CN108349002A - 利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置 - Google Patents

利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置。本发明实施例的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法的特征在于，包括：步骤(a)，通过接地线将三维打印部造型物与第一电极相连接，使在合金金属粉末包芯线的周边表面敲击(tapping)有电极接触尖端(tip)的第二电极与上述造型物的打印部的表面的一部分相接触后，借助上述第一电极和第二电极的电位差产生电弧，使得合金金属粉末包芯线的前端和打印部的表面一同熔融；步骤(b)，通过将上述合金金属粉末包芯线的熔融物和打印部的表面的熔融物混合并凝固来形成单层；以及步骤(c)，通过连续进行单层覆盖(overlay)，来层叠上述单层。

Description

利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合 金金属粉末的打印方法及其装置
技术领域
本发明涉及定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置，更详细地涉及利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置。
背景技术
在定向能量沉积三维打印中，通过计算机建模创建数字设计数据并将其区分为二维平面，然后利用三维打印装置将未分化的材料打印在表面上。这是将已打印的材料以叠层(layer-by-layer)方式继续层叠制备三维产品的技术。作为与切割材料或削除生产的切削加工(Subtractive Manufacturing)对比的概念，作为官方术语称为增材制造(AM：Additive Manufacturing)或快速雏型(RP：Rapid Prototyping)，从高分子原材料开始最近与金属原材料相关的三维打印飞跃地发展。美国材料试验学会(ASTM，American Societyfor Testing and Materials)及国际标准化组织(ISO，International Organization forStandardization)将三维打印技术分类为如下7种。
第一、作为光聚合方式(PP：Photo Polymerization)，通过照射光，来产生塑料原材料的聚合反应，从而进行固体化而制造物体。
第二、作为材料喷射(MJ：Material Jetting)，利用紫外线等使溶液形态的原材料喷射且进行固化，来制造物体。
第三、作为粘结剂喷射(BJ：Binder Jetting)，通过向粉末形态的母材上排出液体形态的粘结剂，来与粉末形态的母材相结合，从而制造物质。
第四、作为材料挤出方式(ME：Material Extrusion)，通过喷嘴用压力连续推出利用高温进行加热的材料来移动位置，并制造物体。
第五、作为薄片层叠(SL：Sheet Lamination)，通过以利用热量或粘结剂等粘贴薄膜形态的材料的方式层叠，来制造物体。
第六、作为粉末床熔融方式(PBF：Powder Bed Fusion)，通过向粉末母材上注射高能量束(激光束或者电子束)，来使粉末熔融及凝固，从而一层一层地层叠，并制造物体。
第七、作为定向能量沉积方式(DED：Directed Energy Deposition)，属于高能量束(激光束或电子束)。就定向能量沉积而言，通过向木材上喷射合金金属粉末，来同时熔融母材及粉末，从而以一层一层地附着并进行层叠而制造物体。
在上述7种三维打印技术中，将金属原材料利用于三维打印的技术为将激光束用作热源的粉末床熔融及定向能量沉积技术。
作为粉末床熔融技术，在床上平整地放金属粉末，并根据预先程序化的路径，选择性地移动照射小于1kW的输出较低的激光束。通过局部性地熔融及凝固金属粉末，来制造二维的金属层，再次降低床之后，在二维的金属层的凝固物上再次涂敷金属粉末，来反复熔融及凝固的工序，从而制造三维形状。
相反地，就定向能量沉积技术而言，通过注射1kW以上的高输出激光束及同时喷射激光束周边的金属粉末，来使金属粉末熔融及凝固，从而制造二维的金属初层。之后，还利用连续注射的激光束熔融初层，同时通过一同熔融实时喷射的金属粉末，来在初层的上面连续覆盖(overlay)单层。通过反复进行上述工序来层叠并制造三维形状，因此可实时控制全部工艺变量。尤其，定向能量沉积技术在技术在与激光束多层金属粉末焊接(Laser BeamMulti-pass Metal Powder Welding)或者激光金属粉末层叠(Laser Metal PowderDeposition)相同。
图1为在7种三维打印技术中，适用于金属材料的三维打印的粉末床熔融的三维打印(a部分)、定向能量沉积激光束三维打印(b部分)及作为与定向能量沉积激光束三维打印相同的技术的高能量激光束金属粉末焊接(c部分)的示意图。
为了金属结构物的三维打印，在生产企业中利用的多的技术为定向能量沉积激光束三维打印。这是从三维计算机辅助设计(CAD，Computer-Aided Design)数据或者三维程序模型可迅速地直接制造金属产品的激光金属成型技术。利用1kW以上的高输出激光束，在造形过程中，通过连续地供给金属粉末，来熔融及凝固而接合它们。三维形状由二维的截面构成，因而通过以规定的厚度切割(slicing)三维计算机辅助设计模型或三维程序模型，并一层一层地层叠二维的截面，来制造三维形状。在学术上将上述称为增材制造(MIM：Materials Increscent Manufacturing)，是全部三维打印技术的基本概念。相当于二维截面的金属单层借助高输出激光束的热量金属粉末被熔融及凝固。若向金属表面局部照射高输出激光束，则瞬间地在金属表面形成熔池(molten pool)。若形成熔池的同时向熔池内供给金属粉末，则金属粉末在熔池中经过完全熔融和极速凝固过程。此时，激光束根据从三维计算机辅助设计模型或三维程序模型计算出的路径自由移动，并制造相当于二维截面的金属单层，在三维打印中，使相当于二维截面的金属单层的高度变得精密是重要的。可实时控制影响对金属单层的高度的工艺变量，各个单层可制造成与三维(3D)计算机辅助设计模型相同的金属产品。
图1的(a)部分为普通的粉末床熔融三维打印的流程。图1的(b)部分为定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印的流程，图1的(c)部分为高能量激光束合金金属粉末的焊接。定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印在技术上与激光束粉末焊接基本相同。激光束粉末焊接为通过从聚焦为小点的激光白色光中转换的高密度的能量，来伴随熔融现象的焊接。激光束粉末焊接的优点在于，激光以聚焦的方式入射，因而可相互接合精密的部件，并可高速进行及进行机器人自动化，从而利用定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印技术嫁接上述激光束粉末焊接。
表1
表1为表示基于焊接方法的热密度及最高温度的表。
如表1，激光束粉末焊接的激光束的热密度及最高温度为大致30000℃以上高，并激光束以聚焦的方式入射。参照表1，在通过熔解金属粉末来层叠的现有定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印技术中，集中于层叠部的单位面积，来所泼洒的热量多且温度也高，从而可对层叠部的金属组织产生的影响多。并且，由于三维打印焊接部的形状不平，因此可知作为三维打印的热源激光束不适合。
图2为表示气焊(d部分)、弧焊(e部分)及激光束粉末焊接(f部分)的焊接部形状的剖视图。参照图2，定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印相当于高高能量束焊接，因此可进行高速打印，但是由高能密度穿透深度变深，因此，当打印时，被层叠的各个单层可根据激光输出及焊接速度成为关钥匙孔(key-hole)的可能性大。
定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印为连续层叠厚度范围在100μm～1000μm范围的单层焊接部的工序。因此，作为打印工序，与普通焊接的覆盖(overlay)或熔覆(cladding)技术相同，来母材的渗透深度浅且渗透面积越宽就越好，但是由于是热源强的聚焦化激光，因此有可能焊接部表面不平。并且，在定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印中，当焊接时，生成焊接部及热影响部(heat-affected zone)，并且因高输出激光束能量和高热输入温度存在焊接部容易脆化的问题。
图为韩国国内企业对于日本产品模具合金钢利用定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印制造的打印部的组织照片。上述日本产品模具合金钢为包含碳(0.32～0.42重量百分比的C)、铬(4.50～5.50重量百分比的Cr)的合金钢SKD61(在韩国相当于STD61及在美国相当于H13)。参照图3，定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印部与普通电弧焊接部相同可观察到具有热影响部的多层的焊接部形状的宏观组织(macrostructure)(g)部分及显微组织(microstructure)(h)部分及(i)部分)。本打印部以快速及宽幅折射激光束，并以实时喷射微细粉末，来可知如下：即使不是关钥匙孔形状，也具有穿透深度，焊接部组织为马氏体(martensite)的固化组织。
表2
材料 最大拉伸强度(MPa) 延伸率(％)
Wrought SKD 61 1821 9
三维定向能量沉积SKD 61 1998 5
并且，表2为表示与作为原材料的wrought SKD 61和作为本材料的wrought SKD61相关的对进行定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印后的最大拉伸强度及延伸率进行测定的结果。参照表2，当在作为本材料的wrought SKD 61上打印定向能量沉积激光束三维合金金属粉末时，定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印部与原材料的wroughtSKD 61相比呈现约10％的最大拉伸强度，延伸率减少约40％。定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印通过高能量输出及高输入温度来诱导淬火，来产生强度的增加及延伸率的减少，从而可知激光束作为热源不适合。
如表2，在适用定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印的情况下，第一个缺点如下：当打印时，通过预先进行在焊接的焊接工艺(Welding Procedure)中相当于焊接工艺评定试验(Welding Procedure Qualification Test)的打印评定试验，来获得打印部的实际数据，并利用其来需要进行向能量沉积的激光束三维合金金属粉末打印设计。
定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印的第二个缺点如下：为了注射激光束的同时喷射20～100μm左右的微细金属粉末，需要系统的稳定化，以便不受外部影响。需要将全部的设备构建在一个腔室及系统内，因而只能实现大型化及固定型，并且存在昂贵的问题。因此，用于打印金属产品的床(bed)的尺寸是有限的，因此产品的大小也受到限制。
粉末床熔化技术以截面为基准可制造的造型物的最大尺寸限制在大致25cm×25cm，从而适合于制造简单的金属原型，相反地，作为现有定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印技术商业化的最大打印装置限制为2m×1m×1m。
但是，若定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印装置可实现小型化及移动化且装置的大小也多样，则可在全部场所中进行打印且其用途可以是无止境的。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明的目的涉及定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置，更详细地涉及可进行能量调节的利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置。
通过弥补及去除以下问题，来提供新的三维打印方法，并适用本技术来提供可进行三维打印的装置的概念。
第一、由于激光束聚焦热源，金属熔池不平整且具有很深的穿透。因此，需要三维打印所需的与覆盖相同的薄且平整的焊接部，即需要打印部。
第二，碳钢的三维打印焊接部因淬火导致作为低转变生成物的马氏体等金属组织发达。此时，因组织的固化引起的高强度容易脆化，并且还可产生杂质偏析及缺陷，从而在打印部的健全性上产生问题。不锈钢的三维打印部可诱导由铬-碳化物的析出及结晶粒的收缩引起的界腐蚀及晶界缺陷，在其他非铁类合金中也发生类似的现象。
第三、利用填充金属向下喷射微细金属粉末，因而总是以向下的姿势可进行打印，并且因为是微细金属粉末，所以容易受到外部影响。因此，存在如下问题：为了稳定地进行喷射，需要三维打印装置一直位于腔室(chamber)内，进行大型化及固定化从而让难以进行移动，因床大小的限制而产品的大小受到限制。
因此，提供对打印部的组织、物性及穿透深度进行多样化且不受场所的限制可实现小型化及移动型的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置。
技术方案
用于实现上述一目的的本发明实施例的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法的特征在于，包括：步骤(a)，通过接地线将三维打印部造型物与第一电极相连接，使在合金金属粉末包芯线的周边表面敲击有电极接触尖端的第二电极与上述造型物的打印部的表面的一部分相接触后，借助上述第一电极和第二电极的电位差产生电弧，使得合金金属粉末包芯线的前端和打印部的表面一同熔融；步骤(b)，通过将上述合金金属粉末包芯线的熔融物和打印部的表面的熔融物混合并凝固来形成单层；以及步骤(c)，通过连续进行单层覆盖，来层叠上述单层，上述步骤(a)～步骤(c)在非活性气体气氛下进行，向包括打印程序、电压调节器、电流调节器、送丝速度调节器及保护气体调节器的直流稳压特性电源装置输入信息后，根据上述信息，由打印程序自动控制电弧长度和送丝速度，上述信息包含电流大小及送丝速度，通过在管形态的焊丝里面填充合金金属粉末，来形成上述合金金属粉末包芯线，上述打印部表面的热输入量基于以下式：
114J/cm≤热输入量≤136J/cm
热输入量＝电弧电压×电弧电流÷三维打印枪的移动速度(cm/秒)
此时，可以为如下直流反极性：负电子(－)从打印部表面向合金金属粉末包芯线移动，气体离子(+)通过与打印部表面相碰撞来去除位于打印部表面的薄膜。
并且，上述电弧的电弧的长度可以为2～10mm。
用于实现上述一目的的本发明实施例的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置的特征在于，包括：直流稳压特性电源装置，包括打印程序、电压调节器、电流调节器、送丝速度调节器及保护气体调节器；焊丝移送装置，包括焊丝驱动马达、卷绕于焊丝卷轴(reel)的合金金属粉末包芯线及供给上述合金金属粉末包芯线的焊丝移送机旋转辊；打印枪装置，包括合金金属粉末包芯线、非活性气体管及包围位于上述焊丝的两侧的非活性气体管的三维打印枪；三维打印部造型物，位于上述打印枪装置的下部，与上述焊丝的前端的一部分相接触；以及非活性气体容器，与上述直流稳压特性电源装置相连接，向上述直流稳压特性电源装置输入信息后，根据上述信息，由打印程序自动控制三维打印枪的位置和速度，上述信息包含电流大小及送丝速度，上述造型物的打印部表面的热输入量基于以下式。
114J/cm≤热输入量≤136J/cm
热输入量＝电弧电压×电弧电流÷三维打印枪的移动速度(cm/秒)
此时，上述三维打印枪可以为固定于上述打印枪装置内部的固定的固定型的三维打印枪或工作人员利用手握住(hand-held)打印枪能够以手动进行工作的额外的手动型的三维打印枪。
并且，上述电弧放入长度可以为2～10mm。
有益效果
本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置具有如下效果。
第一、基于程序的全自动化及柔性选择打印稳定，并且可有效及高速进行工作。尤其，可实现小型化及移动型，所以不受场所的限制，并且可实现合理的价格的普及型。
第二、通过不同地设计电弧长度、三维打印枪移动速度，来可调节热输入量(＝电弧电压×电弧电流÷三维打印枪的移动速度)。在基于电弧的打印中，热输入量可确定熔池(molten pool)的形状，即，打印部的形状。并且，由于热输入量确定冷却速度，因此可调节打印部组织及机械物性。
第三、在利用三维打印枪打印之前存在木材的情况下，根据母材的化学、物理及机械性质相同地设置合金金属粉末包芯线的化学、物理、机械性质，从而焊接部可以与基材在化学、物理及机械上均匀。但是，通过不同地设计母材的化学成分、物理性质及机械物性，来还可实现异种金属之间的打印。例如，对于其，在碳钢容器或结构物覆盖2～3mm的作为防腐蚀用的不锈钢或者可覆盖适合的合金。
第四、可调节产品制造速度及提高打印部的品质。更具体地，三维打印枪可根据已程序化的路径，在打印线上以直线移动，为了获得宽度宽的打印部，能够以打印线为中心以“之”字形织造并移动。并且，打印部的中心的温度高于打印部宽度的两端，因而还可调节为在两端的打印速度缓慢。并且，为了防止在凝固时因收缩而引起的打印部的变形，能够以覆盖(overlap)打印部宽度的两端的方式进行打印。
第五、可加快打印焊接速度。并不是利用填充金属仅注射粉末，而是供给合金金属粉末包芯线，因而在使用手动型打印枪的情况下，能够以俯视、仰视、水平、垂直等全部姿势来进行打印。因为利用合金金属粉末包芯线，所以稳定地形成电弧，电弧声音平静，电流沿着上述芯形态的焊丝的截面积流动，因而电流密度高而具有熔融快的特征。
第六、可以高速连续层叠均匀的厚度的单层。
就直流电源而言，由于电弧电流向一个方向流动，因而电弧形成的稳定且通过调节电弧电压，来覆盖厚度薄的单层而层叠，因此能够以均匀的厚度层叠。由于连续向包芯线供给的热传递量多，所以可提高焊丝及打印部的熔融速度。
第七、通过使用氩(Ar)作为保护气体，来防止有害物质从外部流入，从而提高打印部的品质，并可进一步提高焊丝的熔融速度。在相同大小的电流中使用氩(Ar)气体的情况下，与未使用氩气体的情况相比，相对地可发散更多的热量，因此可提高熔融速度。并且，借助高熔融速度更多的熔融物可进行移动，由于熔融物的移动方式为喷雾形态，因而可获得高焊接率。
第八、与激光束打印装置相比，本发明的三层压印设备更容易维护维修施工方便的效果。另外，可以调节打印部的热输入量，从而可实现生产作为目标的金属学组织及机械性物性的打印部。
第九、在现场进行打印的情况下，因周边部件，在用于打印的部位中在打印装置难以靠近的位置中，通过在打印装置中使用手提式(hand-held)形态的打印枪，来以工作人员手动移动打印枪的方式进行打印。此时，不是基于程序的自动打印而手动进行打印，且利用稳压特性通过手动操作来改变电弧长度也电弧电压不变，因此可获得规定的产生的热量，从而可提高焊接部的品质，即打印部的品质。
第十、还具有可防止打印部的缺陷的效果。
用作将上述焊丝作为+极、母材(打印部)作为－极的直流反极性，+离子气体可起到通过与打印部表面相碰撞来去除位于表面的氧化膜、氮化膜等的清洁作用。并且，若电弧长度长，则电弧电压变高而打印部的穿透薄且宽度宽，并可生产平整的打印部。即，通过调整电弧长度来可确定所需的打印部形状。
第十一、由于合金金属粉末包芯线的内径大且外径越小，金属管的厚度越小，因而熔化速度越快，从而可实现高速打印及精密打印。
因此，通过调节管焊丝的内径、外径及厚度，来可改变打印速度及熔融速度。
附图说明
图1为在7种三维打印技术中，作为与适用于金属材料的三维打印的粉末床熔融三维打印(a部分)、定向能量沉积激光束三维打印(b部分)及定向能量沉积激光束三维打印技术的高能量激光束金属粉末焊接(c部分)的概念图。
图2为表示作为在技术上与气焊(d部分)、弧焊(e部分)及定向能量沉积激光束粉末三维打印相同技术的按高高能量束焊接(f部分)的焊接部的形状的剖视图。
图3为针对于日本产品模具合金钢通过定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印制造的打印部的组织照片。
图4为本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置的结构图。
图5为表示本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法的顺序图。
图6为放大本发明的合金金属粉末包芯线的剖视图。
图7为对发明的打印枪部分进行放大的剖视图。
图8为表示基于本发明的电弧电流的电弧电压的大小的曲线图。
图9表示基于本发明的低电弧电压及高电弧电压的电弧长度和电弧宽度。
图10表示基于电流类型、合金金属粉末包芯线极性的电子、离子流动方向、穿透深度及形状的例的剖视图。
图11为表示本发明的手动型把手打印枪的剖视图。
图12表示装载在本发明的拖车上的三维打印装置的本体及从本体分离的电缆及软管卷绕在卷轴上的状态的剖视图。
图13为表示本发明的头盔的剖视图。
附图标记的说明
11：激光系统 51：合金金属粉末包芯线
12：扫描仪系统 52：焊丝卷轴
13：粉末桶 53：焊丝驱动马达
14：未使用的粉末 54：焊丝移送机旋转辊
15：三维打印 60：电缆及管组件
16：基础板 61：焊丝供给马达及电弧开关
17：基础板下降活塞 62：打印电力线
18：激光束 63：保护气体供给线
19：合金金属粉末 64：打印程序移送电路
20：保护气体 70：打印枪装置
21：三维打印熔敷材料 71：三维打印部造型物
22：母材渗透深度 72：第一电极
23：熔池 73：第二电极
24：母材 74：非活性气体管
25：焊接熔敷材料 75：打印程序线
30：直流稳压特性电源 76：三维打印枪
31：电压调节器 77：头盔
32：电流调节器 78：电弧
33：送丝速度调节器 81：把手
34：保护气体调节器 82：触发器
35：直流极性调节器 91：电缆及软管架
36：打印程序 100：保存空间
40：非活性气体容器
41：燃气表
42：调节器
43：电输入
44：接地线
50：焊丝移送装置
具体实施方式
参照详细后述的附图及例，就能明确本发明的优点、特征及实现这些优点及特征的方法。但本发明并不局限于以下所公开的实施例，能够以互不相同的多种形态体现，本实施例只用于使本发明的公开更加完整，并为了向本发明所属技术领域的普通技术人员完整地告知本发明的范畴而提供，本发明仅由发明要求保护范围定义。
以下，参照附图对本发明的利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法及其装置进行详细说明。
图1为在7种三维打印技术中，与适用于金属材料的三维打印的粉末床熔融三维打印、定向能量沉积激光束三维打印及定向能量沉积激光束金属粉末三维打印作为技术上相同的技术的高能量激光束金属粉末焊接的示意图。
可知定向能量沉积激光束三维打印在技术上与高能量激光束金属粉末焊接相同。
图2为表示基于焊接方法的焊接部形状的剖视图。
更具体地，图2为表示作为在技术上与气焊(d部分)、弧焊(e部分)及定向能量沉积激光束粉末三维打印相同技术的按高高能量束焊接(f部分)的焊接部的形状的剖视图
定向能量沉积激光束三维打印在技术上与高能量激光束焊接相同，因而可知打印焊接部的每单位面积的能量密度高，焊接部的穿透深度深，焊接速度快。参照图2的(f)部分，可知定向能量沉积激光束三维打印的焊接部形状因高能量束而具有与钥匙孔相同的形状。
并且，比较图2的焊接部形状可知在(d)部分、(e)部分、(f)部分中，(d)部分的能量密度最低，穿透深度浅，焊接速度慢。
图3为对于进行定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印的日本产品模具合金钢的打印部的宏观组织(macro-structure)及显微组织(micro-structure)进行观察的照片。
参照图3的(g)部分，作为宏观组织与多层焊接相同，在各个多层的打印部及各个打印部可观察热影响部。在定向能量沉积激光束粉末三维打印部中，激光束在一个地方停留的时间短且以宽幅运行，因此可知打印穿透深度深。因此，可知如下：利用定向能量沉积激光束三维合金金属粉末打印方法以高热密度级高温不能获得与普通堆焊相同的平整的焊接部。参照(h)部分、(i)部分，可知微观组织具有马氏体(martensite)的固化组织，这是来自于利用激光束的高温及热量进行淬火的组织增强。
图4为本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置的结构图。
参照图4，本发明实施例的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置包括：直流稳压特性电源装置30；焊丝移送装置50；打印枪装置70；三维打印部造型物71；以及非活性气体容器40。
直流稳压特性电源装置30
直流稳压特性电源装置30包括打印程序36、电压调节器31、电流调节器32、送丝速度调节器33及保护气体调节器34。
向上述直流稳压特性电源装置输入信息后，可根据打印程序自动控制三维打印枪的位置和速度。上述信息可包括含电流大小、送丝速度及保护气体移动速度等。
更具体地，为了实现自动及连续地进行三维打印，在打印程序36可搭载有软件程序、定位程序(Motion-Control Positioning Program)及其他程序，以便可根据从三维计算机辅助设计模型或其他程序模型计算出的输入数据及路径驱动各种驱动器。
焊丝移送装置50
焊丝移送装置50包括：焊丝驱动马达53、合金金属粉末包芯线51，卷绕于焊丝卷轴(reel)52；以及焊丝移送机旋转辊54，用于供给上述合金金属粉末包芯线。
合金金属粉末包芯线51卷绕在焊丝卷轴52，并通过用于移送焊丝的驱动马达及旋转辊，以经程序化的速度向三维打印枪76供给。当通过焊丝移送机旋转辊供给合金金属粉末包芯线是，焊丝根据基于程序的焊丝移送机的旋转速度改变供给速度，通过焊丝的供给速度在打印速度变化中还保持规定的电弧长度，来可自动调节焊丝的供给速度。
在本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置中，可产生基于第一电极和第二电极的电位差的电弧。更具体地，通过接地线，将三维打印部造型物与第一电极相连接，由填充金属构成合金金属粉末包芯线，即构成第二电极。为了使填充金属起到第二电极的作用，制造成焊丝形态，而不是粉末，可通过向不是固体(solid)焊丝的薄管形态的焊丝内填充微细金属粉末，即填满合金金属粉末19，来可形成合金金属粉末包芯线。
合金金属粉末包芯线(alloy metal powder cored wire)包括外皮51a及合金金属粉末19。上述合金金属粉末包芯线具有不仅用作用于产生电弧的第二电极，而且还用作填充金属的双重目的。
参照图6，可根据打印的精密度合金金属粉末包芯线的内径D2、外径D1及合金金属粉末的大小也不同，此时，可根据合金金属粉末包芯线的外径调节供给焊丝的焊丝移送机旋转辊之间的间隙及三维打印枪的内径。
并且，合金金属粉末包芯线可根据所要打印的金属原材料的成分不同地设置外皮及合金金属粉末的成分。作为合金金属粉末包芯线可将碳钢(Carbon steel)、不锈钢(Stainless steel)、镍合金(nickel alloy)及铝合金(aluminum alloy)等常用的全部合金金属用作外皮和合金金属粉末。
外皮及合金金属粉末成分可相同，并且还可根据通过打印所要获得的打印部的物性不同地设置外皮和合金金属粉末的成分，来进行合金化。为了稳定地形成电弧可在上述合金金属粉末包芯线混合少量的钠(Na)及钾(K)。
根据适用性，在利用打印焊接之前存在母材的情况下，可根据母材的化学、物理及机械性质调节合金金属粉末包芯线的成分，来相同地设置化学、物理及机械性质，打印部可以与母材在物理、化学及机械上均匀。这是可相当于在需要维修的母材上利用打印进行维修的情况。
但是，通过不同地设置母材的成分和合金金属粉末包芯线的成分来还可进行异种金属之间的打印。对于其，在碳钢容器或结构物覆盖2～3mm的作为防腐蚀用的不锈钢或者可覆盖适合于此的合金。
电流沿着外皮51a流动，因为上述外皮51a薄，所以导致电流密度高，来有可能熔融速度高。因此，当传输相同电流时，合金金属粉末的芯形态，即，管形态的焊丝的熔融效率更高于固体焊丝，从而如在激光束定向能量沉积技术中使用的合金金属粉末可具有高打印率及层叠效率。即，若合金金属粉末包芯线的内径D2大且外径D1越小，外皮51a的厚度变薄，使得熔融速度变快，来可实现高速打印及精密打印。焊丝的外径可在1/32英寸～1/8英寸(inch)范围，但是考虑特殊目的可调节外径的范围。
因此，通过调节管焊丝的内径、外径的厚度，来可改变打印速度及熔融速度。
打印枪装置70及三维打印部造型物71
打印枪装置70包括：合金金属粉末包芯线51；非活性气体管74；以及三维打印枪76，用于包围位于上述焊丝的两侧的非活性气体管。
三维打印部造型物71位于上述打印枪装置70的下部，并与上述焊丝的前端的一部分相接触。
参照图4及图7，为了产生作为用于三维打印的热源的电弧，母材，即使三维打印部造型物与用作负电(—)的第一电极相连接。可通过在合金金属粉末包芯线敲击(taping)正电(+)的电极接触尖端72a来用作第二电极。将作为第一电极的三维打印部造型物的打印部表面和第二电极瞬间接触后，保持规定间隔，来借助上述两个电极的电位差产生电弧。
非活性气体容器40
非活性气体容器40与上述直流稳压特性电源装置相连接。
参照图4及图7，本发明的三维打印为了提高打印部的品质，可通过使用保护气体来与外部阻隔。保护气体可选择性地使用纯度为99.99％的氩(Ar)或氦(He)等非活性气体。
在相同大小的电流中使用氩气的情况下，与未使用氩气的情况相比，相对地可发散更多的热量，因此可提高熔融速度。并且，借助高熔融速度更多的熔融物可进行移动，由于熔融物的移动方式为喷雾形态，因而可获得高焊接率。
一体型三维打印装置可将直流稳压特性电源装置、焊丝移送装置、非活性气体容器、三维打印枪、相关电缆及供给气体管等全部构成品放置在打印枪装置70的内部。在打印枪装置中，在电弧及三维打印枪的周边可设置用于阻隔紫外线的玻璃壁，以观察电弧及三维打印枪的移动。在打开玻璃壁直接观察的情况下，需要个人用面部保护头盔，可通过在打印枪装置设置保存箱，来保存头盔。
分离型可根据使用条件仅分离一体型购成品中的三维打印枪、相关电缆及供给气体管来利用。分离型根据软件程序命令改变三维打印枪的移动速度，可自由地进行移动或者可手动打印而无需软件程序命令。分离型可通过仅移动利用长电流电缆连接的打印枪来使用于一体型打印装置难以靠近的地方，此时，分离购成品为了三维打印部的造型可设定如下固定型：固定于所要进行打印的位置，来按程序路径打印枪自由自在地移动，并可进行打印，并且，还可设定为手动型(hand-held)。
在分离型的三维打印装置的情况下，需要个人用脸部保护头盔。
本打印装置的热源为电弧，因而与激光束打印装置相比，维护维修容易，施工方便，并可调节打印部的热输入量，从而可生产所需的金属性组织及机械性物性的打印部。
并且，本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置将电弧用作热源，且适用非活性气体，因而可以不考虑烟雾(fume)处理，但是根据需要还可包括烟雾移动通道。
图5为表示本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法的顺序图。
参照图5，使用人员向直流稳压特性电源装置输入信息，以用于以二维图生产的三维计算机辅助设计(Computer Aided Design)程序及打印。通过人机介面(man-machineinterface)三维打印装置控制程序，并驱动各种驱动器，如机器人自动移行，来可根据信息进行三维打印。作为程序输入的信息可包含电流及电压大小、送丝速度及保护气体移动速度，还可包含计算机辅助设计程序、打印枪的路径行踪信息、稳压特性信息等。
根据所输入的信息，在三维打印中对相当于二维截面的金属单层高度的精密度产生影响的工艺变量进行实时控制，来可制造厚度非常紧密的金属单层，可通过按单层反复层叠，来可制造与三维计算机辅助设计模型相同的金属产品。
更具体地，本发明实施例的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法包括：步骤(a)，通过接地线将三维打印部造型物与第一电极相连接，使在合金金属粉末包芯线的周边表面敲击有电极接触尖端(tip)的第二电极与上述造型物的打印部的表面的一部分相接触后，借助上述第一电极和第二电极的电位差产生电弧，使得合金金属粉末包芯线的前端和打印部的表面一同熔融；步骤(b)，通过将上述合金金属粉末包芯线的熔融物和打印部的表面的熔融物混合并凝固来形成单层；以及步骤(c)，通过连续进行单层覆盖(overlay)，来层叠上述单层。
如上所述，上述步骤(a)～步骤(c)可在纯度为99.99％的非活性气体气氛下进行。
并且，向包括打印程序、电压调节器、电流调节器、送丝速度调节器及保护气体调节器的直流稳压特性电源装置输入信息后，可根据上述信息，由打印程序36自动控制电弧长度和送丝速度。
如上所述，上述信息除了电流大小及送丝速度之外，还可包含保护气体移动速度等。
例如，若通过直流稳压特性电源装置的电流调节器输入大致35～90A的电流大小，则打印程序根据上述电流大小进行工作。此时，打印程序36可根据直流稳压特性自动确定13～17V范围的电弧电压。并且，送丝速度可以在2～8m/分钟的范围自动确定，保护气体的流量可在5～10L/分钟的范围自动确定。此时，电线的长度可以调节到大约2至10mm。
如果要降低或增加送丝速度和保护气体的流量等，可通过手动调节送丝速度调节器、保护气体调节器等。
并且，合金金属粉末包芯线可以如上所述。
此时，可以为直流反极性，即，负电子(－)从打印部表面向合金金属粉末包芯线移动，气体离子(+)通过与打印部表面相碰撞来去除位于打印部表面的薄膜。
参照图10的(k)部分，在直流反极性中，可将焊丝作为+极，将打印部作为－极。负电子从母材或打印部向合金金属粉末包芯线电极移动并提高连续供给的合金金属粉末包芯线的熔融速度，来可高速打印。三维打印为以覆盖厚度薄的单层的方式层叠，因而通过电弧可生产全层的穿透浅且宽度宽的最优选的三维打印部。并且，直流反极性还起到+离子气体通过与打印部表面相碰撞来去除位于表面的氧化膜、氮化膜等的清洁作用，因而还具有可防止打印部的缺陷的效果。
图10的(j)部分为表示在处于直流正极性时的离子的流动、穿透深度及形状的剖视图。作为直流正极性可将焊丝作为-极且将打印部作为+极。电子的运动可以从焊丝向母材移动。直流正极的特征在于，具有高速度的电子从电极与母材碰撞，因此穿透深度深且打印部的宽度窄。
图10的(l)部分为表示在处于交流时的离子的流动、穿透深度及形状的剖视图。可以一边移动电子、离子的焊丝及母材，一边进行打印，穿透深度可浅于直流正极性。
参照图9，合金金属粉末包芯线前端和打印部表面之间的间隙表示电弧长度。在图9的(b)部分中，若电弧长度78a长，则电弧电压变高，因此打印部的穿透变薄且电弧宽度78b变宽，并且可生产平整的打印部。相反地，在图9的(a)部分中，电弧长度78a缩短，并电弧宽度78b可变窄。
由于电弧长度与基于电弧的发热量成正比，因而可通过调整送丝速度来调节电弧长度78a及电弧宽度78b的宽度，从而还控制打印部的形状。
更具体地，优选地，上述电弧的长度为2～10mm。
在电弧长度小于2mm的情况下，打印部的形状可形成钥匙孔形态，相反地，在电弧长度大于10mm的情况下，未完整地进行基于电弧的熔化过程，因产生电弧飞溅(spatter)而可降低打印部的品质。
并且，可考虑电弧长度，来调节电弧电压，并可调节三维打印枪的移动速度。通过根据三维打印枪的移动速度，调节打印部的热输入量(＝(电弧电压(V)×电弧电流(A))÷三维打印枪的移动速度(cm/秒))，来确定熔池(molten pool)的形状，即确定打印部的形状，并且根据热输入量确定冷却速度，从而可确定打印部组织及强度。
优选地，上述打印部表面的热输入量(Q)为114J/cm≤热输入量≤136J/cm。
在热输入量小于114J/cm的情况下，有可能穿透深度浅且打印部组织及强度不均匀。相反地，在热输入量大于136J/cm的情况下，打印部的形状可形成钥匙孔形态，并且可降低打印部组织的品质。
三维打印枪可根据已程序化的路径，在打印线上以直线移动或为了获得宽度宽的打印部，能够以打印线为中心以“之”字形织造(weaving)并移动。并且，打印部的中心的温度高于打印部宽度的两端，因而还可调节为在两端的打印速度缓慢。并且，为了防止在凝固时因收缩而引起的打印部的变形，能够以覆盖(overlap)宽度的两端的方式进行打印，从而可调节产品制造速度及提高打印部的品质。
参照图8，可知端电压是即使在负载电流改变也几乎不变的稳压特性曲线。本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印包括直流电源装置，因而在使用中安全，结构简单。并且，噪音少，电流向一个方向流动，因此电弧形成稳定，即使负荷变动也稳定地保持稳压，因而具有可连续层叠以高速均质的厚度的单层的优点。
图11示出替代固定型的三维打印枪，工作人员利用手握住(hand-held)打印枪能够进行工作的手动型三维打印枪76a。工作人员可通过手动移动三维打印枪来自由自在地进行打印。在这种情况下，因手工工作在打印中可改变电弧长度，但是，因稳压特性即使电弧长度变化，也电压不变，因此可以获得恒定的发热，从而可获得品质优秀的打印部。此时，为了三维打印，工作人员可佩戴个人用脸部保护头盔77进行打印。
手动型三维打印枪与本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印相同，供给合金金属粉末包芯线，因而具有如下优点：与一体型、分离型、固定型及移动型无关，能够以俯视、仰视、水平、垂直等全部姿势来进行打印。
如上所述，手动型三维打印枪可手动打印，因此可提高工作的容易性。
因此，上述三维打印枪可以为固定于上述打印枪装置内部的固定型的三维打印枪或工作人员利用手握住(hand-held)打印枪能够以手动进行工作的额外的手动型的三维打印枪。
图12表示装载在本发明的拖车上的三维打印装置的本体及从本体分离的电缆及软管卷绕在卷轴上的状态的剖视图。
参照图12，当需要移动时，可与焊丝移送装置50一同，将三维打印枪、电缆及软管等装载在保存空间100，来移动至所需的位置。
如上所述，本发明的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末打印装置因完全自动化及柔性选择而与工作人员的打印能力无关可稳定且有效及高速进行工作。电弧的形成稳定且可实现优秀的三维打印，尤其可实现小型化及移动型，从而可适用于现场及店的任何地方，可实现合理的价格的普及型。
以上，参照附图对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，能够变形为不同的多种形态，本发明所属技术领域的普通技术人员能够理解可以在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下，以其他不同的具体形态来实施。因此，要理解的是，以上所述的实施例在所有方面均为例示，并非限定。

Claims (6)

1.一种利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法，其特征在于，包括：
步骤(a)，通过接地线将三维打印部造型物与第一电极相连接，使在合金金属粉末包芯线的周边表面敲击有电极接触尖端的第二电极与上述造型物的打印部的表面的一部分相接触后，借助上述第一电极和第二电极的电位差产生电弧，使得合金金属粉末包芯线的前端和打印部的表面一同熔融；
步骤(b)，通过将上述合金金属粉末包芯线的熔融物和打印部的表面的熔融物混合并凝固来形成单层；以及
步骤(c)，通过连续进行单层覆盖，来层叠上述单层，
上述步骤(a)～(c)在非活性气体气氛下进行，
向包括打印程序、电压调节器、电流调节器、送丝速度调节器及保护气体调节器的直流稳压特性电源装置输入信息后，根据上述信息，由打印程序来自动控制电弧长度和送丝速度，
上述信息包含电流大小及送丝速度，
通过在管形态的焊丝里面填充合金金属粉末，来形成上述合金金属粉末包芯线，
上述打印部表面的热输入量遵循以下式：
114J/cm≤热输入量≤136J/cm
热输入量＝电弧电压×电弧电流÷三维打印枪的移动速度。
2.根据权利要求1所述的利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法，其特征在于，其为负电子从打印部表面向合金金属粉末包芯线移动且气体离子通过与打印部表面相碰撞来去除位于打印部表面的薄膜的直流反极性。
3.根据权利要求1所述的利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印方法，其特征在于，上述电弧的长度为2～10mm。
4.一种利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印装置，其特征在于，包括：
直流稳压特性电源装置，包括打印程序、电压调节器、电流调节器、送丝速度调节器及保护气体调节器；
焊丝移送装置，包括焊丝驱动马达、卷绕于焊丝卷轴的合金金属粉末包芯线及供给上述合金金属粉末包芯线的焊丝移送机旋转辊；
打印枪装置，包括合金金属粉末包芯线、非活性气体管及包围位于上述焊丝的两侧的非活性气体管的三维打印枪；
三维打印部造型物，位于上述打印枪装置的下部，与上述焊丝的前端的一部分相接触；以及
非活性气体容器，与上述直流稳压特性电源装置相连接，
向上述直流稳压特性电源装置输入信息后，根据上述信息，由打印程序来自动控制三维打印枪的位置和速度，
上述信息包含电流大小及送丝速度，
通过在管形态的焊丝里面填充合金金属粉末，来形成上述合金金属粉末包芯线，
上述造型物的打印部表面的热输入量遵循以下式：
114J/cm≤热输入量≤136J/cm
热输入量＝电弧电压×电弧电流÷三维打印枪的移动速度。
5.根据权利要求4所述的利用电弧及合金金属粉末包芯线的定向能量沉积电弧三维合金金属粉末的打印装置，其特征在于，上述三维打印枪为固定于上述打印枪装置内部的固定型的三维打印枪或工作人员利用手握住打印枪能够以手动进行工作的额外的手动型的三维打印枪。
6.根据权利要求4所述的打印装置，其特征在于，上述电弧的长度为2～10mm。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108971490A (zh) * 2018-08-13 2018-12-11 常兆芹 第二代电阻焊式三维打印机及其使用方法
CN111085752A (zh) * 2018-10-24 2020-05-01 叶均蔚 以合金粉末作为焊接填料的焊接方法

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2970313C (en) 2014-12-12 2021-10-19 Digital Alloys Incorporated Additive manufacturing of metallic structures
EP3408047B8 (en) 2016-01-27 2022-08-17 H.C. Starck Inc. Fabrication of high-entropy alloy wire and multi-principal element alloy wire for additive manufacturing
CN106238731B (zh) * 2016-09-28 2018-07-13 深圳市首熙机械设备有限公司 一种混合金属3d立体打印装置
ES2845692T3 (es) * 2016-12-22 2021-07-27 Outokumpu Oy Método de fabricación de un compuesto multicapa de metal-polímero soldable
KR101914705B1 (ko) * 2017-02-15 2018-11-05 이이엘씨이이주식회사 고분자 복합 재료를 활용한 3d 입체물 제조 로봇 시스템
JP6415004B2 (ja) * 2017-03-14 2018-10-31 株式会社ソディック 積層造形装置
US10688588B2 (en) * 2017-06-12 2020-06-23 Raytheon Technologies Corporation Continuous feed spindle attachment
CN107130239B (zh) * 2017-06-28 2019-12-31 苏州大学 局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法
KR101812609B1 (ko) * 2017-06-29 2018-01-30 유일고무 주식회사 웨더스트립 성형용 금형 코어의 제조방법
KR102008330B1 (ko) * 2017-07-28 2019-08-07 옥은택 3차원 금속 프린팅 시스템
CN107584116A (zh) * 2017-08-10 2018-01-16 常兆芹 电阻焊式金属三维打印机及其使用方法
US10576588B2 (en) 2017-09-05 2020-03-03 S L Chasse Welding & Fabricating, Inc. Fabrication layout device and method
KR102008066B1 (ko) * 2017-11-10 2019-08-06 김선호 보호가스 냉각형 아크 수축노즐을 이용한 3d프린터의 냉각 시스템
JP2021518285A (ja) * 2018-03-19 2021-08-02 デジタル・アロイズ・インコーポレイテッド 三次元物体を印刷するための装置、方法およびシステム
KR102143879B1 (ko) * 2018-05-29 2020-08-12 비즈 주식회사 입체 조형물을 제작하는 3d 프린팅 장치 및 방법
KR102143880B1 (ko) * 2018-05-30 2020-08-12 비즈 주식회사 이형 용가재를 사용하는 고적층율 금속 3d 아크 프린터
WO2019246308A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 Digital Alloys Incorporated Multi-diameter wire feeder
US11179808B1 (en) * 2018-07-11 2021-11-23 Rosemount Aerospace Inc. System and method of additive manufacturing
US11313243B2 (en) 2018-07-12 2022-04-26 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Non-continuous abradable coatings
WO2020033337A1 (en) * 2018-08-07 2020-02-13 Digital Alloys Incorporated Wire force sensor for wire feed deposition processes
US11853033B1 (en) 2019-07-26 2023-12-26 Relativity Space, Inc. Systems and methods for using wire printing process data to predict material properties and part quality
RU2725483C1 (ru) * 2019-08-27 2020-07-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока
AT522980B1 (de) * 2019-10-07 2022-06-15 Univ Wien Tech VORRICHTUNG ZUM AUFTRAGSSCHWEIßEN
USD1002416S1 (en) 2020-01-14 2023-10-24 Donner Nicholas J Marker device for use with a CNC layout table
KR102232387B1 (ko) 2020-11-23 2021-03-26 (주)에스와이메탈 3ｄ 적층법을 이용한 동합금 프로펠러의 제조방법
KR102487431B1 (ko) * 2021-07-14 2023-01-11 한국생산기술연구원 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 알루미늄 다이캐스팅 금형의 제조방법
KR20230112971A (ko) 2022-01-21 2023-07-28 부산대학교 산학협력단 고품질 금속 적층 제조품의 처리방법
CN115555683B (zh) * 2022-08-11 2023-10-24 南京联空智能增材研究院有限公司 一种铝合金模具电弧增材方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1183069A (zh) * 1995-05-05 1998-05-27 亚历山大·宾策尔两合公司 用于带不熔化电极的电弧焊燃烧器或电弧焊切割燃烧器的气体透镜壳体
JP2011151577A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Panasonic Corp 撮像装置
CN202239628U (zh) * 2011-08-22 2012-05-30 华南理工大学 一种选区激光熔化制备非线性树状吸液芯装置
CN103862177A (zh) * 2014-03-13 2014-06-18 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所 激光-gma电弧复合热源填丝焊接方法
CN104526171A (zh) * 2014-11-04 2015-04-22 南方增材科技有限公司 金属构件电熔成形方法
CN104668564A (zh) * 2015-03-09 2015-06-03 周红 一种3d打印设备及用金属丝为原材料的3d打印成形方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11151577A (ja) * 1997-11-17 1999-06-08 Babcock Hitachi Kk Ｔｉｇアーク溶接装置
US8604390B2 (en) * 2004-10-13 2013-12-10 Hobart Brothers Company Weld wire electrode for gas metal arc welding
JP4614223B2 (ja) * 2005-02-17 2011-01-19 株式会社神戸製鋼所 異材接合用溶加材及び異材接合方法
GB2489493B (en) * 2011-03-31 2013-03-13 Norsk Titanium Components As Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication
KR20120128171A (ko) * 2011-05-09 2012-11-27 김한식 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄
KR20150117105A (ko) * 2014-04-09 2015-10-19 주식회사 쓰리디매트릭스 아크용접을 이용한 3d 프린터

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1183069A (zh) * 1995-05-05 1998-05-27 亚历山大·宾策尔两合公司 用于带不熔化电极的电弧焊燃烧器或电弧焊切割燃烧器的气体透镜壳体
JP2011151577A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Panasonic Corp 撮像装置
CN202239628U (zh) * 2011-08-22 2012-05-30 华南理工大学 一种选区激光熔化制备非线性树状吸液芯装置
CN103862177A (zh) * 2014-03-13 2014-06-18 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所 激光-gma电弧复合热源填丝焊接方法
CN104526171A (zh) * 2014-11-04 2015-04-22 南方增材科技有限公司 金属构件电熔成形方法
CN104668564A (zh) * 2015-03-09 2015-06-03 周红 一种3d打印设备及用金属丝为原材料的3d打印成形方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108971490A (zh) * 2018-08-13 2018-12-11 常兆芹 第二代电阻焊式三维打印机及其使用方法
CN111085752A (zh) * 2018-10-24 2020-05-01 叶均蔚 以合金粉末作为焊接填料的焊接方法

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US20180326525A1 (en) 2018-11-15
KR101614860B1 (ko) 2016-04-25

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