CN206405427U - Fdm金属三维打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种FDM金属三维打印机，包括打印头，用于盛装三维打印材料；加热装置，用于加热打印头内的三维打印材料；打印平台，用于承接打印头喷涂的三维打印材料形成初步固化物体；打印头包括依次连通的导向管、喉管和打印喷嘴，喉管的周向外壁上设置加热装置，条形的打印材料经过导向管和所述喉管。本实用新型克服了现有的FDM三维打印机成型较慢以及现有的SLM类型的三维打印消耗功率较大的问题。

Description

FDM金属三维打印机

技术领域

本实用新型涉及三维打印领域，具体地说，是涉及一种FDM类型的金属三维打印机。

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（Fused depositionmodeling, FDM)。

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。

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的中国实用新型专利就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

本实用新型的主要目的是提供一种易于实现激光烧结的FDM金属三维打印机。

本实用新型提供的FDM金属三维打印机包括：打印头，用于盛装三维打印材料；加热装置，用于加热打印头内的三维打印材料；打印平台，用于承接打印头喷涂的三维打印材料形成初步固化物体；并且，打印头包括依次连通的导向管、喉管和打印喷嘴，喉管的周向外壁上设置加热装置，条形的打印材料经过所述导向管和所述喉管。

一个优选的方案是，FDM金属三维打印机还包括一个水槽，水槽内盛装有水，打印平台可移动至水槽内的液面以下。

进一步的方案是，初步固化物体打印后在烧结成型室内进行成型处理，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，三维打印材料由金属粉末与黏结剂均匀混合形成；打印头具有腔室、螺杆和进料口，进料口设置在腔室的上游段，腔室的下游端设置有打印喷嘴，螺杆可旋转地设置在腔室内，加热装置设置在腔室的内壁或外壁。

一个优选的方案是，黏结剂为水溶性黏结剂，三维打印材料由金属粉末与水溶性黏结剂混合形成条状打印材料。

一个优选的方案是，打印头、加热装置、打印平台以及水槽设置在密闭室内，密闭室和/或烧结成型室的内部为真空环境或惰性气体环境；水槽内盛装为温水，温水的温度范围为60℃至80℃；水槽内盛装的水经过脱氧处理；加热装置的加热温度控制在50℃至200℃；烧结成型室内的温度控制在200℃至2000℃。

由上述方案可见，使用本实用新型的FDM三维打印机进行打印时，成型迅速且能源消耗低，克服了现有的FDM三维打印机成型较慢以及现有的SLM类型的三维打印消耗功率较大的问题。并且，使用FDM三维打印机时需要执行加热的步骤，能够增强黏结剂的通用性和功能性。

另外，在烧结过程中，黏结剂一般会逸出成型物体而挥发至周围的环境中，但是这样会造成成型物体的内部出现孔状或空穴结构，降低其结构强度。而对于水溶性黏结剂，通过浸水步骤即可把初步固化物体内的水溶性黏结剂的至少一部分优先去除，这样在之后的烧结成型中就会极大地减少孔状或空穴结构的产生，从而提高成型物体的结构强度。

此外，温水能够提高水溶性黏结剂的溶解速率，提高工作效率。此外，真空密闭空间可以减少加热步骤的热量损失，有助于三维物体的烧结成型，并且这样的方案能够实现初步成型步骤和浸水步骤同时进行，防止金属氧化。而在具有氧气的环境下，金属、水和氧气非常容易形成各种类型的氧化物进而降低打印物体的品质。

附图说明

图1是本实用新型FDM金属三维打印机第一实施例的结构图。

图2是本实用新型FDM金属三维打印机第一实施例的打印头等组件的结构图。

图3是本实用新型FDM金属三维打印机第一实施例的一种打印状态图。

图4是本实用新型FDM金属三维打印机第二实施例的结构图。

图5是本实用新型FDM金属三维打印机第二实施例的打印头等组件的结构图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

本实用新型提供一种FDM金属三维打印机，并且介绍该金属三维打印机所使用的打印材料以及金属三维打印机的工作方法。

三维打印材料实施例：

本实施例的三维打印材料用于FDM金属三维打印机,三维打印材料的组成为金属粉末和黏结剂，其中金属粉末的质量分数在60%至70%；黏结剂的质量分数在30%至40%。三维打印材料由金属粉末与黏结剂均匀混合形成,或者三维打印材料由金属粉末与水溶性黏结剂混合形成条状打印材料。具体地，下面的表格给出了三维打印材料五种配比方式的实施例。

在一些三维打印材料的实施例中，黏结剂为水溶性黏结剂或石蜡，金属粉末为青铜、钴基合金、铜基合金、金基合金、镍基合金、不锈钢、铁、铅/锌合金。水溶性黏结剂为聚乙二醇类黏结剂、聚甲基丙烯酸甲酯黏结剂、聚氧化乙烯类黏结剂。例如，聚氧化乙烯类黏结剂由76%聚氧化乙烯、23%聚乙烯蜡和1%硬脂酸组成。聚乙二醇类黏结剂可以是聚乙二醇与聚甲基丙烯酸甲酯组成混合黏结剂。

FDM金属三维打印机第一实施例：

如图1所示，本实施例的FDM金属三维打印机包括打印头10、加热装置20、打印平台30、水槽40、密闭室50和烧结成型室60。打印头10、加热装置20、打印平台30、水槽40均设置在密闭室50内，密闭室50和烧结成型室60的内部均为真空环境或惰性气体环境。

水槽40内盛装有水41，打印平台30可移动至水槽40内的液面以下，水槽40内优选盛装为温水，温水的温度范围为60℃至80℃，温水经过脱氧处理以防止金属氧化。打印平台30在水槽40内的移动方式可以通过丝杆传动的方式加以控制，并且可以通过三维打印机的控制器的控制作用进行控制。

烧结成型室60用于对初步固化物体61进行烧结成型处理，烧结步骤的温度优选控制在200℃至2000℃，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61进行烧结成型。

如图2所示，打印头10具有腔室11、螺杆12和进料口13，进料口13设置在腔室11的上游段，腔室11的下游端设置有打印喷嘴14，螺杆12可旋转地设置在腔室11内，加热装置20设置在腔室11的内壁。在其它实施例中，加热装置20也可以设置在腔室11的外壁。打印头10的腔室11用于盛装三维打印材料，三维打印材料由进料口13补充到腔室11内，三维打印材料由质量分数60%至70%的金属粉末以及30%至40%的黏结剂组成，三维打印材料由金属粉末与黏结剂均匀混合形成。

加热装置20用于加热腔室11内的三维打印材料，加热装置20具体为电加热线圈，在其它实施例中也可以采用其它形式的加热装置，加热装置20的加热温度控制在50℃至200℃。打印平台30用于承接打印头10喷涂的三维打印材料形成初步固化物体，打印头10相对于打印平台30可以进行三维方向的移动，现有技术中出现了多种类型的打印平台和打印头的相互移动形式。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。而在其它实施例中，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。

上述FDM金属三维打印机的打印方法包括下面的步骤。

执行初步成型步骤：把三维打印材料由进料口13持续性加载到腔室11内，通过螺杆12的旋转作用带动三维打印材料由打印喷嘴14不断挤出，这样就把三维打印材料喷涂在打印平台30上形成初步固化物体。同时，可以通过加热装置20对腔室11内的三维打印材料进行加热，加热温度控制在50℃至200℃。

执行浸水步骤，在浸水步骤中把初步固化物体放置在水槽40的水中，初步固化物体内的水溶性黏结剂会部分或全部溶解到水中。具体地，浸水步骤可以采用两种形式，第一种形式如图1所示，在执行完成初步成型步骤后，再执行浸水步骤，也就是在打印平台30上形成完整的初步固化物体之后，再把打印平台30下降到水的液面以下，在水中浸泡一段时间后即可把初步固化物体取出。在其实实施方式中，也可以把打印平台30上的初步固化物体手动移动至水槽40内。第二种形式如图3所示，初步成型步骤和浸水步骤同时进行，也就是打印头10在打印平台30上喷涂三维打印材料的同时，打印平台30就已经在水的液面以下，这样就可以实现一边打印初步固化物体，一边把水性黏结剂溶解到水槽40的水中。

最后执行烧结步骤，把经过浸水步骤的初步固化物体移动至烧结成型室60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自动移动到烧结成型室60内。把初步固化物体在烧结成型室60内烧结固化后则形成了成型物体，烧结步骤的温度一般控制在200℃至2000℃。

FDM金属三维打印机第二实施例：

如图4所示，本实施例的FDM三维打印机包括打印头10、加热装置20、打印平台30、水槽40、密闭室50、烧结成型室60。打印头10、加热装置20、打印平台30、水槽40设置在密闭室50内。密闭室50和烧结成型室60的内部为真空环境或惰性气体环境。

本实施例的黏结剂为水溶性黏结剂，三维打印材料由金属粉末与水溶性黏结剂混合加工形成条状打印材料，这种三维打印材料的制作方法与面条食品的传统制作方法类似。如图5所示，打印头包括依次连通的导向管71、喉管72和打印喷嘴73，喉管72的周向外壁上设置加热装置20，加热装置20为加热线圈，条形打印材料74经过导向管71和喉管72，最终由打印喷嘴73喷涂到打印平台30上。

另外，在其它实施例中，还可以采用可收缩式的容器向外喷射的方式把三维打印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打印头内的粉末材料喷涂到打印平台上。

最后需要说明的是，本实用新型不限于上述的实施方式，诸如水槽内的水设置为其它的温度，烧结成型室和密闭室通过真空泵循环抽取空气以保持真空状态的设计等也在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.FDM金属三维打印机，其特征在于，包括：

打印头，用于盛装三维打印材料；

加热装置，用于加热所述打印头内的所述三维打印材料；

打印平台，用于承接所述打印头喷涂的所述三维打印材料形成初步固化物体；

所述打印头包括依次连通的导向管、喉管和打印喷嘴，所述喉管的周向外壁上设置所述加热装置，条形的所述打印材料经过所述导向管和所述喉管。

2.根据权利要求1所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述打印头具有腔室、螺杆和进料口，所述进料口设置在所述腔室的上游段，所述腔室的下游端设置有打印喷嘴，所述螺杆可旋转地设置在所述腔室内，所述加热装置设置在所述腔室的内壁或外壁。

3.根据权利要求2所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述FDM金属三维打印机还包括水槽，所述水槽内盛装有水，所述水槽内的水用于浸泡所述初步固化物体。

4.根据权利要求3所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述打印头、所述加热装置、所述打印平台以及所述水槽设置在密闭室内，所述密闭室的内部为真空环境或惰性气体环境。

5.根据权利要求1至4任一项所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述初步固化物体打印后在烧结成型室内进行成型处理，所述烧结成型室的内部为真空环境或惰性气体环境。

6.根据权利要求3或4所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述水槽内盛装温水，所述温水的温度范围为60℃至80℃。

7.根据权利要求6所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述水槽内盛装的水经过脱氧处理。

8.根据权利要求1至4任一项所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述加热装置的加热温度控制在50℃至200℃之间。

9.根据权利要求5所述的FDM金属三维打印机，其特征在于：

所述烧结成型室的温度控制在200℃至2000℃之间。