CN106312064A - 一种整合机加工技术的金属三维打印方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整合机加工技术的金属三维打印方法及其设备，其金属三维打印方法的核心方法为：在三维打印成型的过程中，采用熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属相互接触，在熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将已打印成型的金属与熔化或软化且可流动的金属相接触的部位的温度升高或将所述的接触部位熔化，从而获得结构强度高的金属零件；使用刀具对已打印成型的金属进行进一步加工。其产生的金属零件强度高且密度高、成型精度高、每个像素点的打印过程都受到监控、可同步产生可拆卸的辅助性支架、可打印大型零件、可修复损伤的金属零件、设备结构简单、成本低廉。本发明具有实质性进步。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种整合机加工技术的金属三维打印方法及其设备，属于增材制造技术领域。
背景技术
三维打印技术最早起源于19世纪末的美国，直到20世纪七八十年代在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(StereoLithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three DimensionalPrinting and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。目前已经商业化的用于金属材料三维打印的技术，主要有选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)和电子束熔融技术(Electron Beam Melting，EBM)，但SLM和EBM技术也有不少缺点，例如：制造成本高昂、维护成本高、打印出来的零件机械强度不高(需要在打印后进行增强处理，尤其是SLS/SLM技术)、打印的幅面小。为了提高SLM和EBM技术打印产生的金属零件的材料密度，还出现了不少技术，例如申请号为201410289871.X、名称为“一种提高3D打印金属件性能的处理方法”的中国专利申请。针对上述SLM和EBM技术的缺点，也出现了不少采用其它成型方法的低成本金属三维打印技术，例如申请号为201510789205.7、名称为“一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置”的中国专利申请，申请号为201510679764.2、名称为“一种金属3D打印快速成型设备”的中国专利申请，又如申请号为201410206527.X、名称为“挤出式金属流3D打印机”的中国专利申请，但这些技术存在成型精度低或打印成型的金属层的层间结合力低等问题。也有将金属三维打印与传统机械加工技术整合的，例如申请号为201520920569.X、名称为“一种金属零件3D打印数控机床”的中国专利申请，该专利申请由于采用焊枪或堆焊，焊枪或堆焊累积熔化金属的成型精度低，机加工产生的金属损耗大，并且焊枪或堆焊会对之前已被机加工处理过的金属层造成破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将打印精度高、层间结合力强的金属三维打印技术与机加工技术相整合的成型方法及其设备系统，能在三维打印的过程中按层干预特定成型位置的形状和成型精度。
为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案是：一种整合机加工技术的金属三维打印方法，其主要过程为：将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区，熔化或软化且可流动的金属在不具备流动性之后转变为已打印成型的金属，熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型，由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体；其中：在累积熔化或软化且可流动的金属的过程中，熔化或软化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间；所述的熔化或软化且可流动的金属即金属甲，所述的已打印成型的金属即金属乙；
其特征在于：
在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位熔化；
或者，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
使用刀具对部分打印区域内的金属乙进行加工，或者对所有的金属乙进行加工；
所述的部分打印区域，是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以理解为：所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区形成的映射空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以被理解为：所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来，形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体，将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体，由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程；将该虚拟物体划分成多个区域，其中的部分区域就是所述的部分打印区域。
可选地：所要打印的物体为目标零件，或者由目标零件和辅助性支架组成。目标零件是使用者所要打印的零件；辅助性支架是辅助性结构，在三维打印结束后被使用者去除。
可选地：
金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制；在金属甲与金属乙之间所施加的电流受到计算机的控制；
所要打印的物体采用层叠加的方式产生，即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生，层的数量至少为一层；每一层由像素点组成；
所述的金属甲是可流动的，并且金属甲是否流动受到计算机的控制；在打印过程中，金属甲以金属流的形式存在；金属流的前部在与金属乙接触并连接之后，金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙，形成像素点；金属流的数量至少为一路。金属流的前部的温度降低，是由于金属流的前部的热量被媒介导走，例如：之前所累积的金属乙、三维打印设备的打印支撑平台，如果在非真空环境下打印成型，环境中的气体也会导走一部分热量。
可选地：
在打印过程中，金属乙被支撑层支撑，即以支撑层作为打印第一层的基础；
从第一层至最后一层的三维成型步骤如下：
步骤S1，开始打印第一层，在计算机的控制下，金属甲与支撑层上的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；支撑层的上表面与第一层的底面共面；
步骤S2，计算机根据用户设定和/或计算产生的参数，在金属甲与支撑层之间施加电流或者不施加电流；如果施加电流，电流的强度可被计算机控制；
步骤S3，计算机判断第一层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与支撑层相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与支撑层相互接触，然后重复步骤S2至步骤S3；如果已完成第一层的打印，并且需要打印下一层，就进入步骤S4；如果不需要打印下一层，打印结束；
步骤S4，开始打印新的一层，在计算机的控制下，金属甲与之前已打印成型的那一层上的与计算机产生的当前层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；之前已打印成型的那一层的上表面与正在打印的当前层的底面共面；
步骤S5，计算机根据用户设定和/或计算产生的参数，在金属甲与金属乙之间施加电流或者不施加电流；如果施加电流，电流的强度可被计算机控制；
步骤S6，计算机判断当前层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与金属乙相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与金属乙相互接触，然后重复步骤S5至步骤S6；如果已完成，且需要打印下一层，就进入步骤S7；如果不需要打印下一层，打印结束；
步骤S7，重复步骤S4至步骤S6，直至打印结束。
在上述的步骤S3，计算机控制刀具对部分金属乙进行加工，或者在步骤S3之后、步骤S4之前计算机控制刀具对部分或整层的金属乙进行加工；例如：去除部分区域的部分金属乙，削除该层金属乙的位于边界线之外的部分，将该层金属乙的上表面磨平；
在上述的步骤S6，计算机控制刀具对正在成型的层的部分金属乙进行加工，或者在步骤S6之后、步骤S7之前计算机控制刀具对最新成型的层的部分或整层的金属乙进行加工；例如：去除部分区域的部分金属乙，削除该层金属乙的位于边界线之外的部分，将该层金属乙的上表面磨平；
上述的支撑层可以是支撑平台，也可以是被固定在支撑平台上的层状结构，该所述的层状结构是指被固定在支撑平台上的板、或支架、或铺在支撑平台上的粉层，例如金属板、或金属支架、或金属粉层。
可选地：上述的计算机控制刀具对部分金属乙进行加工，所加工的部位由用户设定；当用户设定增强所打印的零件的表面精度时，刀具的切削点的移动路径就是金属乙的边界线(刀具的旋转中心的行走路径与金属乙的边界线的偏移距离为刀具在加工时所使用的刀刃部位的半径)；当用户设定将金属乙的上表面磨平时，刀具的切削点或切削面的移动路径就是在所设定的加工区域的金属乙上表面进行扫描式移动。
可选地：所述的从第一层至最后一层的三维成型步骤当中的步骤S2和步骤S5，所述的计算产生的参数，由计算机生成，分两种情形：
情形一，计算机根据目标零件(即将要打印的零件)的形状、结构，自动生成可拆卸的辅助性打印体(例如与目标零件同步生成的辅助性支架)，为了方便拆卸，可拆卸的辅助性打印体的多数像素点的成型过程不需要通过电阻发热来增强其结构强度；可拆卸的辅助性打印体的所有不需要通过电阻发热来增强其结构强度的像素点都被标记不需要施加电流的参数；
情形二，目标零件的实体区的所有像素点的成型过程需要通过电阻发热来增强其结构强度，目标零件的所有实体区的像素点都被标记需要施加电流的参数。
可选地：所述的部分打印区域，主要由所要打印的零件的形状决定和/或由使用者设定，或者由计算机优化的算法决定，例如：在打印第一层时，为了便于将所打印的零件固定在支撑层上、但又为了便于将打印好的零件从支撑层上拆卸下来，在某些打印区域内(例如第一层的轮廓线的四个等分点)需要在金属甲与支撑层之间施加电流以增强两者之间的连接，而在第一层的其它打印区域内不需要在金属甲与支撑层之间施加电流以免导致所打印的零件与支撑层之间的结合力过强而难以拆卸。
可选地：所述的部分打印区域，主要分为高成型强度的区域和低成型强度的区域。例如：把目标零件的所有层设定为高成型强度的区域，高成型强度的区域以熔融的方式连接成型(即电阻发热的强度足以融化金属乙与金属甲的接触部位)；把支架体这类辅助性结构的所有层设定为低成型强度的区域，低成型强度的区域的成型过程不需施加电流。
可选地：所述的部分打印区域，主要分为高成型强度的区域、中成型强度的区域和低成型强度的区域。例如：把目标零件的所有层所对应的需要高成型强度的区域设定为高成型强度区域，把目标零件的所有层所对应的需要中成型强度的区域设定为中成型强度区域，把支架体这类辅助性结构的所有层设定为低成型强度的区域，并且每类打印区域所需施加的电流强度可设定；其中，不需要施加电流的情况可以认为电流强度为零。
可选地：
所述的金属甲，其熔化程度或软化程度可调，通过调节金属甲的温度高低来实现，并受计算机的控制；金属甲的流动速度以及在单位时间内的流量可调，通过调节金属甲受到的挤出压力大小来实现，并受计算机的控制。
可选地：在金属甲与金属乙接触之前，金属乙的即将与金属甲接触的区域被预热；预热方式有多种，例如：高温等离子体加热、电弧加热、高频电磁感应加热、激光加热。
可选地：所述的在金属甲与金属乙之间施加电流，是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后才施加电流。
可选地：所述的在金属甲与金属乙之间施加电流，是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后施加电流，在监测到金属甲与金属乙不发生接触时断开电流。这种电流通断方式非常适用于当金属甲为连续金属流(不是金属液滴)的情况。
可选地：金属甲与金属乙之间的接触方式为点蘸或拖拽；所述的点蘸，即金属甲在一个像素点对应的位置与金属乙接触并连接后被抬起或被切断，部分金属甲与金属乙粘连而留在金属乙上面，其它部分的金属甲与金属乙分离，等到打印下一个像素点时再与金属乙接触；所述的拖拽，在打印过程中金属甲以金属流的形式存在，金属流在需要打印的区域内作相对于金属乙的移动的同时保持与金属乙接触，金属流的前部在与金属乙接触并连接之后自动转变为金属乙，然后形成像素点，后续的金属流与待打印的像素点所对应的位置接触并且不断转变为金属乙，直至打印结束或者暂停打印。
可选地：在三维成型过程中，使用激光对金属乙进行加工。
可选地：三维打印所使用的原料，除了金属，可以是其它导电性材料(非纯金属)，其三维打印方法与所述的金属三维打印方法相同(即，通过累积熔化导电性材料或软化且可流动的导电性材料来实现三维打印，在熔化导电性材料或软化且可流动的导电性材料与已打印成型的导电性材料之间施加电流，通过电阻发热的方式增强两者之间的连接强度，或者在部分打印区域在这两者之间不施加电流)。例如：金属与陶瓷的混合物(如Ti(C,N)基金属陶瓷，属于合金)，导电性化合物(如碳化钛TiC)，都是导电性材料、但不是纯金属材料。
可选地：所述的刀具为机械加工设备或机械加工装置在切、削、铣、磨、钻加工时所使用的各种工具。例如：铣刀、磨头、钻头。
可选地：所述的累积熔化或软化且可流动的金属的过程，即累积金属甲的过程，是在已有的零件的基础上累积。例如：在其它生产设备生产出的金属零件的基础上累积金属甲(例如在发生局部损伤的航空发动机叶片上累积)，这可以实现对现有金属零件进行修复。
可选地：所述的使用刀具对部分打印区域内的金属乙进行加工或者对所有的金属乙进行加工，是在完成三维打印之后再使用刀具对三维打印成型的零件进行加工。
进一步地，本发明提供了一种运用上述的一种整合机加工技术的金属三维打印方法打印金属零件的整合机加工技术的金属三维打印设备，技术方案为：一种整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：其包括用于产生熔化或软化且可流动的金属的加热单元、用于控制熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的位置驱动机构、用于在熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路、金属原料输送单元、用于驱动刀具的机加工单元、以计算机为核心的控制单元；其中：所述的加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路、机加工单元、金属原料输送单元分别与控制单元连接，并受到控制单元的控制；控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件、参数及控制指令；所述的金属原料输送单元将三维打印所需的金属原料输送到所述的加热单元内；
所述的已打印成型的金属即金属乙；从加热单元产生的熔化或软化且可流动的金属即金属甲。
可选地：所述的加热单元设置有出口，金属原料在加热单元中被加热后从加热单元的出口输出形成金属甲；加热单元的数量至少为一个。
可选地：所述的加热单元的数量为多个，每个加热单元的出口的大小可以不相同。例如：加热单元的数量为两个，两个加热单元共用部分结构，但被分别独立控制；一个加热单元的出口的内径为50微米，另一个加热单元的出口的内径为1毫米，出口内径为1毫米的加热单元用于粗打印，出口内径为50微米的加热单元用于精细打印；两个加热单元在打印过程中协同工作，可以实现高速打印。
可选地：所述的加热单元主要由加热腔体、电磁感应线圈、盖帽组成，其中：加热腔体内设置有空腔，加热腔体的下方有出口，加热腔体的上端与盖帽连接；盖帽设置有冷却结构，冷却结构用于对盖帽进行冷却或散热；盖帽设置有与金属原料输送单元连接的通孔，金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体内；在加热腔体外围设置电磁感应线圈，电磁感应线圈与控制单元连接，通过电磁感应线圈耦合作用而在加热腔体和/或加热腔体内的金属原料产生感应电流并发热。
可选地：还包括搅拌单元，用于对加热腔体内的金属原料进行搅拌，排除混在金属原料内的气泡；所述的搅拌单元采用机械搅拌或磁力搅拌方式。
上述的机械搅拌方式采用搅拌杆对加热腔体内的金属原料进行搅拌；上述的磁力搅拌方式通过在加热腔体周围设置产生旋转磁场或震荡磁场的磁场发生装置，并对加热腔体内的金属原料通电，利用安培力实现对加热腔体内的金属原料进行搅拌。
可选地：所述的位置驱动机构为多轴运动机构，例如：XYZ三轴运动机构、六轴联动机械臂。
可选地：所述的发热电流发生电路与金属甲、金属乙连接；金属甲、金属乙与发热电流发生电路的连接状态受到控制单元的控制，和/或发热电流发生电路的工作状态受到控制单元的控制。
可选地：所述的控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成，其中：计算机为通用计算机，或嵌入式计算机，或工控机，或通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，或工控机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，或通用计算机、工控机、嵌入式计算机构成的复合计算机系统；驱动电路驱动包括加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路、金属原料输送单元在内的执行机构，为执行机构提供驱动电流和/或驱动信号；计算机通过传感电路获取三维打印所需的各种状态信息。
可选地：所述的金属原料输送单元主要由金属原料仓、金属原料输送驱动机构、金属原料输送管路组成，其中：金属原料输送管路将金属原料仓、金属原料输送驱动机构、加热单元连接在一起，金属原料仓存储金属原料，金属原料在金属原料输送驱动机构的作用下在金属原料输送管路中穿行并到达加热单元内。金属原料可以采用金属粉或金属线的形式。
可选地：还包括冷却单元，用于对受到高温影响但不能承受高温和/或不需要被加热的位置进行冷却，例如冷却电磁感应线圈、加热单元与其它组件连接的部位、位置驱动机构、甚至设备的机壳；冷却单元受到控制单元的控制。
可选地：所述的用于驱动刀具的机加工单元，主要由用于固定刀具的夹持装置、用于驱动刀具旋转的刀具动力装置、用于驱动刀具移动的刀具位置驱动装置组成，其中：夹持装置与刀具动力装置连接，刀具动力装置通过夹持装置将动力传输给刀具，刀具动力装置与刀具位置驱动装置连接。
可选地：上述的机加工单元，还设置有刀具架和刀具更换装置。
可选地：上述的机加工单元的刀具位置驱动装置采用多轴机械臂。例如：六轴联动机械臂。
可选地：上述的机加工单元设置有独立的冷却装置，用于对机加工单元进行冷却和/或对刀具加工金属乙(已打印成型的金属)的过程进行冷却。
可选地：上述的机加工单元，还设置有喷气装置，用于吹走机加工过程产生的碎屑。
可选地：上述的机加工单元，还设置有夹具，用于夹持被加工的零件和/或辅助固定所要打印的金属零件。
可选地：还包括保护气体输送单元，其所输送的保护气体主要用于保护被加热的金属和/或推动金属甲的流动；保护气体输送单元受到控制单元的控制；保护气体来源于其它系统(例如使用高压气瓶作为所述的整合机加工技术的金属三维打印设备的保护气体源，高压气瓶存储来自其它系统制造的惰性气体)，或者由保护气体输送单元制造产生(例如使用分子筛将空气中的氧气虑除，将剩下的气体作为保护气体，用于某些与氮气不发生反应的金属的打印)。
上述的保护气体输送单元，主要由保护气体源、输送管路、电磁阀、压力传感模块组成；在输送管路上设置电磁阀、压力传感模块；电磁阀控制保护气体源往输送管路输出的气体量及持续时间；压力传感模块监测输送管路内的电磁阀两侧的气压；输送管路将保护气体源提供的气体引导至三维打印成型所发生的空间以形成保护气氛，以及引导至加热单元以推动金属甲的流动。
可选地：还包括成型腔，打印成型的过程在成型腔内进行，成型腔将打印成型的过程与大气隔离开来。
可选地：还包括激光加工单元，受到控制单元的控制，用于在三维成型的过程中对金属乙进行加工。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过在像素点成型的过程中施加电流，利用电阻发热的原理(有别于现有的一些金属三维打印技术使用的电弧发热、高温等离子体加热原理)，以单个像素点的空间解析度将已成型金属体与当前正在成型像素点的交界面熔化或者提高交界面的温度，提高打印产生的金属体的层间结合力；尤其是在当前正在成型像素点仍处于熔化的状态下(该熔化状态维持时间极短)，使用电流将该交界面的已成型金属体的一侧瞬间熔化，在已成型金属体一侧产生贴近该交界面的微型“熔池”，可以实现将两者以“熔融”的方式连接，该连接的过程类似于“电阻焊”，相当于每个像素点都是被精确焊接到已成型金属体上；因此，使用本发明的技术打印产生的零件强度高。
本发明通过使用熔化或软化的金属(尤其是使用熔化的金属)与已成型的金属体接触，并且该接触过程存在机械作用力，像素点之间以及正在成型的层与之前已成型的层之间的气体被驱赶走、缝隙被填充，像素点之间以及层间的“缝隙网络”少(“缝隙网络”结构在现有的使用铺金属粉层方式的SLS/SLM和EBM中普遍存在，尤其是SLS/SLM，需要在打印后进行高温热处理来提高材料密度)；因此，使用本发明的技术打印产生的金属零件密度高。
本发明将金属原料加热熔化或软化后(尤其是熔化后)，在挤出压力的作用下从加热单元的微型喷嘴(或出口)输出，可以通过使用小口径的喷嘴(例如50微米的内径)产生小直径的像素点；由于喷嘴的位置是被精确控制的，所挤出的液态金属的位置也被精确控制(有别于现有的一些使用“喷金属粉”方式的金属三维打印技术)，并且使用“电阻发热”的方式来连接像素点与已成型的金属体，“电阻发热”的能量作用范围小且可控性高(有别于现有的一些金属三维打印技术使用的电弧发热、高温等离子体加热方式)，因此，本发明的成型精度高。
本发明通过在单个像素点成型的过程中，使用电路监测每个像素点的金属原料与已成型金属体之间是否实现电气连接(即两者是否接触)，实现对每个像素点成型过程的实时监控，确保每个像素点都能有效地与已成型金属体连接。
(2)本发明通过将机加工技术(例如基于CNC的数控加工技术)整合到金属三维打印的过程中，在上述通过“电阻发热”增强所打印零件强度和精度的基础上进一步提高所打印零件的外形精度，使本发明所产生的零件的适用性获得提升，甚至所打印的零件可直接应用于对外形表面精密度和结构强度要求高的情形，例如轴承，而不需要在三维打印成型之后抛光处理。还可以实现对现有的损伤的金属零件进行修复。
(3)本发明由于在三维成型过程中所累积的像素点的体积小且电阻发热方式能量作用集中，在经过机加工处理的已打印成型的金属的基础上累积像素点过程中，不会破坏此前已被机加工处理过的已打印成型的金属，因此本发明能实现机加工与三维打印的有机结合。
(4)本发明通过控制特定区域的像素点与已打印成型的金属体之间的电流通断或电流的强弱，在打印高强度层间结合力的金属零件的同时，同步产生层间结合力低的金属体作为支架，在打印结束之后拆除支架；本发明还可以通过使用多个喷嘴(或者使用多个金属液化单元)，一个或一些喷嘴输出较高熔点的金属材料用于打印目标零件，另一个或另一些喷嘴输出较低熔点的金属材料用于打印辅助性支架体，在打印结束后将低熔点金属熔化和清除；因此本发明可以同步产生辅助性的支架/支架体，以实现打印复杂零件，例如内部存在复杂腔体和管道的金属零件。
(5)本发明采用简单的运动驱动机构控制微型金属液化单元(即加热单元)的位置和采用电阻发热方式增强层间结合力，打印的幅面取决于运动驱动机构的运动控制范围，如果采用大型多轴运动机构，例如大型XYZ三轴运动控制机构，就可以打印大型金属结构件。
本发明采用简单的运动驱动机构，采用微型加热单元产生液态或软化金属、仅有微型加热单元保持高温状态，采用简单的金属原料输送方式；因此，设备结构可以做得简单。本发明的实施成本低廉，即生产成本和使用成本低。
综上所述，本发明的有益效果：产生的金属零件强度高且密度高、成型精度高、每个像素点的打印过程都受到监控、可同步产生可拆卸的辅助性支架、可打印大型零件、可用于修复金属零件、设备结构简单、成本低廉，可推动金属三维打印技术在工业生产、原型设计、创意设计等领域普及。本发明具有实质性进步。
附图说明
图1是三维立体透视图，用于说明本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印设备的一个较佳具体实施例的整体结构；
图2是示意图，用于说明图1所示的本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印设备的较佳具体实施例的组成原理；
图3至图8都是示意图，用于说明本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印方法的一个较佳具体实施例的成型原理；其中：
图3用于说明该较佳具体实施例的三维打印成型原理，其中的箭头D1表示移动方向；
图4用于说明该较佳具体实施例的三维打印成型原理，其中的箭头D2表示移动方向；
图5是图4中虚线圆圈所包围的局部的放大图，用于说明该较佳具体实施例的三维打印成型原理；
图6用于说明该较佳具体实施例的使用刀具对刚打印成型的金属层进行进一步加工的情形；
图7和图8用于说明该较佳具体实施例在打印所需金属零件的同时，同步打印可拆卸的辅助性支架；
图9和图10是流程图，用于说明图3至图8所示的本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印方法的较佳具体实施例的三维打印成型过程，其中图9的标号S101至S110和图10的标号S201至S210用于标示流程的具体步骤；
其中的标号：1-用于产生熔化可流动金属的金属液化单元，2–六轴机械臂一，3-打印支撑平台，4-成型腔，5-金属原料输送管路，6-保护气体源，7-壳体,8-发热电流发生电路，9-导通探测电路，10-支撑层，11-金属原料仓，12-金属原料输送驱动机构，13-电磁阀和压力传感模块一，14-加热腔体，15-盖帽，16-电磁感应线圈，17-保温层，18-加热腔的喷嘴，19-冷却模块一，20-电磁感应加热驱动模块，21-冷却模块二，22-电磁阀和压力传感模块二，23-熔化的金属原料，24-从加热腔体流出的熔化的金属，25-已打印成型的金属二，26-已打印成型的金属一，27–六轴机械臂二，28–刀具，29-零件一，30-支架一，31-零件二，32–夹具。
具体实施方式
下面列举本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印方法的一个较佳具体实施例和本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印设备的一个较佳具体实施例，并结合附图对本发明进行详细描述。
如附图3至附图10所示的本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印方法的一个较佳具体实施例：一种整合机加工技术的金属三维打印方法，其主要过程为：将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区(对应附图1和附图2所示的成型腔4)，熔化或软化且可流动的金属在不具备流动性之后转变为已打印成型的金属，熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型，由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体；其中：在累积熔化或软化且可流动的金属的过程中，熔化或软化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间；所述的熔化或软化且可流动的金属即金属甲，所述的已打印成型的金属即金属乙；
在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化，从而使金属甲与金属乙之间通过熔融的方式实现连接；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；使用刀具对所有的金属乙的每层边缘进行加工，以进一步提高最终打印成型的金属零件的外形的精度；刀具的切削点的移动路径就是每层整层金属乙的边界线(刀具的旋转中心的行走路径与金属乙的边界线的偏移距离为刀具在加工时所使用的刀刃部位的半径)。
所述的部分打印区域，是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以被理解为：所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区形成的映射空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以被理解为：所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来，形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体，将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体；由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程；将该虚拟物体划分成多个区域，其中的部分区域就是所述的部分打印区域。
本具体实施例中，所要打印的物体包括目标零件和辅助性支架，这在后面有阐述。
本具体实施例中，金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制；在金属甲与金属乙之间所施加的电流受到计算机的控制；所要打印的物体采用层叠加的方式产生，即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生，并且层的数量为多层；每一层由像素点组成，像素点之间互相连接；每层都由单层像素点组成；金属甲是可流动的，并且金属甲是否流动受到计算机的控制。在打印过程中，金属甲以金属流的形式存在；金属流的前部在与金属乙接触并连接之后，金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙并形成像素点；金属流的数量为一路。金属流的前部的温度降低，是由于金属流的前部的热量被媒介导走，例如：之前所累积的金属乙、三维打印设备的打印支撑平台、环境中的保护气体也会导走一部分热量。
本具体实施例中，金属甲与金属乙之间的接触方式为拖拽；所述的拖拽，在打印过程中金属甲以液态实体金属流的形式存在(不是粉末态的松散金属流)，金属流在需要打印的区域内作相对于金属乙的移动的同时保持与金属乙接触，金属流的前部在与金属乙接触并连接之后自动转变为金属乙，然后形成像素点，后续的金属流与待打印的像素点所对应的位置接触并且不断转变为金属乙，直至打印结束或打印暂停。使用拖拽方式可以实现高速打印，且设备系统的控制难度更低、使用寿命更长。
金属乙被支撑层10支撑，即在打印过程中打印成型的金属被支撑层10固定住，以支撑层10作为打印第一层的基础；支撑层10是被固定在打印支撑平台3上的金属板，该金属板与打印使用的金属原料是同种材料，也可以使用材料不同但能与目标零件相互焊接在一起的金属板；如附图5所示的从加热腔体流出的熔化的金属24属于金属甲，附图5中的已打印成型的金属二25和已打印成型的金属一26都属于金属乙。
本具体实施例中，在开始三维成型之前，需要先做准备性工作，例如：在打印支撑平台3上固定一块金属板作为支撑层10，导入STL格式的三维图形文件、设定实际打印零件与三维图形的缩放比例、打印精度，产生保护气氛，产生预设温度的熔化的金属原料23。
在准备性工作就绪之后，从第一层至最后一层的打印成型步骤如下：
步骤S1，开始打印第一层，在计算机的控制下，金属甲与支撑层10上的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；支撑层10的上表面与第一层的底面共面；本具体实施例中，在确保金属甲的发生装置的出口与支撑层10之间的距离以及金属甲的流出速度都可控的情况下，通过监测金属甲与支撑层10之间是否建立电气连接以及电阻值来判断金属甲与支撑层10是否接触，即：将金属甲与支撑层10都引入一个探测电路里(对应附图2中的导通探测电路9)，探测电路的一极与金属甲连接，探测电路的另一极与支撑层10连接，如果金属甲与支撑层10相互接触，该探测电路就形成一个回路；同时还监测金属甲与支撑层10之间的电阻值。
步骤S2，计算机根据用户设定和计算产生的参数，在金属甲与支撑层10之间施加电流或者不施加电流；如果需要在金属甲与支撑层10之间施加电流，电流的强度受到计算机控制；本具体实施例中，在打印生成辅助性支架(如附图8所示的支架一30)的时候不需要施加电流；在打印生成目标零件(如附图7和附图8所示的零件一29)的时候，如果正在打印的像素点是作为该零件与支撑层10之间的强化连接点，则需要施加电流，并且电流的强度足以在设定的单个像素点生成时间内(例如五万分之一秒)熔化支撑层10与金属甲的接触面，其它像素点的成型则不需要施加电流。所施加的电流强度是经验值，经过多次测试获得。在本具体实施例中，支架(如附图8所示的支架一30)在打印结束后被拆除，支架的层与层之间不需要高的结合强度。
步骤S3，计算机判断第一层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与支撑层10相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与支撑层10相接触，然后重复步骤S2至步骤S3；如果已完成第一层的打印，计算机控制刀具对整层的金属乙的边界线(边缘)进行加工，以提高外形精度；如果需要打印下一层，就进入步骤S4；如果不需要打印下一层，打印就结束；本具体实施例中，打印一个零件(如附图7和附图8所示的零件一29)，需要打印多层，并且每层由多个像素点组成。
步骤S4，开始打印新的一层，在计算机的控制下，金属甲与之前已打印成型的那一层上的与计算机产生的当前层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；之前已打印成型的那一层的上表面与正在打印的当前层的底面共面；本具体实施例中，金属乙通过支撑层10接入探测电路(对应附图2中的导通探测电路9)，即通过该探测电路监测金属甲与之前已打印成型的那一层之间是否接触。
步骤S5，计算机根据用户设定和计算产生的参数，控制是否在金属甲与金属乙之间施加电流；如果施加电流，电流的强度受到计算机的控制；本具体实施例中，在打印生成支架(如附图8所示的支架一30)的时候不需要施加电流，在打印生成零件(如附图7和附图8所示的零件一29)的时候需要施加电流，并且电流的强度足以在设定的单个像素点生成时间内(例如五万分之一秒)熔化金属乙与金属甲的接触面。所施加的电流强度是经验值，经过多次测试获得。
步骤S6，计算机判断当前层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与金属乙相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与金属乙接触，然后重复步骤S5至步骤S6；如果已完成，计算机控制刀具对最新成型的整层的金属乙的边界线(边缘)进行加工，以提高外形精度；如果需要打印下一层，就进入步骤S7；如果不需要打印下一层，打印就结束。
步骤S7，重复步骤S4至步骤S6，直至打印结束。
本具体实施例中，所述的从第一层至最后一层的三维成型步骤当中的步骤S2和步骤S5，所述的计算产生的参数，由计算机生成，分两种情况：情况一，计算机根据目标零件(即将要打印的零件)的形状、结构，自动生成可拆卸的辅助性打印体(例如与目标零件同步生成的辅助性支架)，为了方便拆卸，可拆卸的辅助性打印体的多数像素点的成型过程不需要通过电阻发热来增强其结构强度；可拆卸的辅助性打印体的所有不需要通过电阻发热来增强其结构强度的像素点都被标记上不需要施加电流的参数；情况二，目标零件的实体区的所有像素点的成型过程需要通过电阻发热来增强其结构强度，目标零件的实体区的所有像素点都被标记上需要施加电流的参数。
本具体实施例中，所述的部分打印区域，主要由所要打印的零件的形状决定，以及由计算机优化的算法决定。在打印第一层时，为了便于将所打印的零件固定在支撑层10上、但又为了便于将打印好的零件从支撑层10上拆卸，只选择在所打印的零件第一层的轮廓线上的四个等分点与支撑层10接触的部位、以及第一层的轮廓中心点与支撑层10接触的部位施加电流以增强这些部位的连接，而在第一层的其它区域不需要在金属甲与支撑层10之间施加电流以免导致所打印的零件与支撑层10之间的结合力过强而难以拆卸。
本具体实施例中，所述的部分打印区域，也可以分为高成型强度的区域和低成型强度的区域。例如：把目标零件的所有层设定为高成型强度的区域，高成型强度的区域以熔融的方式连接成型；把支架体这类辅助性结构的所有层设定为低成型强度的区域，低成型强度的区域的成型过程不需施加电流。辅助性的支架/支架体(如附图8所示的支架一30)，在打印完成后将支架拆除。
本具体实施例中，所述的金属甲，其熔化程度可调，通过调节金属甲的温度高低来实现，并受计算机的控制；计算机通过传感器获取加热腔体14和加热腔体14所处的保护气氛环境的温度来估算出熔化的金属原料23的温度，也可以在加热腔体14内部腔体放置超高温热电偶来探测金属原料23的温度；通过调节熔化的金属原料23的温度和控制金属甲的喷出速度来控制金属甲温度的高低，这些参数是经验值，通过多次测试获得这些经验值；这些经验值被存储为数据表，计算机在打印过程中根据用户设定的打印模式调用对应的经验值作为控制参数。金属甲的流动速度及单位流量可调，通过调节金属甲受到的挤出压力大小来实现，并受计算机的控制；在加热腔的喷嘴18的内径为固定值的情况下，熔化的金属原料23的温度和挤出压力决定金属甲的流动速度及单位时间内的流量，这也是通过多次测试获得经验值，并形成经验值数据表，计算机在打印过程中根据用户设定的打印模式调用对应的经验值作为控制参数。
本具体实施例中，在金属甲与金属乙接触之前，金属乙的即将与金属甲接触的区域被预热，使用电磁感应加热的方式预热：在加热腔体14的外围设置一个电磁感应线圈16，电磁感应线圈16的最下端与加热腔的喷嘴18的最下端齐平，并且在加热腔体14被移动的过程中确保电磁感应线圈16的最下端不碰到已打印成型的金属(即金属乙)；电磁感应线圈16在加热金属原料的同时，电磁感应线圈16的下端的磁力线会使其正下方的金属乙感生涡流而发热，但由于电磁感应线圈16的下端的磁力线弱于电磁感应线圈16的螺旋中心中段、且金属乙的体积较大(相对于金属甲)以及金属乙的热量被导走(例如保护气氛和支撑层10、打印支撑平台3都会将金属乙的热量导走)、电磁感应线圈16始终跟随加热腔体14移动导致金属乙被加热时间短，因此，电磁感应线圈16对金属乙仅起到预热作用而无法达到能熔化金属乙的温度。当金属甲与金属乙之间被施加电流的时候，电磁感应线圈16的电源被切断，以避免金属甲被安倍力推动或扰动，但金属甲与金属乙之间的电流的方向与电磁感应线圈16内部的磁力线平行，产生的安倍力在正常情况下可以忽略。
本具体实施例中，所述的在金属甲与金属乙之间施加电流，是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后才施加电流的，即发热电流发生电路8在金属甲与金属乙相互接触之后才输出电压；如果在金属甲与金属乙相互接触之前，发热电流发生电路8处于输出电压的状态，在金属甲与金属乙相互接触的瞬间会产生电火花。
具体应用方案：
如附图3至附图5所示。附图中的箭头D1和D2代表加热腔体14的移动方向。加热腔体14内的熔化的金属原料23通过高频电磁感应加热使温度高于金属原料的熔点而获得。加热腔体14的下端是加热腔的喷嘴18，加热腔的喷嘴18带有50微米内径的通孔。如附图3所示，正在打印第一层，在挤出压力的作用下，从加热腔体流出的熔化的金属24(属于金属甲)与支撑层10接触，所接触的位置与正在打印的像素点的位置对应。如附图4和附图5所示，正在打印第二层。通过控制加热腔体14的位置来实现对从加热腔体流出的熔化的金属24(即金属甲)的位置控制。发热电流发生电路8的输出电极分别与熔化的金属原料23、支撑层10连接。
由于金属的电阻随着温度升高而升高，金属乙与金属甲发生接触的部位被电流加热后电阻值变大，而电流倾向于往电阻值低的部位流动；金属甲的表面是曲面/非平面，金属甲是流动的，金属甲与金属乙的接触是一个动态的过程，导致了在形成单个像素点的过程中金属甲与金属乙接触的过程是由非常小的局部扩展为像素点的金属甲与金属乙接触的整个曲面，也就是说先发生接触的局部被电流加热温度升高、电阻值升高，后发生接触的局部的温度相对较低、电阻值较低，电流往后发生接触的部位流动、引起后发生接触部位的温度升高，最终导致整个像素点金属甲与金属乙的交界面全部被电流加热，该电流加热过程是在极短时间内完成的(例如短于五万分之一秒的时间)；如果在足够短的时间内(例如十万分之秒)，所施加的电流强度足够大(例如200安培)，像素点金属甲与金属乙交界面的升温速度远超过其热量扩散速度，导致该交界面的金属乙一侧的紧贴该交界面的位置产生微型熔池。
如图6所示，在三维打印形成零件二31的第N层金属乙之后(N代表任意非零整数)，六轴机械臂二27移动刀具28对第N层金属乙的边缘进行加工，以进一步提高零件二31的外形精度。刀具的切削点的移动路径就是第N层整层金属乙的边界线(刀具的旋转中心的行走路径与金属乙的边界线的偏移距离为刀具在加工时所使用的刀刃部位的半径)，将边界线外的金属乙切削去除(由于金属甲是可流动和可变形的，金属甲在三维打印成型过程中位于边界线上的像素点在固化前有可能往边界线外扩展少量体积，导致金属乙的边界线可能不完全与所对应的CAD数据模型的边界线保持一致)。刀具28在加工过程中被电动机驱动而高速旋转，通过旋转获得切削力。支撑层10被夹具32固定到打印支撑平台3上。
附图7和附图8所示的零件一29是一个不规则的异形零件(截面图)，零件一29是目标零件，打印该零件需要支架的辅助，如附图8所示的支架一30作为辅助性支架。支架一30是计算机自动生成的，可以设定：当目标零件(即所要打印的去除辅助性支架之后的零件)某处曲面的切线与水平面(在本具体实施例中，支撑层10上表面为水平面)之间的夹角小于预设的角度时，该处的曲面下方垂直方向产生辅助性支架，这种通过辅助性支架来辅助打印的方式在现有的FDM(熔融沉积制造)技术中很常用。
附图9是打印第一层的流程：
步骤S101，准备性工作就绪，准备开始打印金属物体(包括零件一29和支架一30)的第一层；以支撑层10作为打印第一层的基础；计算机调整加热腔的喷嘴18与支撑层10之间的距离以满足打印第一层的需要；该距离值是经验值，经过多次测试获得，该经验值在后面有阐述。
步骤S102，金属甲在计算机的控制下，加热腔的喷嘴18在需要打印的区域内移动并输送出熔化的可流动的金属(即金属甲，如附图3所示)，金属甲与支撑层10上表面的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点对应的位置进行接触。上述需要打印的区域包括零件一29的第一层和支架一30的第一层；计算机产生的第一层待打印像素队列包括零件一29的第一层和支架一30的第一层的所有像素点，并且对所有像素点排序，以打印整层金属所需的时间最少为排序原则(在此原则下，加热腔的喷嘴18移动路径的总长度为最短)。
步骤S103，计算机判断金属甲与支撑层10是否已经接触，如果已经接触，就进入步骤S106；如果未接触，就进入步骤S104。在此步骤，如果金属甲不连续(例如金属甲在生成过程中被气泡阻断，或者金属甲局部被气化)，会被监测到。
步骤S104，金属甲与支撑层10之间不被施加电流，即发热电流发生电路8不输出电压。
步骤S105，加热腔的喷嘴18暂停移动，等待金属甲与支撑层10接触，进入步骤S103。
步骤S106，计算机判断当前所在位置的打印成型(即正在打印的像素点)是否需要通过电阻发热来提高连接强度，如果需要提高连接强度，就进入步骤S107；如果不需要提高连接强度，就进入步骤S108。在本具体实施例中，支架一30的第一层的所有像素点不需要通过电阻发热来提高连接强度；零件一29的第一层的轮廓线上的四个等分点与支撑层10接触的部位、以及第一层的轮廓中心点与支撑层10接触的部位施加电流以增强这些部位的连接，而在第一层的其它区域不需要在金属甲与支撑层10之间施加电流以免导致所打印的零件与支撑层之间的结合力过强而难以拆卸。
步骤S107，计算机控制发热电流发生电路8输出电压，在金属甲与支撑层10之间产生强电流，在五万分之一秒的时间内使当前位置的金属甲(即正在打印的像素点)与支撑层10交界面的位于支撑层10一侧产生微型熔池(此时的金属甲仍处于熔化状态)，之后计算机控制发热电流发生电路8停止输出电压。所施加的电流强度是经验值，经过多次测试获得。金属甲的体积极小，热容量极小，熔融状态的维持时间极短，因为支撑层10和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走。
步骤S108，计算机判断第一层是否已经打印结束，如果还没结束，就进入步骤S109；如果第一层打印结束，就进入S110。
步骤S109，加热腔的喷嘴18移动至下一个像素点对应的位置(加热腔的喷嘴18的移动是以支撑层10为参照物)，然后返回步骤S103。
步骤S110，第一层打印结束。计算机控制刀具对整层的金属乙的边界线(边缘)进行加工，以进一步提高外形精度。
附图10是打印第二层以及之后的其它层的流程(其中n代表2以及大于2的数)：
步骤S201，准备开始打印金属物体(包括零件一29和支架一30)的第n层；计算机调整加热腔的喷嘴18与之前已打印完成的第n-1层之间的距离以满足打印第n层的需要；该距离值是经验值，经过多次测试获得，该经验值在后面有阐述。
步骤S202，金属甲在计算机的控制下，加热腔的喷嘴18在需要打印的区域内移动并输送出熔化的可流动的金属(即金属甲，如附图5所示的从加热腔体流出的熔化的金属24)，金属甲与第n-1层上的与计算机产生的第n层待打印像素队列当中的第一个像素点对应的位置进行接触。上述需要打印的区域包括零件一29的第n层和支架一30的第n层；计算机产生的第n层待打印像素队列包括零件一29的第n层和支架一30的第n层的所有像素点，并且对所有像素点排序，以打印整层金属所需的时间最少为排序原则(在此原则下，加热腔的喷嘴18移动路径的总长度为最短)。
步骤S203，计算机判断金属甲与第n-1层是否已经接触，如果已经接触，就进入步骤S206；如果未接触，就进入步骤S204。在此步骤，如果金属甲不连续(例如金属甲在生成过程中被气泡阻断，或者金属甲局部被气化)，会被监测到。
步骤S204，金属甲与金属乙(如附图5所示的已打印成型的金属二25、已打印成型的金属一26)之间不被施加电流，即发热电流发生电路8不输出电压。在此步骤，包括已打印成型的第n-1层金属在内的金属乙实际上是通过支撑层10接入发热电流发生电路8的，也可以理解为在金属甲与支撑层10之间不施加电流，或者金属甲与已打印成型的第n-1层金属之间不被施加电流。
步骤S205，加热腔的喷嘴18暂停移动，等待金属甲与第n-1层金属(属于金属乙)接触，进入步骤S203。
步骤S206，计算机判断当前所在位置的打印成型(即正在打印的像素点)是否需要通过电阻发热来提高连接强度，如果需要提高连接强度，就进入步骤S207；如果不需要提高连接强度，就进入步骤S208。支架一30的第n层的所有像素点不需要通过电阻发热来提高连接强度；零件一29的第n层的所有像素点都需要通过电阻发热来提高连接强度。
步骤S207，计算机控制发热电流发生电路8输出电压，在金属甲与金属乙之间产生强电流，在五万分之一秒的时间内使当前位置的金属甲(即正在打印的像素点)与金属乙交界面的位于金属乙一侧产生微型熔池(此时的金属甲仍处于熔融状态)，之后计算机控制发热电流发生电路8停止输出电压。所施加的电流强度是经验值，经过多次测试获得。在此步骤，包括已打印成型的第n-1层金属在内的金属乙实际上是通过支撑层10接入发热电流发生电路8的，也可以理解为在金属甲与支撑层10之间施加电流，或者金属甲与已打印成型的第n-1层金属之间被施加电流。金属甲的体积极小，热容量极小，熔融状态的维持时间极短，因为已打印成型的金属(即金属乙)和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走，金属甲携带的热量无法将金属甲与金属乙接触面的金属乙一侧熔化；如果不通过电阻发热的方式将金属甲与金属乙交界面的位于金属乙的一侧熔化，金属甲与金属乙的连接强度就不高。
步骤S208，计算机判断第n层是否已经打印结束，如果还没结束，就进入步骤S209；如果第n层打印结束，就进入S210。
步骤S209，加热腔的喷嘴18移动至下一个像素点对应的位置，然后返回步骤S203。
步骤S210，第n层打印结束。计算机控制刀具对最新成型的第n层整层的金属乙的边界线(边缘)进行加工，以进一步提高外形精度。
由于在金属原料熔化过程中，金属原料内可能混有气体，并且本具体实施例在非真空环境下实施，导致熔化的金属原料23内可能存在气泡。在挤出压力的作用下，气泡可能会跟随熔化的金属原料23从加热腔的喷嘴18流出，导致从加热腔体流出的熔化的金属24(即金属甲)可能是不连贯的。所以，需要一个实时监测金属甲是否与金属乙接触的电路，即导通探测电路9(属于控制单元的一部分)。通过实时监测金属甲是否与金属乙接触来判断当前正在打印的像素点是否有效，即：是否有金属甲填充该像素点所在的位置点。并且，在监测到金属甲与金属乙已经接触之后，才对金属甲和金属乙施加电流，可以避免两者之间产生电火花，进而避免电火花产生的微型爆炸将金属甲推走甚至炸飞。在本具体实施例中，导通探测电路9的响应速度极高，采样频率为100MHz，在五千万分之一秒的时间内做出响应。
如附图1和附图2所示的本发明的一种整合机加工技术的金属三维打印设备的一个较佳具体实施例，该较佳具体实施例是一种应用上述的一种整合机加工技术的金属三维打印方法较佳具体实施例的设备。该较佳具体实施例，包括用于产生熔化的金属的加热单元(对应附图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)、用于控制熔化的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的位置驱动机构(对应附图1中的六轴机械臂一2、打印支撑平台3)、用于在熔化的金属与已打印成型的金属之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路8、用于驱动刀具的机加工单元、以计算机为核心的控制单元(未在附图中完整示出)、金属原料输送单元(对应附图2中的金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、金属原料输送管路5)、保护气体输送单元(包括保护气体源6、电磁阀和压力传感模块一13、电磁阀和压力传感模块二22及对应的管路)、冷却单元(包括冷却模块一19和冷却模块二21)、成型腔4；其中：所述的加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路8、机加工单元、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元分别与控制单元连接，并受到控制单元的控制；控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件、参数及控制指令；加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路8、机加工单元、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元分别设置于或部分设置于壳体7内部空间；壳体7内部的空间作为成型腔4，并被保护气体填充，在成型腔4形成保护气氛。
所述的已打印成型的金属即金属乙；从加热单元流出的熔化的金属即金属甲(对应附图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24)。
本具体实施例中，所述的加热单元(对应附图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)主要由加热腔体14、电磁感应线圈16、盖帽15组成，其中：加热腔体14内有空腔，加热腔体14的下端是加热腔的喷嘴18并且有出口，加热腔体14的上端与盖帽15连接，盖帽15和电磁感应线圈16都与六轴机械臂一2连接；盖帽15内部设置有冷却通路作为冷却结构，冷却通路与外界的冷却模块二21连接，将盖帽15与六轴机械臂一2连接处的温度控制在50℃左右；盖帽15上有一个与金属原料输送单元的金属原料输送管路5相互连接的通孔，金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体14内；电磁感应线圈16采用金属管制成，金属管内部的通路与外界的冷却模块一19连接，电磁感应线圈16与电磁感应加热驱动模块20连接(电磁感应加热驱动模块20属于控制单元的一部分)；通过电磁感应线圈16耦合作用而在加热腔体14和加热腔体14内的金属原料产生感应电流并发热，在加热腔体14内产生熔化的金属原料23；熔化的金属原料23从加热腔的喷嘴18流出产生金属甲(对应附图5的从加热腔体流出的熔化的金属24)；加热腔体14的下段被保温层17包裹，保温层17介于加热腔体14、电磁感应线圈16之间，但保温层17不接触电磁感应线圈16。加热单元的数量为一个。
本具体实施例中，机加工单元主要由用于固定刀具的夹持装置、用于驱动刀具旋转的刀具动力装置、用于驱动刀具移动的刀具位置驱动装置(如图1、图2和图6中的六轴机械臂二27所示)组成，其中：夹持装置与刀具动力装置连接，刀具动力装置通过夹持装置将动力传输给刀具，刀具动力装置与刀具位置驱动装置连接，刀具位置驱动装置控制刀具动力装置的位置、进而控制刀具28的位置；刀具动力装置采用电动机，电动机采用水冷方式降温(电动机通过管路与外设的水泵和水缸连接)。刀具28为机加工单元在对已打印成型的金属(金属乙)进行切、削、铣、磨、钻等类型加工时所使用的各种工具(例如：铣刀、磨头、钻头、雕刻刀)，属于耗材。
本具体实施例中，所述的冷却单元(包括冷却模块一19和冷却模块二21)，采用水冷方式，对受到高温影响但不能承受高温和不需要被加热的位置进行冷却，例如对电磁感应线圈16和加热腔体14上端的盖帽15进行冷却。
本具体实施例中，所述的位置驱动机构为多轴运动机构，采用XYZ三轴运动机构；X轴和Y轴驱动加热单元(对应附图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)的移动，Z轴驱动打印支撑平台3的升降(在垂直方向的移动)。
本具体实施例中，所述的控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成，其中：计算机为通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，通用计算机作为上位机，嵌入式计算机(例如以ARM11为内核的MCU)作为下位机；驱动电路驱动包括加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路8、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元在内的执行机构，为执行机构提供驱动电流和/或驱动信号；计算机通过传感电路获取三维打印所需的各种状态信息，例如位置、压强、温度、电流强度、气体成分、转速、磁场强度、电容、电阻、湿度、红外线、图像等信息。附图2中的电磁感应加热驱动模块20和导通探测电路9都属于控制单元的一部分。
本具体实施例中，所述的发热电流发生电路8通过熔化的金属原料23与金属甲连接、通过支撑层10与金属乙连接；发热电流发生电路8的工作状态受到控制单元的控制。
本具体实施例中，金属原料采用金属丝/金属线的形态；所述的金属原料输送单元主要由金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、金属原料输送管路5组成，其中：金属原料输送管路5将金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、加热单元的盖帽15连接在一起；金属原料仓11存储金属丝，金属丝被缠绕在金属原料仓11内的一个可旋转的线盘上；金属原料输送驱动机构12采用送丝轮结构；金属丝在金属原料输送驱动机构12的拉动/推动下在金属原料输送管路5中穿行并到达加热单元的加热腔体14内部。
本具体实施例中，所述的保护气体输送单元所输送的保护气体为氩气，用于保护被加热的金属，例如保护熔化的金属原料23、从加热腔体流出的熔化的金属24、被加热的已成型的金属，避免与空气中的成分发生反应；保护气体来源于高压气瓶(对应附图中的保护气体源6)；保护气体输送单元主要由保护气体源6、输送管路、电磁阀和压力传感模块一13、电磁阀和压力传感模块二22组成；控制单元根据设定的压强、气体浓度等参数，比对从压力传感器、气体传感器(例如氧气浓度传感器)等传感器获得的实际数据，控制电磁阀的通断及通断频率以实现对成型腔4内的压强、保护气体浓度的调节，以及对加热腔体14内压强的调节；本具体实施例中采用的电磁阀是高速电磁阀。
本具体实施例中，通过对加热腔体14内氩气的压强的调节来实现对施加于熔化的金属原料23的挤出压力的调节。使用气体推动熔化的金属原料23流出以生成金属甲(对应附图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24)，很容易实现高温隔离，具有可实施性。
本具体实施例中，加热腔体14采用耐高温材料制造，例如特种钨合金；与加热腔体14上端连接的盖帽15采用镍基高温合金制造；保温层17采用锆陶瓷制造；金属原料为镍钛合金。在加热腔体14内的金属原料被加热至2000℃左右，在1个大气压以上的挤出压力推动下产生金属甲(对应附图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24)。
本具体实施例中，如附图3所示，在打印第一层时，加热腔的喷嘴18下端与支撑层10的距离为加热腔的喷嘴18内径的1.5至2倍(即75-100μm)；如附图4和附图5所示，在打印其它层时，加热腔的喷嘴18下端与已打印成型的前一层的距离为加热腔的喷嘴18内径的1.5至2倍；在2个标准大气压的挤出压力作用下，以及镍钛合金液体的温度为2000℃左右或者316不锈钢液体的温度为1800℃左右时，在加热腔的喷嘴18的移动速度为1米/秒的情况下，能确保液态金属与支撑层10或已打印成型的前一层金属层正常接触，并且已成型的像素带(单条)的宽度基本保持在加热腔的喷嘴18内径尺寸。
在上述的打印成型过程中，在打印第二层及之后的其它金属层时，金属甲的体积极小，热容量极小，熔融状态的维持时间极短，因为已打印成型的金属(即金属乙)和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走，金属甲携带的热量无法将金属甲与金属乙接触面的金属乙一侧熔化；如果不通过电阻发热的方式将金属甲与金属乙交界面的位于金属乙的一侧熔化，金属甲与金属乙的连接强度就不高，在外力(如折弯力)作用下容易使层与层之间、像素点与像素点之间发生分离；同样道理，在打印第一层金属时，也面临相同的问题。
以上所述，仅作为本发明的较佳具体实施例，不能以此限定本发明的实施范围，即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰，皆仍属于本发明涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种整合机加工技术的金属三维打印方法，其主要过程为：将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区，熔化或软化且可流动的金属不具备流动性之后转变为已打印成型的金属，熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型，由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体；其中：在累积熔化或软化且可流动的金属的过程中，熔化或软化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间；所述的熔化或软化且可流动的金属即金属甲，所述的已打印成型的金属即金属乙；
其特征在于：
在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位熔化；
或者，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
或者，在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间施加电流，采用电阻发热的方式，使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化；在部分打印区域，在累积金属甲的过程中，在金属甲与金属乙之间不施加电流；
使用刀具对部分打印区域内的金属乙进行加工，或者对所有的金属乙进行加工；
所述的部分打印区域，是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分。
2.根据权利要求1所述的整合机加工技术的金属三维打印方法，其特征在于：
金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制；在金属甲与金属乙之间所施加的电流受到计算机的控制；
所要打印的物体采用层叠加的方式产生，即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生，层的数量至少为一层；每一层由像素点组成；
所述的金属甲是可流动的，并且金属甲是否流动受到计算机的控制；在打印过程中，金属甲以金属流的形式存在；金属流的前部在与金属乙接触并连接之后，金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙，形成像素点；金属流的数量至少为一路。
3.根据权利要求2所述的整合机加工技术的金属三维打印方法，其特征在于：
在打印过程中，金属乙被支撑层(10)支撑，即以支撑层(10)作为打印第一层的基础；
从第一层至最后一层的三维成型步骤如下：
步骤S1，开始打印第一层，在计算机的控制下，金属甲与支撑层(10)上的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；支撑层(10)的上表面与第一层的底面共面；
步骤S2，计算机根据用户设定和/或计算产生的参数，在金属甲与支撑层(10)之间施加电流或者不施加电流；如果施加电流，电流的强度可被计算机控制；
步骤S3，计算机判断第一层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与支撑层(10)相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与支撑层(10)相互接触，然后重复步骤S2至步骤S3；如果已完成第一层的打印，并且需要打印下一层，就进入步骤S4；如果不需要打印下一层，打印结束；
步骤S4，开始打印新的一层，在计算机的控制下，金属甲与之前已打印成型的那一层上的与计算机产生的当前层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触；之前已打印成型的那一层的上表面与正在打印的当前层的底面共面；
步骤S5，计算机根据用户设定和/或计算产生的参数，在金属甲与金属乙之间施加电流或者不施加电流；如果施加电流，电流的强度可被计算机控制；
步骤S6，计算机判断当前层的打印是否完成，如果没完成，金属甲与金属乙相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置，金属甲与金属乙接触，然后重复步骤S5至步骤S6；如果已完成，且需要打印下一层，就进入步骤S7；如果不需要打印下一层，打印结束；
步骤S7，重复步骤S4至步骤S6，直至打印结束；
在上述的步骤S3，计算机控制刀具对部分金属乙进行加工，或者在步骤S3之后、步骤S4之前计算机控制刀具对部分或整层的金属乙进行加工；
在上述的步骤S6，计算机控制刀具对正在成型的层的部分金属乙进行加工，或者在步骤S6之后、步骤S7之前计算机控制刀具对最新成型的层的部分或整层的金属乙进行加工。
4.根据权利要求1所述的整合机加工技术的金属三维打印方法，其特征在于：所述的在金属甲与金属乙之间施加电流，是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后施加电流，在监测到金属甲与金属乙不发生接触时断开电流。
5.根据权利要求1所述的整合机加工技术的金属三维打印方法，其特征在于：所述的金属甲采用导电性非纯金属材料。
6.一种整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：其包括用于产生熔化或软化且可流动的金属的加热单元、用于控制熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的位置驱动机构、用于在熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路(8)、金属原料输送单元、用于驱动刀具的机加工单元、以计算机为核心的控制单元；其中：所述的加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路(8)、机加工单元、金属原料输送单元分别与控制单元连接，并受到控制单元的控制；控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件、参数及控制指令；所述的金属原料输送单元将三维打印所需的金属原料输送到所述的加热单元内；
所述的已打印成型的金属即金属乙；从加热单元产生的熔化或软化且可流动的金属即金属甲。
7.根据权利要求6所述的整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：
所述的加热单元设置有出口，金属原料在加热单元中被加热后从加热单元的出口输出形成金属甲；加热单元的数量至少为一个；
所述的位置驱动机构为多轴运动机构；
所述的发热电流发生电路(8)与金属甲、金属乙连接；金属甲、金属乙与发热电流发生电路(8)的连接状态受到控制单元的控制，和/或发热电流发生电路(8)的工作状态受到控制单元的控制；
所述的控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成，其中：计算机为通用计算机，或嵌入式计算机，或工控机，或通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，或工控机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，或通用计算机、工控机、嵌入式计算机构成的复合计算机系统；驱动电路驱动包括加热单元、位置驱动机构、发热电流发生电路(8)、金属原料输送单元在内的执行机构，为执行机构提供驱动电流和/或驱动信号；计算机通过传感电路获取三维打印所需的状态信息。
8.根据权利要求7所述的整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：所述的加热单元主要由加热腔体(14)、电磁感应线圈(16)、盖帽(15)组成，其中：加热腔体(14)内设置有空腔，加热腔体(14)的下方有出口，加热腔体(14)的上端与盖帽(15)连接；盖帽(15)设置有冷却结构，冷却结构用于对盖帽(15)进行冷却或散热；盖帽(15)设置有与金属原料输送单元连接的通孔，金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体(14)内；在加热腔体(14)外围设置电磁感应线圈(16)，电磁感应线圈(16)与控制单元连接，通过电磁感应线圈(16)耦合作用而在加热腔体(14)和/或加热腔体(14)内的金属原料产生感应电流并发热。
9.根据权利要求6所述的整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：
还包括保护气体输送单元，其所输送的保护气体主要用于保护被加热的金属和/或推动金属甲的流动；保护气体输送单元受到控制单元的控制；保护气体来源于其它系统，或者由保护气体输送单元制造产生。
还包括冷却单元，用于对受到高温影响但不能承受高温或不需要被加热的位置进行冷却；冷却单元受到控制单元的控制。
10.根据权利要求6所述的整合机加工技术的金属三维打印设备，其特征在于：所述的机加工单元，主要由用于固定刀具的夹持装置、用于驱动刀具旋转的刀具动力装置、用于驱动刀具移动的刀具位置驱动装置组成，其中：夹持装置与刀具动力装置连接，刀具动力装置通过夹持装置将动力传输给刀具，刀具动力装置与刀具位置驱动装置连接。
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