WO2018059341A1

WO2018059341A1 - 一种熔融沉积成型的金属三维打印机及其打印方法

Info

Publication number: WO2018059341A1
Application number: PCT/CN2017/103094
Authority: WO
Inventors: 苏健强; 宋道权
Original assignee: Print Rite Unicorn Image Products Co Ltd
Current assignee: Print Rite Unicorn Image Products Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: CN107876776A

Abstract

一种熔融沉积成型的金属三维打印机（1），包括打印头组件（14）、成型座（132）、移动组件和耗材供给组件，耗材供给组件用于驱动第一成型材料（151）和第二成型材料（152）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。以及该金属三维打印机执行的打印方法。通过耗材供给组件和打印头组件利用FDM的成型方式分别打印具有不同金属材料的成型材料，其成型效率高成本低，能够实现多金属材料的三维模型打印。

Description

说明书发明名称：一种熔融沉积成型的金属三维打印机及其打印方法技术领域

[0001] 本发明涉及金属三维打印领域，尤其涉及一种熔融沉积成型的金属三维打印机及其打印方法。本发明是基于申请日为 2016年 9月 30日、申请号为 CN

201610877106.9的中国发明专利申请，上述发明的内容引入本文作为参考。

背景技术

[0002] 3D打印机又称三维打印机，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打印机逐层打印。 3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用， 3 D打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材（即成型材料）和介质等组成，打印原理也基本类似。

[0003] 现有的一种常用打印方式是熔融沉积成型 (FDM)，其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。

[0004] 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。

技术问题

[0005] 针对上述的背景技术，本发明的第一目的是提供一种采用熔融沉积成型方式实现快速多种金属材料三维打印成型的金属三维打印机的打印方法。

[0006] 本发明的第二目的是提供一种采用熔融沉积成型方式实现快速金属材料三维打印成型的金属三维打印机的打印方法。

[0007] 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多种金属材料三维打印成型的金属三维打印机。

[0008] 技术解决手段

[0009] 为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种熔融沉积成型的金属三维打印机的打印方法，金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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。

[0010] 更进一步的方案是，第一成型材料的熔点低于第二成型材料的沸点；打印头组件在成型座上挤出第一成型材料和 /或第二成型材料的步骤包括：打印头组件在成型座上挤出第一成型材料；打印头组件在第一成型材料上挤出第二成像材。

[0011] 更进一步的方案是，第一成型材料的熔点低于第二成型材料的沸点；打印头组件在成型座上挤出第一成型材料和 /或第二成型材料的步骤包括：第一成型材料和第二成型材料在打印头组件内混合后形成混合成型材料；打印头组件在成型座上挤出成型材料。

[0012] 更进一步的方案是，第一成型材料的熔点高于第二成型材料的熔点；打印头组件在成型座上挤出第一成型材料和 /或第二成型材料的步骤包括：支撑部位打印步骤，打印头组件在成型座上挤出第一成型材料；实体部位打印步骤，打印头组件在第一成型材料上挤出第二成型材料。

[0013] 为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种熔融沉积成型的金属三维打印机的打印方法，金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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，第一成型材料包括金属材料和粘结剂，第二成型材料为支撑材料，第一成型材料的熔点高于第二成型材料的熔点;打印方法包括：支撑部位打印步骤，打印头组件在成型座上挤出第二成型材料；实体部位打印步骤，打印头组件在第二成型材料上挤出第一成型材料。

[0014] 为了实现本发明的第三目的，本发明提供一种熔融沉积成型的金属三维打印机，金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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。

[0015] 更进一步的方案是，金属打印机还包括连接在耗材供给组件和打印头组件之间的引导装置，引导装置设置有第一输入端、第二输入端和输出端，第一成型材料输入至第一输入端，第二成型材料输入至第二输入端，输出端与打印头组件连接，第一输入端和输出端之间连通设置有第一通道，第二输入端和输出端之间连通设置有第二通道。

[0016] 更进一步的方案是，打印头组件包括第一打印头和第二打印头，第一打印头用于挤出第一成型材料，第二打印头用于挤出第二成型材料。

[0017] 更进一步的方案是，第一成型材料包括第一金属材料和第一粘结剂，第二成型材料包括第二金属材料和第二粘结剂，第一金属材料为锌基合金，第二金属材料为铝基合金或不锈钢合金。

[0018] 更进一步的方案是，第一成型材料包括第一金属材料和第一粘结剂，第二成型材料为支撑材料，第一金属材料为锌基合金，支撑材料为树脂或聚乳酸。

问题的解决方案

发明的有益效果

有益效果

[0019] 本发明的熔融沉积成型的金属三维打印机及其打印方法，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，同吋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，其成型效率高成本低，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。

[0020] 并且，通过上述两种打印方式，使得成型材料熔点相接近的两种或多种金属材料实现金属三维打印，在高温烧结后，两种或多种金属相互融合，能够形成金属性能更为良好的金属三维模型。

[0021] 再者，通过将第一成型材料作为支撑部位进行打印，而第二成型材料作为实体部分进行打印，由于第一成型材料的熔点高于第二成型材料的熔点，故在高温烧结吋，第二成型材料烧结固化，而第一成型材料由于温度低还处于未固化或还处于粉末状态，所以清理和去除第一成型材料是较为容易的。

[0022] 以及，支撑部位的打印可以通过支撑材料来成型，其简单高效成本低，在支撑部位上挤出具有金属材料的成型材料，利用 FDM的成型方式进行三维打印，其成型效率高成本低。

[0023] 而且，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，同吋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，其成型效率高成本低，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。

[0024] 并且，通过引导装置的设置或多打印头的设置，继而实现多种成型材料的挤出

，其结构简单，控制方便。

[0025] 以及，锌基合金和铝基合金的熔点相接近，其两金属材料融合打印后能够形成金属性能良好的金属三维模型，而锌基合金的熔点小于不锈钢合金的熔点，故不锈钢合金可以作为支撑部位进行打印，烧结后可简易去除。

[0026] 再者，利用支撑材料作为支撑部位打印，在高温烧结后，支撑材料将会气化排出，清洁和清除多余部位工作量减少，继而实现更全面的金属三维打印功能。对附图的简要说明

附图说明

[0027] 图 1是本发明金属三维打印机第一实施例的结构图。

[0028] 图 2是本发明金属三维打印机第一实施例线中材轮、耗材供给组件和引导装置的连接示意图。

[0029] 图 3是是本发明金属三维打印机的打印方法第一实施例的原理示意图。

[0030] 图 4是本发明金属三维打印机第二实施例中引导装置的结构图。

[0031] 图 5是是本发明金属三维打印机的打印方法第二实施例的原理示意图。

[0032] 图 6是本发明三维成型丝料的制造方法实施例的流程图。

[0033] 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。

[0034] 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吋的示意图。 [0035] 图 9是三维成型第七至第十一实施例部分组分的图表。

[0036] 图 10是第一至第六实施例实验数据的图表。

[0037] 图 11是第十一实施例实验数据的图表。

[0038] 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

[0039] 金属三维打印机第一实施例：

[0040] 参照图 1，三维打印机 1包括壳体 11，壳体 11围成用于三维成像的空腔，在该空腔内安装有 X轴移动电机 121、 Y轴移动电机 122和 Z轴移动电机 (未标示)， X轴移动电机 121、 Y轴移动电机 122和 Z轴移动电机构成本实施例的移动组件， Z轴移动电机安装在空腔的底部，在 Z轴移动电机上连接有螺杆，在空腔的底壁还安装有导杆，在导杆上安装有 Z轴移动支架 131，在该 Z轴移动支架 131上设置有成型座 1 32，由于 Z轴移动支架 131与螺杆螺纹啮合，所以当 Z轴移动电机工作吋，将带动螺杆旋转，继而使得成型座 132在 Z轴移动电机的驱动下在 Z轴方向上移动。

[0041] Y轴移动电机 122安装在空腔的侧壁上，在侧壁上固定设置有导杆，在导杆上设置有 Y轴移动支架， Y轴移动电机通过皮带与 Y轴移动支架连接，当 Y轴移动电机 122转动吋，将通过皮带带动 Y轴移动支架沿着导杆滑动，即 Y轴移动支架在 Y轴移动电机 122的驱动下在 Y轴方向上移动。

[0042] 在 Y轴移动支架上安装有 X轴移动电机 121和两根导杆，两根导杆分别设置在 X 轴移动电机 121的两侧，在两根导杆上设置有打印头组件 14、耗材供给组件和引导装置 2。当 X轴移动电机 121转动吋，将通过皮带带动打印头组件 14沿着导杆滑动，即打印头组件 14在 X轴移动电机 121的驱动下在 X轴方向上移动。 X轴移动电机 121、 Y轴移动电机 122和 Z轴移动电机组成了本实施例的移动电机组件。

[0043] 参照图 2，壳体 11在空腔的背侧上设置有线材轮 161和线材轮 162，线材轮 161上卷绕有丝状的成型材料 151，线材轮 162上卷绕有丝状的成型材料 152，在本实施例中，成型材料 151和成型材料 152均包括金属材料和粘结剂，且成型材料 151的熔点低于成型材料 152的沸点，这样使得成型材料 151和成型材料 152的熔点相接近，在加热至熔融状态下，其内含的金属材料能够相互融合，不会发生一种金属材料加热至沸点继而气化，或不会发生一种金属材料处于熔融状态另外一种金属材料仍然处于固态，导致金属材料无法融合。

[0044] 耗材供给组件、引导装置 2和打印头组件 14均安装在 X轴上的两根导杆上并一体地沿该 X轴导杆和 Y轴导杆所形成的平面上移动。耗材供给组件包括电机 171和电机 172，由于电机 171和电机 172结构相同，所以下面以电机 171为例进行说明。电机 171包括驱动轮 181和从动轮 191，驱动轮 181之间从动轮 191夹持有丝状的成型材料 151，当驱动轮 181逆吋针转动吋，可将丝状的成型材料 151自上而下地移动，当驱动轮 182顺吋针旋转吋，可将丝状的成型材料 151自下而上地移动。同理，在电机 172的驱动轮的逆吋针或顺吋针旋转吋，可将丝状的成型材料 152往上或往下地输送。经过耗材供给组件驱动丝状的成型材料 151和丝状的成型材料 152后，可将丝状的成型材料 151和丝状的成型材料 152输入到引导装置 2。

[0045] 参照图 3并结合图 2，引导装置 2连接在耗材供给组件和打印头组件 14之间的，引导装置 2包括壳体 21，在壳体 21的上端部设置有输入端 23和输入端 24，在壳体 21的下端部设置有输出端 215。在输入端 23和输出端 215之间连通地幵设有通道 2 13，在输入端 23和输出端 215之间连通地幵设有通道 214，通道 213和通道 214均为第一壳体 21和第二壳体 22在中部分别幵设的圆槽所围成。通道 213和通道 214 在其各自的下端部相互连通地设置，使得通道 213和通道 214呈 Y型树杈状地分布。在通道 213和通道 214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机中。

[0046] 打印头组件 14包括喷嘴 142和加热器 141，加热器 141套在喷嘴 142外，加热器 14 1可对喷嘴 142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。打印头组件的输入端与输出端 215连通设置。

[0047] 金属三维打印机的打印方法第一实施例：

[0048] 应用上述金属三维打印机第一实施例，即成型材料 151和成型材料 152均包括金属材料和粘结剂，且成型材料 151的熔点低于成型材料 152的沸点，以及成型材料 151和成型材料 152的熔点相接近。 [0049] 打印头组件 14在成型座上挤出成型材料 151和成型材料 152的步骤包括：

[0050] 首先，耗材供给组件驱动成型材料 151进入至引导装置并驱动，并驱动至打印头组件 14中，继而加热，然后打印头组件 14在成型座上挤出一层成型材料 151，

[0051] 随后，成型座下降预设距离后，打印头组件 14在成型材料 151上挤出一层成型材料 152。继而实现不同层采用不同金属材料进行三维模型打印。

[0052] 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。

[0053] 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 151和成型材料 152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。

[0054] 金属三维打印机的打印方法第二实施例：

[0055] 在打印方法第一实施例的应用基础上，参照图 3，在打印一层模型吋，可以根据实际模型设计随吋切换打印的成型材料，即一层模型同吋采用成型材料 151和成型材料 152进行打印。

[0056] 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 151 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 152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。

[0057] 金属三维打印机的打印方法第三实施例：

[0058] 又或者只采用一种成型材料，即打印头组件 14在成型座上打印一种成型材料并使其成三维模型。

[0059] 金属三维打印机的打印方法第四实施例：

[0060] 应用上述金属三维打印机第一实施例，并对成型材料的性质做出调整，具体为，成型材料 151和成型材料 152均包括金属材料和粘结剂，且成型材料 151的熔点高于成型材料 152的沸点。其优选的金属材料为，成型材料 152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 151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。

[0061] 打印头组件 14在成型座上挤出成型材料 151和成型材料 152的步骤包括：

[0062] 在需要打印一些需要支撑结构的三维模型吋，首先先进行支撑部位的打印，耗材供给组件驱动成型材料 151进入至引导装置并驱动，并驱动至打印头组件 14中，继而加热，然后打印头组件 14在成型座上挤出成型材料 151，将成型材料 151 作为支撑部位，来支撑成型材料 152的打印。

[0063] 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 151上挤出成型材料 152，继而实现支撑部位和实体部位的配合打印。

[0064] 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 152 ，故加热至成型材料 152熔融温度即可，而成型材料 151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 151是较为容易的。

[0065] 金属三维打印机的打印方法第五实施例：

[0066] 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 15 1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 152为支撑材料，支撑材料可采用 ABS树脂或 PLA聚乳酸，成型材料 151的熔点高于所述成型材料 152的熔点。

[0067] 打印头组件 14在成型座上挤出成型材料 151和成型材料 152的步骤包括：

[0068] 在需要打印一些需要支撑结构的三维模型吋，首先先进行支撑部位的打印，耗材供给组件驱动成型材料 152进入至引导装置并驱动，并驱动至打印头组件 14中

，继而加热，然后打印头组件 14在成型座上挤出成型材料 152，将成型材料 152 作为支撑部位，来支撑成型材料 151的打印。

[0069] 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

152上挤出成型材料 151，继而实现支撑部位和实体部位的配合打印。

[0070] 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 151

，故需加热至成型材料 151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 152是较为容易的。

[0071] 金属三维打印机的打印方法第六实施例：

[0072] 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，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。 [0073] 金属三维打印机第二实施例：

[0074] 参照图 4，图 4是引导装置 3从输入端口朝向输出端口视角下的结构图。弓 I导装置 3在上端部设置有五个输入端口 31，引导装置 3在下端部设置有输出端口 32，其中四个输入端口 31分布在靠外侧，另外一个输入端口 31设置在中部，每一个输入端口 31和输出端口 32之间连通地幵设有通道 33，多个通道 33在其各自的下端部相互连通地设置，使得通道 33呈立体树杈状地分布在引导装置 3中，再通过耗材供给组件设置多个电机，多个电机分别输送成型材料进入引导装置中，利用引导装置 3是同样可实现本发明的目的。

[0075] 金属三维打印机第三实施例：

[0076] 参照图 5，本实施例的打印头组件可采用多打印设计方案进行多材料三维成像，具体为，打印头组件包括打印头 41和第二打印头 42，打印头 41用于挤出所述成型材料 151，打印头 42用于挤出成型材料 152，在本实施例中可采用耗材供给组件直接将成型材料输入至打印头中，并应用上述打印方法实施例，便可实现本发明的目的。

[0077] 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，同吋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，其成型效率高成本低，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。

[0078] 三维成型丝料的制造方法实施例和三维成型丝料实施例：

[0079] 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。

[0080] 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 93%; 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 <¾至5<¾_; 稳定剂占三维成型丝料的总重量百分比是 0.1%至 1%。

[0081] 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）、 YBa ₂Cu ₃0 ₇金属材料（钇钡铜氧化物）、 SiC金属材料（碳化硅）、 Si ₃N 4金属材料（氮化硅）、 Si/Al金属材料（硅铝合金）、 Al ₂0 ₃/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。

[0082] 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。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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%。

[0086] 第一实施例：

[0087] 本实施例的三维成型丝料的制造方法包括下面的步骤。

[0088] 如图 3所示，首先，执行准备步骤 Sl，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。

[0089] 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°C至 250°C下挤出得到挤出材料。如图 4所示，各组份原料经加料口 30加入到螺杆挤出机 31内，螺杆 32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 33挤出得到挤出材料 34。

[0090] 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 5所示，是丝状材料 35可以是直线形式，并且在外力作用发生弯曲变形，同吋，在弯曲变形后这种丝状材料 35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。

[0091] 最后，执行卷丝步骤 S4，由于这种丝状材料 35可以弯曲变形，因此可以把丝状材料 35卷曲在丝料盘上。

[0092] 本实施例的三维打印机包括打印平台、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三维打印机的丝料盘上。本实施例的三维打印机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机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。

[0093] 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。C至 350。C。

[0094] 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°C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。

[0095] 第二实施例：

[0096] 本实施例的三维成型丝料的制造方法包括下面的步骤。

[0097] 首先，执行准备步骤：取得 85份铁镍合金（Fe/Ni) 金属材料、 10份蜂蜡粘结齐 ij、 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。

[0098] 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°C至 190°C下挤出得到挤出材料。

[0099] 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。

[0100] 最后，执行卷丝步骤，把丝状材料卷曲在丝料盘上。

[0101] 本实施例的三维打印机包括打印平台、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三维打印机的丝料盘上。本实施例的三维打印机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机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。

[0102] 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。C至 300。C。

[0103] 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°C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。

[0104] 第三实施例：

[0105] 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。

[0106] 其它步骤与上述第二实施例相同，不再赘述。

[0107] 第四实施例：

[0108] 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份氧化锌热稳定齐 1J。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。

[0109] 第五实施例：

[0110] 在执行准备步骤中：取得 85份铁镍合金（Fe/Ni) 金属材料、 10份硬脂酸粘结齐 ij、 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。

[0111] 第六实施例：

[0112] 在执行准备步骤中：取得 85份铁镍合金（Fe/Ni) 金属材料、 10份硬脂酸粘结齐 ij、 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。

[0113] 三维成型丝料的第七实施例至第九实施例的部分参数数据如图 9所示。

[0114] 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。

[0115] 第十实施例：

[0116] 在执行准备步骤中：取得 93份铁镍合金（Fe/Ni) 金属材料、 6份硬脂酸粘结剂、 0.5份硅酮粉润滑剂、 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 3。的 TPE (Thermoplastic Elastomer) 材料，例如， 3。的苯乙烯类弹性体。由于 TPE材料是一种热塑性弹性体材料，使用 TPE材料作为柔韧性增加剂，可以提高三维成型丝料的柔韧性。本实施例成型后的物体的密度值为 7.70。

[0117] 第十一实施例：

[0118] 在执行准备步骤中：取得 93份铁镍合金（Fe/Ni) 金属材料、 6份硬脂酸粘结剂、 0.5份硅酮粉润滑剂、 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 45°的 TPE材料，例如， 45°的苯乙烯类弹性体。本实施例成型后的物体的密度值为 7.78。

[0119] 第十实施例与第十一实施例中，采用不同度数的 TPE材料，其中， 3°的 TPE材料较为柔软， 45°的 TPE材料比 3°的 TPE材料硬度大。图 9示出了第十实施例与第十一实施例的部分参数。

[0120] 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) 。样本的测试结果如图 10所示。

[0121] 从图 10可见，在上述实验条件下，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。

[0122] 另外，对第十一实施例等到的三维成型丝料进行样本采样，对这些样本按照标准 ASTM D790-07进行测试。样本的形状为：长 127.00毫米（mm)，宽 12.70毫米 (mm),厚 3.20毫米（mm)。样本测试的速度采用线速度： 10.0毫米 /分钟（mm/mi n)。样本的测试结果如图 11所示。

[0123] 从图 11可见，在上述实验条件下，三维成型丝料的弯曲强度大于 36MPa，从而实现了金属基三维成型丝料的弯曲变形且不会折断。

[0124] 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。

[0125] 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（DC P) 、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，在弯曲的吋候容易发生折断，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吋，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°C至 230°C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°C至 2 05°C之间。

[0126] 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。

[0127] 工业应用性

[0128] 由于本发明提供的三维成型丝料中含有较多的金属、玻璃等基材，以金属作为基材为例，本发明的三维成型丝料可以用于金属的三维打印工艺。并且，由于在丝料中添加了柔韧性增强剂，使得丝料具有良好的弯曲强度，能够实现丝料的弯曲并且可以将丝料弯曲成盘状，有利于丝料的程序。

[0129] 本发明把金属材料制作为可弯曲的金属丝状材料，同吋能够在 FDM三维打印机通常设定的温度下形成三维物体，极大地提升金属三维物体的成型效率。这种丝状材料实现了金属丝状材料的弯曲，弯曲的吋候不会折断，其在 FDM三维打印机上的应用实现了突破。

[0130] 采用本发明的丝料进行三维物体的打印，可以制造金属材质的物体，与传统工艺的金属三维物体的成型过程相比，应用本发明提供的丝状材料后，采用 FDM 三维打印机进行成型，成型效率得到显著提升，且成本低，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。

Claims

权利要求书

[权利要求 1] 一种熔融沉积成型的金属三维打印机的打印方法，其特征在于，所述金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的打印方法，其特征在于：

所述第一成型材料的熔点低于所述第二成型材料的沸点；

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的步骤包括：

所述打印头组件在所述成型座上挤出所述第一成型材料；

所述打印头组件在所述第一成型材料上挤出所述第二成型材料。

[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的打印方法，其特征在于：

所述第一成型材料的熔点低于所述第二成型材料的沸点；

所述第一成型材料和所述第二成型材料在所述打印头组件内混合后形成混合成型材料；

所述打印头组件在所述成型座上挤出所述成型材料。

[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的打印方法，其特征在于：

所述第一成型材料的熔点高于所述第二成型材料的熔点；

支撑部位打印步骤，所述打印头组件在所述成型座上挤出所述第一成型材料；

实体部位打印步骤，所述打印头组件在所述第一成型材料上挤出所述第二成型材料。

[权利要求 5] —种熔融沉积成型的金属三维打印机的打印方法，其特征在于，所述金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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，所述第一成型材料包括金属材料和粘结剂，所述第二成型材料为支撑材料，所述第一成型材料的熔点高于所述第二成型材料的熔点；

所述打印方法包括：

支撑部位打印步骤，所述打印头组件在所述成型座上挤出所述第二成型材料；

实体部位打印步骤，所述打印头组件在所述第二成型材料上挤出所述第一成型材料。

[权利要求 6] —种熔融沉积成型的金属三维打印机，其特征在于：

所述金属三维打印机包括打印头组件、成型座、移动组件和耗材供给组件，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。

[权利要求 7] 根据权利要求 6所述的金属三维打印机，其特征在于：

所述金属打印机还包括连接在所述耗材供给组件和所述打印头组件之间的引导装置，所述引导装置设置有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一成型材料输入至所述第一输入端，所述第二成型材料输入至所述第二输入端，所述输出端与所述打印头组件连接，所述第一输入端和所述输出端之间连通设置有第一通道，所述第二输入端和所述输出端之间连通设置有第二通道。

[权利要求 8] 根据权利要求 6所述的金属三维打印机，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，所述第一打印头用于挤出所述第一成型材料，所述第二打印头用于挤出所述第二成型材料

[权利要求 9] 根据权利要求 6至 8任一项所述的金属三维打印机，其特征在于：所述第一成型材料包括第一金属材料和第一粘结剂，所述第二成型材料包括第二金属材料和第二粘结剂，所述第一金属材料为锌基合金，所述第二金属材料为铝基合金或不锈钢合金。

[权利要求 10] 根据权利要求 6至 8任一项所述的金属三维打印机，其特征在于：所述第一成型材料包括第一金属材料和第一粘结剂，所述第二成型材料为支撑材料，所述第一金属材料为锌基合金，所述支撑材料为树脂或聚乳酸。