CN112008074B

CN112008074B - 应用于金属材料的3d打印方法及装置

Info

Publication number: CN112008074B
Application number: CN202010908658.8A
Authority: CN
Inventors: 王俊; 刘曌宇; 王瀚申; 封华; 李健喆; 章锦晶; 龙旺平; 吴晓雨
Original assignee: Suzhou Fuhao 3d Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Fuzhi Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: CN112008074A

Abstract

本申请公开了一种应用于金属材料的3D打印方法及装置，本申请的方法包括获取当前层的前一层的打印方向，所述当前层为根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时的打印层；根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向；根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印。本申请是为了改善现有基于FDM技术进行金属3D打印时存在的一些影响工件成品质量的问题。

Description

应用于金属材料的3D打印方法及装置

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种应用于金属材料的3D打印方法、装置、打印机。

背景技术

在金属3D打印领域，FDM(熔融堆积)打印技术广泛应用。该技术将金属粉末混合高分子粘结剂经过挤出成型形成的打印线材通过打印喷头加热至熔融状态后逐层堆积形成模型，然后通过使用酸催化的裂解反应去除大部分的高分子材料得到脱脂坯，最后对脱脂坯进行高温烧结得到金属部件。

在金属3D打印时，由于在打印成型后脱脂直至烧结结束的过程中工件本身结构处于松散状态而无法承受较大变形以及特殊处理，并且脱脂及烧结工艺对工件本身影响具有局限，因此打印结束后工件的状态以及质量一定程度上直接决定了烧结后能够得到工件的质量。现有技术的金属3D打印方式很大程度上沿袭了使用高分子材料时的3D打印方式，而在这种情况下进行金属材料的3D打印时会造成一系列的问题：由于金属3D打印在脱脂以及烧结中工件会经历内部高分子材料脱除以及烧结应力引起收缩的过程，而在打印高分子材料时无需特别关注的工件内部结构以及内应力成为了需要重点考虑的变形相关因素，而打印方式则与工件内部结构息息相关。目前现有技术使用的打印方式为逐层连续打印，而且层与层之间采用类似的打印模式，发明人在使用现有的打印方式进行金属3D打印时，发现逐层的微小应力会产生累积最终造成工件烧结后的较大变形；以及工件表面纹路质量及平整度较差、工件内部结构结合力较差的问题。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种应用于金属材料的3D打印方法、装置、打印机，以改善现有基于FDM技术进行金属3D打印时存在的一些影响工件成品质量的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的第一方面，提供了一种应用于金属材料的3D打印方法。

根据本申请的应用于金属材料的3D打印方法包括：

获取当前层的前一层的打印方向，所述当前层为根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时的打印层；

根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向；

根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印。

可选的，所述根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向包括：

若当前层的前一层的打印方向为顺时针或逆时针，则将当前层的打印方向调整为逆时针或顺时针。

可选的，根据调整后的打印方向生成控制指令还包括：

若当前层为前两层，则直接确定当前层的偏转角度；

从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度，所述偏转角度为线材相对于打印喷头运动横轴的角度；

根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度；

根据当前层的偏转角度以及当前层的打印方向生成控制指令。

可选的，所述根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度，包括：

若当前层为奇数层，则将其前两层的偏转角度上偏转预设角度后得到当前层的偏转角度；

若当前层为偶数层，则将其前一层的偏转角度上偏转90度后得到当前层的偏转角度。

可选的，所述偏转角度大于等于0度且小于等于90度，所述预设角度大于等于15度小于等于45度。

为了实现上述目的，根据本申请的第二方面，提供了一种应用于金属材料的3D打印装置。

根据本申请的应用于金属材料的3D打印装置包括：

获取单元，用于获取当前层的前一层的打印方向，所述当前层为根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时的打印层；

调整单元，用于根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向；

生成单元，用于根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印。

可选的，所述调整单元用于：

可选的，生成单元还包括：

第一确定模块，用于若当前层为前两层，则直接确定当前层的偏转角度；

获取模块，用于从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度，所述偏转角度为线材相对于打印喷头运动横轴的角度；

第二确定模块，用于根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度；

生成模块，用于根据当前层的偏转角度以及当前层的打印方向生成控制指令。

可选的，所述第二确定模块包括：

为了实现上述目的，根据本申请的第三方面，提供了一种应用于金属材料的3D打印机，至少包括：

接收单元，用于接收工件的3D切片模型；

打印处理单元，用于执行上述第一方面中任一项所述的应用于金属材料的3D打印方法；

3D打印喷头，用于根据打印处理单元生成的控制指令执行打印。

为了实现上述目的，根据本申请的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述第一方面中任意一项所述的应用于金属材料的3D打印方法。

在本申请实施例中，应用于金属材料的3D打印方法及装置中，在根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时，是通过逐层改变打印方向的方式控制打印喷头对所述切片模型进行逐层打印的。与现有的逐层连续打印方式，而且层与层之间采用类似的打印模式相比，本申请中通过逐层改变打印方向的方式可以有效的降低在特定方向逐层的微小应力的累积，从而有效避免因微小应力累积造成最终烧结后较大变形的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种应用于金属材料的3D打印方法流程图；

图2是根据本申请实施例提供的一种现有的金属材料3D打印方式与本申请的金属材料3D打印方式得到的工件成品的效果对比图；

图3是根据本申请实施例提供的一种应用于金属材料的3D打印装置的组成框图；

图4是根据本申请实施例提供的另一种应用于金属材料的3D打印装置的组成框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

根据本申请实施例，提供了一种应用于金属材料的3D打印方法，如图1所示，该方法包括如下的步骤：

首先需要是说明的是，本申请是利用的是熔融堆积成型的工艺。工件的3D切片模型是通过专门的切片软件得到的，常用的切片软件为Simplify3D、Ideamaker等。本申请中的工件的3D切片模型可以为包含工件支撑部分与工件主体部分的切片模型。得到工件的3D切片模型后，将切片模型导入到3D打印机中，准备打印。

本申请的打印方式为逐层改变打印方向的方式进行打印，具体包括以下步骤：

S101.获取当前层的前一层的打印方向，当前层为根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时的打印层。

具体的，打印方向包括顺时针方向和逆时针方向。

S102.根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向。

具体的，若当前层的前一层的打印方向为顺时针或逆时针，则将当前层的打印方向调整为逆时针或顺时针。给出具体的示例进行说明，假设第一层的打印方向为顺时针，则第二层的打印方向为逆时针，第三层的打印方向为顺时针，依次类推逐层打印；若第一层的打印方向为逆时针，则第二层的打印方向为顺时针，第三层的打印方向为逆时针，依次类推逐层打印。需要说明的是，第一层的打印方向是预先设置的。

另外，在实际的应用中，还可以根据层数提前进行打印方向的设置，在执行时直接获取设置好的打印方向进行打印方向的调整。

S103.根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印。

控制指令中包括当前层的打印方向，另外在实际应用中控制指令中还包括当前层的偏转角度、填充形式、打印起始点位置、填充率、流量率等与打印相关的打印参数。偏转角度为线材相对于打印喷头运动横轴的角度，偏转角度大于等于0度且小于等于90度。填充形式包括线性填充，直角线性填充，蜂窝填充，同心圆填充，螺旋二十四面体填充，三角填充等。填充率可以设置为0-100％、流量率可以设置为0-150％。

按照上述的流程对每一层进行打印，直到完成所有层的打印。需要说明的是，为了优化最终得到的工件成品的内部结构，本申请对打印层的间距、打印起始点、填充方式进行了优化。具体的，将打印层的间距设置为0-5mm，填充方式设置为每层设置的填充方式不尽相同，可以通过切片软件进行上述优化的设置，也可以直接在打印机上进行设置。

打印完成后取下工件，对其进行脱脂、烧结、工件支撑部分的去除得到与工件模型对应的工件成品。

从以上的描述中，可以看出，本申请实施例的应用于金属材料的3D打印方法中，在根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时，是通过逐层改变打印方向的方式控制打印喷头对所述切片模型进行逐层打印的。与现有的逐层连续打印方式，而且层与层之间采用类似的打印模式相比，本申请中通过逐层改变打印方向的方式可以有效的降低在特定方向逐层的微小应力的累积，从而有效避免因微小应力累积造成最终烧结后较大变形的问题。

为了进一步的消除因微小应力累积造成最终烧结后较大变形的问题，本申请实施例提出了在进行逐层改变打印方向的基础上，增加了隔层改变偏转角度的方式。具体的生成控制指令的流程还包括：

1)若当前层为前两层，则直接确定当前层的偏转角度；

在打印时，前两层的偏转角度是预先确定的，比如可以为45度。第二层与第一层的角度相差90度，即第二层与第一层的角度之间为垂直关系。

2)从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度；

层数为按照打印的先后顺序进行依次排列确定的，层数为第一层、第二层、…、第n层。预设角度是预设的一个角度，具体的，可以为大于等于15度小于等于45度。

3)根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度；

具体的，若当前层为奇数层，则将其前两层的偏转角度上偏转预设角度后得到当前层的偏转角度。给出具体的示例进行说明：若当前层为第3层，第一层的偏转角度为20度，预设角度为15度，则第三层的偏转角度为35度。

若当前层为偶数层，则将其前一层的偏转角度上偏转90度后得到当前层的偏转角度。给出具体的示例进行说明：若当前层为第4层，第3层的偏转角度为35度，则第4层的偏转角度为55度。

4)根据当前层的偏转角度以及当前层的打印方向生成控制指令。

根据上述确定的当前层的偏转角度以及之前确定的打印方向生成控制指令。与上述图1实施例不同的是，将偏转角度进行了特殊的处理。图1实施例中的偏转角度没有做特殊的处理，可以使用现有的常规的偏转角度的设置方式，比如对于线性填充，偏转角度为45度，上下层之间的偏转角度都是相互垂直的状态。

另外，对于通过切片软件对工件的模型进行切片的处理进行简单说明。对于得到使用切片软件为工件的3D模型进行切片处理之前，需要通过软件进行参数设置，包括切片参数和/或打印参数的设置。具体的切片处理过程如下：

1)对模型进行分析得到模型表面各数据点的位置参数；

2)对待打印工件的主体按照参数设置的层高进行切片处理，即将模型处理为整数个厚度为设置的层高的片层；

3)由底层向顶层逐层进行计算，得到当前层所在的模型表面与水平面所成夹角数值；

4)判断该夹角数值是否大于支撑生成的临界角度，支撑生成的临界角度为参数设置时设置的；

5)若得到夹角数值大于上述临界角度时为当前层的面片生成一个柱体；柱体的顶面为当前层的模型面片，底面为投影方向所遇到的零件面片或打印底板；

6)按照前述步骤进行逐层计算，直至顶层结束；

7)对所有生成柱体进行合成得到待打印工件对应的工件支撑部分与工件主体部分的切片模型。

需要说明的是在打印之前需要提前准备好打印线材。本申请中打印线材的准备包括：1)准备制作线材所需的合金粉末以及高分子粘结剂/分散剂/稳定剂/增塑剂/润滑剂等添加剂；2)合金粉末的配方随不同的打印线材会有相应的改变，对于316L不锈钢，具体粉末配比为碳粉0-0.03％，铬粉16-18％，镍粉10-14％，锰粉0-2％，钼粉2-3％，硅粉0-1％以及铁粉62-72％；3)高分子粘结剂配方随不同的脱脂方法、线材及喂料制作方法，会有相应的改变，对于其中一种塑基线材，其成分范围为聚甲醛60-90％，聚丙烯0-10％，石蜡0-10％，硬脂酸0-5％，抗氧化剂0-5％，及其他高分子添加剂0-5％；4)不锈钢线材原料粉末使用的合金粉末与高分子粘结剂的配比约为合金粉末40-90％，高分子粘结剂占比为10-60％；5)将原料粉末(金属粉/氧化铝粉+高分子物质)按前述配比加入混炼造粒一体机(或混炼机+造粒机)进行混炼造粒加工成为颗粒状喂料；6)将加工后的喂料加入挤出机(螺杆挤出机/双螺杆挤出机/无螺杆挤出机等)内熔炼、挤出、拉伸、弯曲制成打印线材卷。

进一步，对脱脂过程进行说明：

1)打印结束后使用铲刀等工具从打印底板上取下工件；

2)将工件放入催化脱脂炉；

3)催化脱脂炉进行预热过程，同时通气进行炉内气氛的清洗，脱脂炉使用气体为氮气或氩气，纯度>99.99％，脱脂温度为100-200度；

4)催化脱脂炉在稳定后开始通入酸溶液进行脱脂过程，所述酸为硝酸或草酸，硝酸使用浓度为69％的硝酸水溶液，草酸使用浓度为10-40％的草酸酒精溶液，酸溶液的通入速度为0-10ml/min；

进一步，对烧结过程进行说明：

1)催化脱脂结束后，等待脱脂炉程序结束降温完成后打开炉门，取出脱脂样品；

2)把脱脂样品放入烧结炉内进行烧结过程；

3)烧结过程升温速率为1-10度/min，烧结温度为1150-1450度，烧结时间为1-5小时，过程中通氩气，流量为0-10000ml/min；

烧结完成后取出工件，使用物理方法去除工件支撑部分，得到最终工件成品。

最后，给出现有的金属材料3D打印方式与本申请的金属材料3D打印方式得到的工件成品的效果对比图，如图2所示，其中左侧图为现有的金属材料3D打印方式得到的工件成品，右侧图为本申请的金属材料3D打印方式得到的工件成品。可以看到，应用本申请的金属材料3D打印方式得到的工件成品相比于左侧的工件成品变形明显的减少了。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述图1所述方法的应用于金属材料的3D打印装置，如图3所示，该装置包括：

获取单元21，用于获取当前层的前一层的打印方向，所述当前层为根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时的打印层；

调整单元22，用于根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向；

生成单元23，用于根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印。

从以上的描述中，可以看出，本申请实施例的应用于金属材料的3D打印装置中，在根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时，是通过逐层改变打印方向的方式控制打印喷头对所述切片模型进行逐层打印的。与现有的逐层连续打印方式，而且层与层之间采用类似的打印模式相比，本申请中通过逐层改变打印方向的方式可以有效的降低在特定方向逐层的微小应力的累积，从而有效避免因微小应力累积造成最终烧结后较大变形的问题。

进一步的，所述调整单22元用于：

进一步的，如图4所示，生成单元23还包括：

第一确定模块231，用于若当前层为前两层，则直接确定当前层的偏转角度；

获取模块232，用于从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度，所述偏转角度为线材相对于打印喷头运动横轴的角度；

第二确定模块233，用于根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度；

生成模块234，用于根据当前层的偏转角度以及当前层的打印方向生成控制指令。

进一步的，如图4所示，所述第二确定模块233包括：

具体的，本申请实施例的装置中各单元、模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。

根据本申请实施例，还提供了一种应用于金属材料的3D打印机，至少包括：

接收单元，用于接收工件的3D切片模型；

打印处理单元，用于执行上述图1实施例中所述的应用于金属材料的3D打印方法；

本申请实施例的应用于金属材料的3D打印机，在根据工件的3D切片模型进行逐层3D打印时，是通过逐层改变打印方向的方式控制打印喷头对所述切片模型进行逐层打印的。与现有的逐层连续打印方式，而且层与层之间采用类似的打印模式相比，本申请中通过逐层改变打印方向的方式可以有效的降低在特定方向逐层的微小应力的累积，从而有效避免因微小应力累积造成最终烧结后较大变形的问题。

根据本申请实施例，还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述方法实施例中的应用于金属材料的3D打印方法。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于金属材料的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：

根据当前层的前一层的打印方向调整当前层的打印方向；

根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印；

根据调整后的打印方向生成控制指令还包括：

若当前层为第一层或第二层，则直接确定当前层的偏转角度；

从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度，所述偏转角度为线材填充排布方向相对于打印喷头运动横轴的角度；

根据当前层的偏转角度以及当前层的打印方向生成控制指令；

所述根据当前层的层数以及当前层的前一层的偏转角度确定当前层的偏转角度，或根据当前层的层数、预设角度、当前层的前两层的偏转角度确定当前层的偏转角度，包括：

若当前层为偶数层，则将其前一层的偏转角度上偏转90度后得到当前层的偏转角度；

若当前层为奇数层，则将其前两层的偏转角度上偏转预设角度后得到当前层的偏转角度。

2.根据权利要求1所述的应用于金属材料的3D打印方法，其特征在于，所述偏转角度大于等于0度且小于等于90度，所述预设角度大于等于15度小于等于45度。

3.一种根据权利要求1或2所述的应用于金属材料的3D打印方法的应用于金属材料的3D打印装置，其特征在于，所述装置包括：

生成单元，用于根据调整后的打印方向生成控制指令，以控制打印喷头执行当前层的打印；

生成单元还包括：

第一确定模块，用于若当前层为第一层或第二层，则直接确定当前层的偏转角度；

获取模块，用于从第三层开始，获取当前层的层数、预设角度、当前层的前一层或前两层的偏转角度，所述偏转角度为线材填充排布方向相对于打印喷头运动横轴的角度；

4.一种应用于金属材料的3D打印机，其特征在于，至少包括：

接收单元，用于接收工件的3D切片模型；

打印处理单元，用于执行上述权利要求1或2所述的应用于金属材料的3D打印方法；

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1或2所述的应用于金属材料的3D打印方法。