连续挤压，将熔融状的材料通过打印喷嘴出口挤出，然后熔融状材料在打印平台上层层堆积而产生三维物体，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分层累积的方法，这样会造成打印成型时间较长。并且由于成型材料的层与层之间仅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，造成成型物体的结构强度较低且不稳定。当三维成型物体在放置一段时间之后，层与层之间甚至会出现分开的现象。

并且，目前利用FDM挤出金属丝料打印三维物体的过程中涉及到后续除脂加热处理的过程。在除脂加热后金属三维物体的内部，容易存在蜂窝状的孔隙，这样严重影响金属三维物体整体的强度和机械性能。

另外，对于粉末激光烧结成型的SLM类型的 3D打印，其基本原理是在打印平台上铺设一层粉末材料后再用激光选择性烧结，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在高温熔化后成型，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。例如在申请号为201420377082 .7的中国发明专利申请中公开了一种金属粉末激光烧结三维打印机，其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三维打印机的成型方法，通过该成型方法成型的金属三维物体的结构稳定、强度高、机械性能好。

本发明的另一目的是提供一种三维打印机，该三维打印机打印的金属三维物体的结构稳定、强度高、机械性能好。

本发明的再一目的是提供一种金属三维物体，该金属三维物体的结构稳定、强度高、机械性能好。

为实现上述主要目的，本发明提供一种三维打印机的成型方法，三维打印机包括打印头组件、打印平台和烧结成型室，打印头组件包括金属丝料供给通道、金属粉末供给通道以及至少一个打印喷嘴，金属丝料供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属粉末供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料，金属粉末通道用于供给其中至少包括金属粉末的第二打印材料，打印头组件用于挤出第一打印材料和第二打印材料；打印平台用于承载打印头组件挤出的第一打印材料和第二打印材料形成的初步固化物体；烧结成型室用于对初步固化物体进行烧结成型；三维打印机在打印平台上成型的初步固化物体具有至少一个成型层，成型层具有外层和内层；三维打印机的成型方法包括如下步骤：打印头组件内的第一打印材料熔融沉积在打印平台上并形成外层；打印头组件内的第二打印材料填充在外层围成的空间内并形成内层；第一打印材料和第二打印材料交替挤出并形成初步固化物体；把初步固化物体烧结固化为成型物体。

一个优选的方案是，烧结成型的温度控制在1350℃至1380℃。

为实现上述另一目的，本发明提供一种三维打印机，包括打印头组件、打印平台和烧结成型室，打印头组件包括金属丝料供给通道、金属粉末供给通道以及至少一个打印喷嘴，金属丝料供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属粉末供给通道与其中一个打印喷嘴连通，金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料，金属粉末通道用于供给其中至少包括金属粉末的第二打印材料，打印头组件用于挤出第一打印材料和第二打印材料；打印平台用于承载打印头组件挤出的第一打印材料和第二打印材料形成的初步固化物体；烧结成型室用于对初步固化物体进行烧结成型处理。

一个优选的方案是，打印头组件包括第一打印头和第二打印头，金属丝料供给通道位于第一打印头内，金属粉末供给通道位于第二打印头内，第一打印头包括依次连通的导向管、喉管和第一打印喷嘴，喉管的周向外壁上设置有第一加热装置，第一打印材料依次经过导向管和喉管并从第一打印喷嘴挤出到打印平台上，第二打印头包括腔室、螺杆、进料口、第二加热装置和第二打印喷嘴，进料口设置在腔室的上游段，第二打印喷嘴设置在腔室的下游端，螺杆可旋转地设置在腔室中，腔室用于盛装第二打印材料，第二加热装置设置在腔室的周壁上，螺杆旋转并带动第二打印材料从第二打印喷嘴挤出。

进一步的方案是，三维打印机还包括喷头，喷头位于打印头组件的一侧,喷头向挤出后的第二打印材料上喷涂水或粘结剂,水或粘结剂对挤出后的第二打印材料进行初步固化。

一个优选的方案是，打印头组件包括第一引导装置、第二引导装置、第一加热装置和一个打印喷嘴，第一引导装置包括相连通的导向管和喉管，第二引导装置包括腔室、螺杆、进料口和第二加热装置，进料口设置在腔室的上游端，螺杆可旋转地设置在腔室中，腔室用于盛装第二打印材料，第二加热装置设置在腔室的周壁上，打印喷嘴设置在腔室的下游端，喉管和腔室均与打印喷嘴连通，第一加热装置设置在喉管及腔室外，用于加热打印喷嘴内的第一打印材料和/或第二打印材料，第一打印材料依次经过导向管和喉管并从打印喷嘴挤出到打印平台上，第二打印材料被螺杆挤压从打印喷嘴挤出到打印平台上。

一个优选的方案是，第二打印材料还包括粘结剂，第二打印材料由金属粉末与粘结剂混合形成。

一个优选的方案是，打印头组件和打印平台设置在密闭室内，密闭室的内部为真空环境或惰性气体环境；烧结成型室的内部为真空环境或惰性气体环境。

一个优选的方案是，初步固化物体具有至少一个成型层，成型层具有外层和内层，成型层按照下面的步骤进行成型：打印头组件把第一成型材料熔融沉积在打印平台上并形成外层；打印头组件把第二成型材料填充在外层围成的空间内并形成内层；第一打印材料和第二打印材料交替挤出并形成初步固化物体；初步固化物体在烧结成型室中烧结固化为成型物体。

为实现上述再一目的，本发明提供一种金属三维物体，金属三维物体经过三维打印机获得，金属三维物体包括成型层，成型层具有外层和内层，其中，外层为由第一打印材料打印形成的框架，内层填充为由至少包括金属粉末的第二打印材料打印成型的内部填充物。

本发明的有益效果是，在三维打印机的成型过程中，金属丝状的第一打印材料形成外层框架后向其中填充挤出后的包括金属粉末的第二打印材料。这样的结构相对于现有的全部用金属线材熔融沉积打印的金属三维物体，可减少脱脂过程中材料疏松的情况；相对于现有的采用金属粉末和粘结剂熔融沉积打印的金属三维物体，可精确控制打印出来的金属三维物体的形状，避免金属粉末高温熔化后流动造成的成型精度差的问题。采用本发明的成型方法形成的金属三维物体更密实，质量更稳定，强度更高，同时机械性能更好。

附图说明

图1是本发明三维打印机第一实施例的原理图。

图2是本发明三维打印机第一实施例打印的金属三维物体一个成型层的示意图。

图3是本发明三维打印机第一实施例的打印头组件在打印平台上成型过程的示意图。

图4是本发明三维打印机第一实施例中第一打印头的结构示意图。

图5是本发明三维打印机第一实施例中第二打印头的结构示意图。

图6是本发明三维打印机第二实施例的打印头组件在打印平台上成型过程的示意图。

图7是本发明三维打印机第二实施例中打印头组件的结构示意图。

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

三维打印机第一实施例

参见图1，本实施例的三维打印机包括打印头组件1、打印平台2、控制装置10和烧结成型室，烧结成型室的内部为真空环境或惰性气体环境。

烧结成型室用于对初步固化物体3进行烧结成型处理，烧结步骤的温度优选控制在1350℃至1380℃，高温烧结工艺在粉末金属的成型工艺中比较常见，其主要目的是增强三维物体的结构强度，本领域技术人员可以针对不同类型的金属粉末材料选取合适的温度对初步固化物体进行烧结成型。

参见图2和图3，三维打印机打印获得的初步固化物体包括成型层4，成型层4具有外层41和内层42，其中，外层41为由金属丝状的第一打印材料打印形成的框架，内层42填充为由金属粉末和粘结剂混合而成的第二打印材料打印成型的内部填充物。实际应用中，可根据需要来调整外层41和内层42各占的比例来调整金属三维物体的性能。

打印头组件1包括第一打印头11和第二打印头12。打印平台2用于承载打印头组件1挤出的第一打印材料和第二打印材料形成的初步固化物体。打印头组件1由控制装置10进行控制并相对于打印平台2进行三维方向的移动。具体地，控制装置10对打印头组件1的第一打印头11和第二打印头12分别控制，即分别控制第一打印头11和第二打印头12相对于打印平台2的移动，它们相互之间不干扰。

参见图3和图4，第一打印头11包括依次连通的导向管111、喉管112和第一打印喷嘴113，喉管112的周向外壁上设置有第一加热装置114，第一打印材料依次经过导向管111和喉管112并从第一打印喷嘴113挤出到打印平台2上，导向管111、喉管112以及第一打印喷嘴113的内部依次连通并形成金属丝料供给通道，金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料。

参见图3和图5，第二打印头12包括腔室121、螺杆122、进料口123、第二加热装置124和第二打印喷嘴125，进料口123设置在腔室121的上游段，第二打印喷嘴125设置在腔室121的下游端，螺杆122可旋转地设置在腔室121中，第二加热装置124设置在腔室121的内周壁上。在其他实施例中，第二加热装置124也可以设置在腔室121的外周壁上。第二加热装置124用于加热腔室121内的第二打印材料，第二加热装置124具体为电加热线圈，在其他实施例中也可以采用其它形成的加热装置。打印头的腔室121用于盛装第二打印材料，第二打印材料由进料口123补充到腔室121内，第二打印材料由金属粉末和粘结剂均匀混合而成。螺杆122能够旋转并带动第二打印材料从第二打印喷嘴125挤出。进料口123、腔室121以及第二打印喷嘴125依次连通并形成金属粉末供给通道，金属粉末通道用于供给金属粉末和粘结剂混合形成的第二打印材料。

金属粉末可以是铜粉、铝粉或者混合性金属粉末。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。

上述三维打印机的打印方法包括如下步骤。

开始打印时，打印头组件1内的金属丝状的第一打印材料经过导向管111和喉管112，最终由第一打印喷嘴113挤出，熔融沉积在打印平台2上并形成外层41和底层43部分。

接着，在需要打印内部填充层时，把具有金属粉末的第二打印材料由进料口123持续性加载到腔室121内，通过螺杆122的旋转作用带动第二打印材料由第二打印喷嘴125不断挤出，并填充在外层41围成的空间内形成内层42。

接着，第一打印材料和第二打印材料交替挤出并形成初步固化物体。

接着，对初步固化物体进行催化脱脂，用于脱脂过程的催化剂为硝酸，催化温度为110℃左右。

最后，把经过催化脱脂的初步固化物体移动至烧结成型室内，移动方式可以是手动移动或者通过自动化控制把打印平台2自动移动到烧结成型室内。把初步固化物体在烧结成型室内烧结固化后形成了成型的金属三维物体。烧结的温度一般控制在1350℃至1380℃。烧结的时间通常根据初步固化物体的大小情况确定。经过高温烧结处理，使金属三维物体的外层41和内层42充分熔融混合，冷却固化后形成具有新的金属性能的金属三维物体，该金属三维物体的结构更密实、强度更高、质量更稳定。

三维打印机第二实施例

作为对本发明三维打印机第二实施例的说明，以下仅对与三维打印机第一实施例的不同之处进行说明。

参见图6和图7，本实施例的打印头组件5包括第一引导装置51、第二引导装置52、第一加热装置53和一个打印喷嘴54。第一引导装置51包括相连通的导向管511和喉管512，导向管511、喉管512以及打印喷嘴54依次连通并形成金属丝料供给通道。第二引导装置52包括腔室521、螺杆522、进料口523和第二加热装置524。进料口523、腔室521以及打印喷嘴54依次连通并形成金属粉末供给通道。进料口523设置在腔室521的上游端，螺杆522可旋转地设置在腔室521中，腔室521用于盛装第二打印材料，第二加热装置524设置在腔室521的周壁上，打印喷嘴54设置在腔室521的下游端，喉管512和腔室521均与打印喷嘴54连通，第一加热装置53设置在喉管512及腔室521外，第一引导装置51和第二引导装置52插接在第一加热装置53上。

在需要打印金属丝料时，第一加热装置53用于加热打印喷嘴54内的第一打印材料；在需要打印金属粉末时，第一加热装置53用于加热打印喷嘴54内的第二打印材料；在打印金属丝料向打印金属粉末过程转换的过渡阶段，或打印金属粉末向打印金属丝料过程转换的过渡阶段，第一加热装置53同时加热打印喷嘴54内的第一打印材料和第二打印材料。

第一打印材料依次经过导向管511和喉管512并从打印喷嘴54挤出到打印平台上，第二打印材料被螺杆522挤压从打印喷嘴54挤出到打印平台上。

三维打印机第三实施例

作为对本发明三维打印机第三实施例的说明，以下仅对与三维打印机第一实施例的不同之处进行说明。

本实施例中，第二打印材料只有金属粉末。本实施例的三维打印机还包括喷头，喷头位于打印头组件的一侧,喷头向挤出后的第二打印材料上喷涂水或粘结剂,水或粘结剂对挤出后的第二打印材料进行初步固化。

此外，打印头组件和打印平台也可以设置在密闭室内，密闭室的内部为真空环境或惰性气体环境。

本发明的有益效果是，在三维打印机的成型过程中，金属丝状的第一打印材料形成外层框架后向其中填充挤出后的包括金属粉末的第二打印材料。这样的结构相对于现有的全部用金属线材熔融沉积打印的金属三维物体，可减少脱脂过程中材料疏松的情况；相对于现有的采用金属粉末和粘结剂熔融沉积打印的金属三维物体，可精确控制打印出来的金属三维物体的形状，避免金属粉末高温熔化后流动造成的成型精度差的问题。采用本发明的成型方法形成的金属三维物体更密实，质量更稳定，强度更高，同时机械性能更好。

最后需要强调的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如金属粉末成分的改变，脱脂工艺及烧结工艺的调整等也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.三维打印机的成型方法，其特征在于，所述三维打印机包括：

打印头组件，所述打印头组件包括金属丝料供给通道、金属粉末供给通道以及至少一个打印喷嘴，所述金属丝料供给通道与其中一个所述打印喷嘴连通，所述金属粉末供给通道与其中一个所述打印喷嘴连通，所述金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料，所述金属粉末通道用于供给其中至少包括金属粉末的第二打印材料，所述打印头组件用于挤出所述第一打印材料和所述第二打印材料；

打印平台，所述打印平台用于承载所述打印头组件挤出的所述第一打印材料和所述第二打印材料形成的初步固化物体；

烧结成型室，所述烧结成型室用于对所述初步固化物体进行烧结成型；

所述三维打印机在所述打印平台上成型的所述初步固化物体具有至少一个成型层，所述成型层具有外层和内层；

所述三维打印机的成型方法包括如下步骤：

所述打印头组件内的所述第一打印材料熔融沉积在所述打印平台上并形成所述外层；

所述打印头组件内的所述第二打印材料填充在所述外层围成的空间内并形成所述内层；

所述第一打印材料和所述第二打印材料交替挤出并形成所述初步固化物体；

把所述初步固化物体烧结固化为成型物体。

2.根据权利要求1所述的三维打印机的成型方法，其特征在于：

烧结成型的温度控制在1350℃至1380℃。

3.三维打印机，其特征在于，包括：

打印头组件，所述打印头组件包括金属丝料供给通道、金属粉末供给通道以及至少一个打印喷嘴，所述金属丝料供给通道与其中一个所述打印喷嘴连通，所述金属粉末供给通道与其中一个所述打印喷嘴连通，所述金属丝料供给通道用于供给金属丝状的第一打印材料，所述金属粉末通道用于供给其中至少包括金属粉末的第二打印材料，所述打印头组件用于挤出所述第一打印材料和所述第二打印材料；

打印平台，所述打印平台用于承载所述打印头组件挤出的所述第一打印材料和所述第二打印材料形成的初步固化物体；

烧结成型室，所述烧结成型室用于对所述初步固化物体进行烧结成型处理。

4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于：

所述打印头组件包括第一打印头和第二打印头，所述金属丝料供给通道位于所述第一打印头内，所述金属粉末供给通道位于所述第二打印头内，所述第一打印头包括依次连通的导向管、喉管和第一打印喷嘴，所述喉管的周向外壁上设置有第一加热装置，所述第一打印材料依次经过所述导向管和所述喉管并从所述第一打印喷嘴挤出到所述打印平台上，所述第二打印头包括腔室、螺杆、进料口、第二加热装置和第二打印喷嘴，所述进料口设置在所述腔室的上游段，所述第二打印喷嘴设置在所述腔室的下游端，所述螺杆可旋转地设置在所述腔室中，所述腔室用于盛装所述第二打印材料，所述第二加热装置设置在所述腔室的周壁上，所述螺杆旋转并带动所述第二打印材料从所述第二打印喷嘴挤出。

5.根据权利要求4所述的三维打印机，其特征在于：

所述三维打印机还包括喷头，所述喷头位于所述打印头组件的一侧，所述喷头向挤出后的第二打印材料上喷涂水或粘结剂，所述水或所述粘结剂对所述挤出后的第二打印材料进行初步固化。

6.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于：

所述打印头组件包括第一引导装置、第二引导装置、第一加热装置和一个所述打印喷嘴，所述第一引导装置包括相连通的导向管和喉管，所述第二引导装置包括腔室、螺杆、进料口和第二加热装置，所述进料口设置在所述腔室的上游端，所述螺杆可旋转地设置在所述腔室中，所述腔室用于盛装所述第二打印材料，所述第二加热装置设置在所述腔室的周壁上，所述打印喷嘴设置在所述腔室的下游端，所述喉管和所述腔室均与所述打印喷嘴连通，所述第一加热装置设置在所述喉管及所述腔室外，用于加热所述打印喷嘴内的所述第一打印材料和/或所述第二打印材料，所述第一打印材料依次经过所述导向管和所述喉管并从所述打印喷嘴挤出到所述打印平台上，所述第二打印材料被所述螺杆挤压从所述打印喷嘴挤出到所述打印平台上。

7.根据权利要求4或6所述的三维打印机，其特征在于：

所述第二打印材料还包括粘结剂，所述第二打印材料由所述金属粉末与所述粘结剂混合形成。

8.根据权利要求3至6任一项所述的三维打印机，其特征在于：

所述打印头组件和所述打印平台设置在密闭室内，所述密闭室的内部为真空环境或惰性气体环境；

所述烧结成型室的内部为真空环境或惰性气体环境。

9.根据权利要求3至6任一项所述的三维打印机，其特征在于：

所述初步固化物体具有至少一个成型层，所述成型层具有外层和内层，所述成型层按照下面的步骤进行成型：

所述打印头组件把所述第一成型材料熔融沉积在所述打印平台上并形成所述外层；

所述打印头组件把所述第二成型材料填充在所述外层围成的空间内并形成所述内层；

所述第一打印材料和所述第二打印材料交替挤出并形成所述初步固化物体；

所述初步固化物体在所述烧结成型室中烧结固化为成型物体。

10.金属三维物体，所述金属三维物体经过三维打印机获得，其特征在于：

所述金属三维物体包括成型层，所述成型层具有外层和内层，所述外层为由第一打印材料打印形成的框架，所述内层填充为由至少包括金属粉末的第二打印材料打印成型的内部填充物。