CN111872397A - 一种金属3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属3D打印方法，属于增材制造领域的金属3D打印方法。打印头腔体在加热线圈的作用下开始预热，升温到200～400摄氏度；金属粒料通过进料口进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；打印头的双螺杆结构在电机的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头挤出，被挤出的金属丝材中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在1‑1000mm/s的速度下对挤出的金属丝材在基板进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；对原型件进行热处理。优点是：设备成本低，安全可靠，被加工零件整体烧结成型，不存在局部残余应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种增材制造领域的金属3D打印方法，尤其是能进行定制化的、小批量的、传统制造工艺难以实现的、几何形状复杂的金属三维结构加工方法。
背景技术
现有金属3D打印机的主流技术主要可以分为两类：粉床熔融(Powder bedfusion,PBF)和直接能量沉积(Direct energy deposition,DED)。粉床熔融(PBF)技术应用激光或电子束扫描粉床上的金属粉末，被扫过区域的粉末受热熔化后凝固在一起，这个过程逐层重复直至目标零件加工完毕。直接能量沉积(DED)技术则通过送粉装置将金属粉末和保护气体输送到打印头的正下方，打印头中央的高能激光束将金属粉末加热融化，融化的金属材料随着打印头的移动逐层堆叠和凝固，形成被加工零件。这两类方法都具有能加工复杂几何形状的零件、加工精度高和一次成型等优点，其中直接能量沉积技术因其堆叠成型的特点还可以被应用于破损零件的修补。然而，由于这两种主流的技术都是通过高热量将金属材料融化成型，它们还存在着以下缺点：
1)高精密的激光加工系统造价高，使得加工成本昂贵；
2)高强度的激光存在着安全隐患，威胁操作者的人身安全；
3)加工过程中，被加工区域反复地极速升温降温，会引起较大的残余应力，影响工件的机械性能。
普通塑料打印机采用的是熔融沉积成型技术，该技术使用的耗材是直径为1.75mm的丝状聚合物耗材，熔点在200℃左右，加热后可以融化，在室温下又会冷却凝固成型。耗材由丝线轴供给，线材被旋转的齿轮挤入打印头的加热块。这要求线材具有一定的强度和韧性。被挤入打印头的线材在加热块的作用下融化，并通过打印头挤出，然后按照设计的形状被一层一层地堆叠成型，一个可移动的平台作为基板来支撑被打印的三维结构，每一层打印完毕以后，它就会竖直下降一层的高度，直到整个三维结构被加工出来。
现在已经存在添加了金属微米颗粒的聚合物粘结剂的金属丝状耗材，但是这种金属线材只能用来打印具有金属光泽，看起来像金属的原型件，并不能用来加工高强度的、真正的金属三维结构。现有的塑料打印机的打印头要求丝状线材需要有一定的韧性，才能顺利通过打印头并且保证供应材料的连续性。当耗材中金属材料的比例较高时，丝状线材的韧性会降低、变脆，导致无法打印。当金属颗粒的体积分数超过40％以后，金属线材的韧性会大大降低，变脆，在打印时难以进入打印头，打印过程之中会断裂，导致打印中断。为了保证丝状耗材的柔韧性，这种金属耗材中的金属颗粒的比例比较低，一般体积分数在20％以下，应用现有的金属丝材加工的原型件是无法通过烧结转变成真正的，高强度的金属结构的。因为在烧结过程中，因为聚合物会全部被高温降解，如果粘结剂成分过多(金属材料过少)，那么原型件结构会因因损失过多体积失去支撑而倒塌。因此，尽管有了含金属颗粒的金属丝材，但是普通的塑料3D打印机还是无法用来加工金属三维结构。
发明内容
本发明提供一种金属3D打印方法，以解决现有金属3D打印机价格昂贵、加工产品存在残余应力和现有塑料3D打印机无法打印金属三维结构的问题。
本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体在加热线圈的作用下开始预热，升温到200～400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构在电机的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头挤出，被挤出的金属丝材中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在1-1000mm/s的速度下对挤出的金属丝材在基板进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300～400℃间的某一温度，并且在该温度下保持1～2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到800～1300℃间的某一温度，并且在该温度下保持1～12h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口、驱动电机、打印头腔体、双螺杆结构、加热线圈和喷头，其中两个驱动电机分别固定于打印头腔体上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构置于打印头腔体内，分别与两个驱动电机相连，供给金属粒料的进料口焊接于打印头腔体的上盖，喷头通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头的内径是0.1～2.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在0.5～500微米之间的金属颗粒利用球磨机在200～1000r/min的速度下，与粘结剂溶液混合5～30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为(1～19)：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径150～2000微米的锥形针头，在0.1～5MPa的压力下挤出金属丝材，金属丝材挤出后，风干24～48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在200～1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续5～30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.1～2mm之间。
本发明所述金属包括但不限于不锈钢、铁、铜、钛、钛合金。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2～5；其中：
粘结剂包括但不限于聚乳酸PLA，聚乙烯醇PVA，壳聚糖；
溶剂包括但不限于二氯甲烷DCM，水，醋酸水溶液。
本发明的优点是：由于该方法无需使用激光，所以设备成本低，更加安全可靠，被加工零件整体烧结成型，不存在局部残余应力，本发明打印头可以使现有的塑料打印机间接打印高强度并导电金属部件，现有的齿轮挤入式打印头需要线材有一定的强度和韧性，限制了线材的金属含量，打印后的原型件不能顺利通过烧结处理；而新型的打印头抛弃了传统的丝状耗材，而采用颗粒状材料，材料的金属含量不再受耗材的强度制约，打印后的原型件可以在保证其形状不变的前提下，被烧结成为高强度具有导电性的金属部件；新型螺旋式打印头可以大大提高打印速度，齿轮挤入式应用的线材直径为1.75mm，考虑到线材的韧性，其挤入速度不能太快，以打印精度100μm为例，市场上常见的打印机能达到的最大打印速度一般为200mm/s；而新型螺旋式打印头的打印速度不受线材进入速度的制约，只取决于螺旋搅拌结构的旋转速度，以同样的打印精度来说，最高打印速度可达到1000mm/s，是现有打印速度的5倍，这将会大大提高3D打印的生产效率；对于打印具有填充物的复合材料来说，双螺旋搅拌结构是材料混合更均匀，现有的齿轮挤入式打印头只是将耗材融化并挤出，而螺旋式打印头则多了一个搅拌的过程，使复合材料混合更均匀。
附图说明
图1是不同体积分数(47、59、75、90％)的金属丝材打印的原型件热处理前后的扫描电子显微镜照片；
图2是本发明双螺旋挤出式打印头的结构示意图；
图3是热处理(烧结)前后的金属三维结构扫描电子显微镜照片，第一行：热处理前，第二行：热处理后。
具体实施方式
实施例1金属采用不锈钢，粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到200摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在1mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300℃，并且在该温度下保持1h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1000℃，并且在该温度下保持1h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.1mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径0.1微米的金属颗粒利用球磨机在200r/min的速度下，与粘结剂溶液混合5分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为1：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径150微米的锥形针头，在0.1MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干24h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在200r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续5分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.1～0.2mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2；其中：
溶剂采用二氯甲烷DCM。
实施例2，金属采用不锈钢，粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到300摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在500mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到350℃，并且在该温度下保持1.5h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到11300℃，并且在该温度下保持6h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径250微米的金属颗粒利用球磨机在600r/min的速度下，与粘结剂溶液混合15分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为9：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径150～2000微米的锥形针头，在2.5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干36h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在600r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续20分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.2～0.25mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：3.5；其中：
溶剂二氯甲烷DCM。
实施例3、金属采用不锈钢，粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在1000mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到400℃，并且在该温度下保持2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1200℃，并且在该温度下保持10h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是2.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径500微米的金属颗粒利用球磨机在1000r/min的速度下，与粘结剂溶液混合30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为19：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径2000微米的锥形针头，在5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.6～2mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：5；其中：
溶剂采用二氯甲烷DCM。
实施例4、金属采用铁，粘结剂采用聚乙烯醇PVA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到300摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在10mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300，并且在该温度下保持1h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1100℃，并且在该温度下保持3h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.2mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径1微米的金属颗粒利用球磨机在300r/min的速度下，与粘结剂溶液混合10分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为2：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径200微米的锥形针头，在0.5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干24h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在400r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续10分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.2～0.3mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2；其中：
溶剂采用水。
实施例5、金属采用铁，粘结剂采用聚乙烯醇PVA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到350摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在200mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到350℃，并且在该温度下保持1.5h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1150℃，并且在该温度下保持6h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.2mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径100微米的金属颗粒利用球磨机在700r/min的速度下，与粘结剂溶液混合20分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为10：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径800微米的锥形针头，在3MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干36h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在600r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续20分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.0～1.5mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：4；其中：
溶剂采用水。
实施例6、金属采用铁，粘结剂采用聚乙烯醇PVA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在900mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到400℃，并且在该温度下保持2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1200℃，并且在该温度下保持10h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.8mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在450微米的金属颗粒利用球磨机在900r/min的速度下，与粘结剂溶液混合28分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为18：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径1800微米的锥形针头，在5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.5～2mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：5；其中：
溶剂采用水。
实施例7、金属采用铜、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到300摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在50mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300℃，并且在该温度下保持1h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到800℃，并且在该温度下保持2h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.4mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在50微米的金属颗粒利用球磨机在200r/min的速度下，与粘结剂溶液混合8分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为3：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径300微米的锥形针头，在1MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干24h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在400r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续10分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.8～1mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例8、金属采用铜、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到350摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在400mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到350℃间的某一温度，并且在该温度下保持1.5h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到850℃，并且在该温度下保持5h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.8mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在0.1～500微米之间的金属颗粒利用球磨机在500r/min的速度下，与粘结剂溶液混合20分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为10：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径900微米的锥形针头，在2.5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干36h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在500r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续5～30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.2～1.5mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：4；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例9、金属采用铜、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在900mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到400℃，并且在该温度下保持2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到900℃，并且在该温度下保持12h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.6mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在450微米的金属颗粒利用球磨机在800r/min的速度下，与粘结剂溶液混合30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为17：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径1800微米的锥形针头，在5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.8～2mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：5；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例10、金属采用钛、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到300摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在200mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300℃，并且在该温度下保持1h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1200℃，并且在该温度下保持4h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.5mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在50微米的金属颗粒利用球磨机在300r/min的速度下，与粘结剂溶液混合9分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为3：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径850微米的锥形针头，在0.6MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干24h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在300r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续10分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.8～1mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例11、金属采用钛、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到350摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在700mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到350℃间的某一温度，并且在该温度下保持1.5h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1250℃，并且在该温度下保持7h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.2mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径350微米的金属颗粒利用球磨机在700r/min的速度下，与粘结剂混合18分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为11：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径1000微米的锥形针头，在4MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干36h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在700r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续18分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.8～1mm之间。
本发明所述金属包括但不限于不锈钢、铁、铜、钛、钛合金。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：3.5；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例12、金属采用钛、粘结剂采用壳聚糖。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在900mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到400℃，并且在该温度下保持2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1300℃，并且在该温度下保持12h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是2.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径500微米的金属颗粒利用球磨机在1000r/min的速度下，与粘结剂溶液混合30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为18：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径2000微米的锥形针头，在5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.4～0.8mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：5；其中：
溶剂采用醋酸水溶液。
实施例13、金属采用钛合金、粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到200摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在10mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300℃，并且在该温度下保持1h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1200℃，并且在该温度下保持1h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是0.5mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径0.1～0.5微米之间的金属颗粒利用球磨机在200r/min的速度下，与粘结剂溶液混合5分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为1：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径200微米的锥形针头，在0.5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干24h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在200r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续5分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.2～0.25mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2；其中：
溶剂采用二氯甲烷DCM。
实施例14、金属采用钛合金、粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到300摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在700mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到350℃，并且在该温度下保持1.5h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1250℃，并且在该温度下保持6h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是1.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在200～300微米之间的金属颗粒利用球磨机在800r/min的速度下，与粘结剂溶液混合18分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为10：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径1000微米的锥形针头，在2MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干36h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在600r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续20分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.2～1.52mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：3；其中：
溶剂采用二氯甲烷DCM。
实施例15、金属采用钛合金、粘结剂采用聚乳酸PLA。
包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体3在加热线圈5的作用下开始预热，升温到400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口1进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构4在电机2的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头6挤出，被挤出的金属丝材7中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在950mm/s的速度下对挤出的金属丝材7在基板8进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；打印后的原型件中金属颗粒和粘结剂分布均匀(如图1所示)，并且能够实现在热处理(烧结)后具有较高强度并保持原有三维结构；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到400℃，并且在该温度下保持2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到1300℃，并且在该温度下保持12h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
如图3所示，烧结后的金属颗粒连接在一起，三维结构具有较强的机械性能。
本发明所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口1、驱动电机2、打印头腔体3、双螺杆结构4、加热线圈5和喷头6，其中两个驱动电机2分别固定于打印头腔体3上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构4置于打印头腔体3内，分别与两个驱动电机2相连，供给金属粒料的进料口1焊接于打印头腔体的上盖，喷头6通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈5置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
本发明所述喷头6的内径是2.0mm。
本发明所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在400～500微米之间的金属颗粒利用球磨机在1000r/min的速度下，与粘结剂溶液混合30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为19：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径2000微米的锥形针头，在5MPa的压力下挤出金属丝材，金属浆料在如此细小的针头中挤出，可以保证金属颗粒与粘结剂混合均匀，金属丝材挤出后，风干48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在1.5～2mm之间。
本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：5；其中：
溶剂采用二氯甲烷DCM。
本发明的金属3D打印方法能够以较低成本3D打印不存在残余应力的金属三维结构，用较高金属含量的金属粉末和聚合物的混合物来替代纯聚合物，加工时只融化聚合物粘结剂进行成型。打印好的产品是聚合物包裹着微米级的金属粉末依靠聚合物之间的粘结力而形成的结构，称为原型件。原型件强度低，并不具有金属的高强度和导电性。接下来将原型件放在真空炉中进行后处理，通过高温降解聚合物并且烧结金属粉末，使其成为强度高，导电，导热的金属结构。
为了保证打印好的原型件能够顺利烧结成型、不会垮塌，本发明将采用高金属含量耗材进行打印，对此，进行了实验验证，分别应用47％、59％、75％和90％体积分数的金属丝材打印了原型件，然后对其进行热处理(烧结)。结果表明，当金属材料的体积少于47％时，原型件会在烧结过程中倒塌，无法形成真正的金属三维结构(如图1所示)。因此，本发明采用金属材料体积分数在50％～95％之间的金属耗材进行打印。
性能测试
对加工的金属三维结构的强度进行了验证，以金属颗粒75％体积分数的耗材加工的结构为例。原型件的弹性模量和最大拉伸强度仅为3.1±0.3GPa和28.0±3.0MPa，而热处理(烧结)后的金属三维结构的弹性模量和最大拉伸强度高达196±16GPa和485±70MPa，达到甚至超过了大部分金属结构的机械强度。
Claims (6)
1.一种金属3D打印方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)、3D打印开始时，打印头腔体在加热线圈的作用下开始预热，升温到200～400摄氏度；
(2)、金属粒料通过进料口进入打印头，粒料中的粘结剂在腔体内融化，形成金属颗粒和融化的粘结剂混合的粘性流体；
(3)、打印头的双螺杆结构在电机的驱动下相向旋转，将金属粒料形成的粘性流体充分混合均匀，并通过喷头挤出，被挤出的金属丝材中的粘结剂遇冷迅速凝固，打印机按照设定的程序带动打印头在1-1000mm/s的速度下对挤出的金属丝材在基板进行逐层堆叠来加工三维结构，得到原型件；
(4)、对原型件进行热处理，包括：
1)、抽真空：将待烧结的原型件放入烧结炉中，进行抽真空；
2)、粘结剂热解：将真空炉以600℃/h的速度升温到300～400℃间的某一温度，并且在该温度下保持1～2h，等待粘结剂完全热解；
3)、金属颗粒烧结：热解后，将真空炉以600℃/h的速度升温到800～1300℃间的某一温度，并且在该温度下保持1～12h，进行金属颗粒之间的烧结；
4)、冷却：待原型件充分烧结后，将烧结炉自行冷却，后取出样品。
2.根据权利要求1所述的一种金属3D打印方法，其特征在于：所述的打印头为双螺旋挤压式打印头，包括：进料口、驱动电机、打印头腔体、双螺杆结构、加热线圈和喷头，其中两个驱动电机分别固定于打印头腔体上盖两侧；双螺杆结构相互啮合，双螺杆结构置于打印头腔体内，分别与两个驱动电机相连，供给金属粒料的进料口焊接于打印头腔体的上盖，喷头通过螺纹与打印头腔体底部连接，加热线圈置于打印头腔体外侧，用于给打印头腔体加热。
3.根据权利要求2所述的一种金属3D打印方法，其特征在于：本发明所述喷头的内径是0.1～2.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属3D打印方法，其特征在于：所述的金属粒料的制备方法是，步骤如下：
1)、制备金属浆料：
将直径在0.5～500微米之间的金属颗粒利用球磨机在200～1000r/min的速度下，与粘结剂溶液混合5～30分钟，金属颗粒与粘结剂溶液的体积比例为(1～19)：1，得到均匀混合的金属浆料；
2)、将混合好的金属浆料装入注射器中，使用内径150～2000微米的锥形针头，在0.1～5MPa的压力下挤出金属丝材，金属丝材挤出后，风干24～48h，确保其中的溶剂完全挥发，之后利用球磨机在200～1000r/min的速度下将风干的金属丝材破碎为小颗粒，持续5～30分钟，得到金属颗粒和粘结剂充分均匀混合的金属粒料，金属粒料的直径尺寸在0.1～2mm之间。
5.根据权利要求4所述的一种金属3D打印方法，其特征在于：本发明所述金属包括但不限于不锈钢、铁、铜、钛、钛合金。
6.根据权利要求4所述的一种金属3D打印方法，其特征在于：本发明所述粘结剂溶液的制备方法是：粘结剂和溶液质量比例为1：2～5；其中：
粘结剂包括但不限于聚乳酸PLA，聚乙烯醇PVA，壳聚糖；
溶剂包括但不限于二氯甲烷DCM，水，醋酸水溶液。
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