CN110918996B - 一种三维打印方法及三维打印设备 - Google Patents

一种三维打印方法及三维打印设备 Download PDF

Info

Publication number
CN110918996B
CN110918996B CN201911419790.6A CN201911419790A CN110918996B CN 110918996 B CN110918996 B CN 110918996B CN 201911419790 A CN201911419790 A CN 201911419790A CN 110918996 B CN110918996 B CN 110918996B
Authority
CN
China
Prior art keywords
raw material
area
molten
plasma
printing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911419790.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110918996A (zh
Inventor
梁福鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Taitao Intelligent System Co ltd
Original Assignee
Nanjing Taitao Intelligent System Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Taitao Intelligent System Co ltd filed Critical Nanjing Taitao Intelligent System Co ltd
Publication of CN110918996A publication Critical patent/CN110918996A/zh
Priority to PCT/CN2020/092877 priority Critical patent/WO2021073107A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110918996B publication Critical patent/CN110918996B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/003—Apparatus, e.g. furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明公开了一种三维打印方法，关键在于：使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，电弧或等离子体对正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的热量使得在打印体上形成熔池，产生熔池的能量不需穿透打印原料就能在所累积的熔融原料下方形成可控的小面积的熔池。可获得诸多有益效果，例如：在累积熔融原料的区域与打印体的其它非熔融区域之间形成过渡性温度场，残余应力小；可获得锻造性能；产生的熔融原料体积微小、形态可控、位置可控；不对打印体上的先前生成的结构造成破坏；成型精度高；所需的控制系统简单；设备成本和耗材成本低，维护成本低；可打印大型部件。此外，本发明对应还提供一种三维打印设备。

Description

一种三维打印方法及三维打印设备
技术领域
本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种利用电弧或等离子体加热产生薄层熔池以实现高强度和高可控性的低成本三维成型方法和三维打印设备，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世纪八十年代之后在美国和欧洲等国家得到完善并逐步商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(Stereo Lithography 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(ThreeDimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。在以金属为打印原料的金属三维打印技术中，常见的有选择性激光熔化(Selective LaserMelting,SLM)、激光近成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)、金属丝电弧熔化成型(Wire and Arc AdditiveManufacture,WAAM)，都需要将固态的金属原料熔化，并且同时需要对打印体的正在累积熔化金属原料的区域进行熔化，以使打印体与熔化原料之间通过熔融的方式结合在一起。使用激光或电子束作为熔化能量的技术，设备制造成本高，技术门槛也高。SLM、LENS、EBM技术使用粉末作为原料，例如金属粉末，三维打印专用金属粉末成本通常情况下远高于金属丝。SLM技术是目前最主流的金属三维成型技术，除了前述的问题，还存在许多其它问题，例如由于激光光斑小、熔池极小，熔池与其它凝固区的温差极大，导致残余应力大和产生裂纹，为了解决这问题，有很多相关技术研究，如：研究论文《Reducing residual stress byselective large-area diode surface heating during laser powder bed fusionadditive manufacturing》(作者John D.Roehling等.期刊Additive Manufacturing(2019).DOI:10.1016/j.addma.2019.05.009)使用大功率的二次激光投射到更大的区域，对SLM技术中主激光光斑加热后的区域表面进行后加热，减小成型区温度梯度和降低冷却速度，发现能降低残余应力。WAAM技术使用电弧作为熔化能量，金属丝作为原料，是低成本金属三维打印技术的重要发展方向，但是该方向的现有技术存在可控性低、成型精度低等问题，严重制约着WAAM的技术发展和应用。现有WAAM技术，例如申请号201610908203.X、名称为“一种电弧3D打印空间网状结构件的方法”的中国专利申请，WAAM技术虽然成本低，但是因为电弧的能量作用范围可控性低、电弧不稳定，并且金属丝被电弧熔化之后所形成的液态金属主要依靠自身重力作用而滴落在打印体的熔池上，液态金属滴落过程可控性低，并且液态金属的形态可控性差，导致WAAM三维成型的精度极低，并且需要复杂监控系统(例如通过摄像头、光谱设备多种手段同时监测液态金属原料和熔池的状态)，WAAM技术的普及度远不如SLM技术。使用等离子火炬喷射的压缩电弧作为熔化能量的技术，虽然成本也低，同样存在成型精度低的问题，并且等离子压缩弧在气流流速较高时会将已经熔化的区域吹掉，对打印体造成破坏；等离子压缩弧的能量密度极高(中心温度可达2万摄氏度)，等离子火炬的电极和喷嘴属于易损耗零件，电极和喷嘴寿命短，较难以应用于较长时间的三维打印过程；目前以等离子压缩弧作为加热源的三维打印技术鲜有获得商业应用的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的三维打印方法和三维打印设备，尤其是一种低成本金属三维打印方法和金属三维打印设备。
本发明的另一个目的在于提供一种使用电弧或等离子体作为打印体预热能量、使用电阻加热方式在打印体上实时生成熔融原料的三维打印方法，将产生熔融原料和产生熔池的加热能量分离，实现新累积的熔融原料与先前成型的打印体之间以熔融方式连接，具有高成型强度、高可控性和高成型精度等显著特性。
为了实现上述的发明目的，根据本发明的一个方面，本发明采用的技术方案是：一种三维打印方法，其主要过程为：将固态原料熔化获得熔融原料，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体的基础上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料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；
其特征在于：
使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热；打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，所述电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的热量使得在所述打印体上形成熔池，所述当前累积区位于所述熔池，所述熔融原料在所述当前累积区上累积。这种加热方式可以通过热传导方式将打印体的正在累积熔融原料的区域加热熔化，即不对打印体的正在累积熔融原料的区域直接加热，可以实现在该区域上面存在原料的情况下，加热能量在不透过原料的前提下对原料下方的累积区进行加热，可以获得许多有益效果，在具体实施例中有说明。熔融原料的生成方式有多种，例如：可以是固态原料与当前累积区接触后，当前累积区的热量传导至固态原料并将固态原料熔化；也可以是固态原料先被熔化，然后再被转移至当前累积区；也可以是固态原料与当前累积区接触后，当前累积区的热量传导至固态原料，与此同时，环绕在当前累积区周边的等离子体与固态原料存在局部接触，等离子体的部分能量加热了固态原料的接近当前累积区的部位，这两种途径传播的热量共同加热固态原料，从而熔化固态原料；环绕在当前累积区周边的等离子体与固态原料存在局部接触的接触量可调，可根据多次实测后获得的经验值进行调节；环绕在当前累积区周边的等离子体与固态原料存在局部接触，该接触量与等离子整体能量的占比可调，可根据多次实测后获得的经验值进行调节。
可选地：
在所述的三维打印的过程中，所述的固态原料往打印体的当前累积区移动，固态原料不被所述的电弧或等离子体加热熔化；在所述的三维打印的过程中，在固态原料与打印体之间设置电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化(也就是说在所述的三维打印的过程中固态原料的被电阻加热熔化的部位就是新生成的熔融原料)；所述的固态原料为导电性材料；
所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触(发生相接触的情况有多种，例如：刚开始打印的时候，准备生成熔融原料的时刻；又如：以三维打印设备采用XYZ三轴运动平台为例，XY两轴控制水平移动，Z轴控制垂直方向移动，在三维打印过程中，当固态原料的输送速率大于固态原料在当前打印层上的水平移动速率时，或者施加在固态原料与打印体的当前累积区之间的电流强度不能满足充分熔化固态原料往打印体方向移动的递进量的需求时，都可能会发生所述的相接触的情况)；
所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料(也就是说固态原料与所述打印体的当前累积区发生间接接触)。(发生相连的情况有多种，例如：以三维打印设备采用XYZ三轴运动平台为例，XY两轴控制水平移动，Z轴控制垂直方向移动，在三维打印过程中，当固态原料的输送速率小于固态原料在当前打印层上的水平移动速率时，或者施加在固态原料与打印体的当前累积区之间的电流强度超出充分熔化固态原料往打印体方向移动的递进量的需求时，都可能会发生所述的相连的情况。)
解释：等离子体的产生方式分为两种：平衡放电(高温等离子体)，非平衡放电(低温等离子体)，电弧放电属于第一种；电弧是一种自持气体导电，即电离气体中的电传导，载流子为电子和离子，电弧是产生等离子体的一种方式；等离子体弧或等离子弧，属于压缩电弧，在电弧经过等离子炬的喷嘴时被压缩而形成等离子弧。
可选地：
所述的打印体包括所要打印的目的物体(目标物体)和成型过程所需的辅助性结构(例如支撑)。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，所述的直接加热是指电弧或等离子体弧的弧柱区或弧根直接作用在或直接接触到所述的打印体的正在累积熔融原料的区域的周围；或者，
所述的直接加热还指电弧或等离子体不对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热(这里的“电弧或等离子体”指的是正在累积熔融原料时的当前的电弧或等离子体，而不是指在此之前的电弧或等离子体)，即电弧或等离子体的主体部分不到达打印体的正在累积熔融原料的区域。
可选地：
所述的使用等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，所述的直接加热是指等离子体的主体部分直接接触到所述的打印体的正在累积熔融原料的区域的周围(等离子体的主体部分：以等离子束为例：等离子体束的包含等离子体束60％至99％能量的接近等离子束中心的部分)。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是指电弧或等离子体不对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热，即电弧或等离子体的主体部分不到达打印体的正在累积熔融原料的区域(电弧或等离子体的主体部分：包含其总能量的60％至99％能量的部分)。
可选地：
所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，其中所述的包围是指完全包围或部分包围。
可选地：
所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热的区域是连贯的或不连贯的。
可选地：
所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，由打印体的被电弧或等离子体直接加热的区域所传导的热量加热当前累积区(当前累积区被加热熔化或软化)。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，在正在累积熔融原料的区域的周围产生直接加热区；在三维打印过程中，打印体逐层累积成型，直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位转换为将来的熔融原料累积区，直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位定义为即将累积区；设定即将累积区与当前累积区的在当前成型层平面内的距离为L，当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率为V，L与V之比为t，即L/V＝t，当前累积区由熔融状态转变为非熔融状态所需的时间T；当t<T时，在即将累积区转变为当前累积区时可依赖其先前携带的热量而保持熔融状态，位于当前累积区周围的直接加热区向当前累积区传导的热量叠加在已经处于熔融状态的当前累积区上；通过调节当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率V和调节电弧或等离子体对打印体的加热功率来调节当前累积区的温度或熔融状态。
可选地：
所述的固态原料与打印体之间存在电气连接，是指固态原料与打印体被接入同一个电路，且固态原料与打印体在电路中为串联关系，当前累积区的与固态原料相接触或相连的部位被所述电路中的电流电阻加热，并且在固态原料与打印体的正在累积熔融原料的区域之间形成电阻高阻区。
可选地：
所述的在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，当前累积区的与固态原料相接触或相连的部位被所述电流电阻加热(使当前累积区被进一步加热)。
可选地：
所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热的区域，其形状是环形。环形分多种类型，例如常见的圆环形、方环形、三角环形，多边环形，不规则环形；所述固态原料为能导电的线状固态原料。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，通过气流控制电弧或等离子体实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热。
可选地：
固态原料经过所述环形电弧或环形等离子体束时与所述的的电弧或等离子体部分接触而被所述的电弧或等离子体加热熔化
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过气流控制电弧或等离子体形成环形电弧或环形等离子体束，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热并形成环形直接加热区，固态原料经过所述环形电弧或环形等离子体束时不被所述的电弧或等离子体加热熔化。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过旋转气流或不旋转的气流控制电弧或等离子体形成环形电弧或环形等离子体束，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热。涡旋气流属于旋转气流的一种。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，通过磁场或电场控制电弧或等离子体实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过磁场控制(驱动)电弧或等离子体弧产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热；所述磁场是静态磁场或旋转磁场或交变磁场或震荡磁场。(如果磁场的磁力线抵达打印体上的熔池，在磁场驱动电弧或等离子体弧旋转的同时，当打印合金材料时，还可实现利用安倍力对熔池进行磁力搅拌，获得细小的晶粒、等轴晶粒、低熔点第二相细小弥散分布，抑制偏析，减小脆性温度区间，抑制热裂纹产生，消除气泡，降低残余应力，可获得超越传统锻造技术的优异材料力学性能。)
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过磁场控制(驱动)电弧或等离子体弧产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热；磁场是静态磁场或旋转磁场或交变磁场或震荡磁场。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过磁场控制(驱动)电弧或等离子体弧产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热；电弧或等离子体弧是通过在环形的放电电极或中空的放电电极与打印体之间放电形成；固态原料穿过环形的放电电极或中空的放电电极内的空间(通道)往打印体移动，固态原料在往打印体的当前累积区移动的过程中，不被电弧或等离子体加热熔化。(在固态原料往打印体移动的过程中，旋转电弧或旋转等离子体弧以固态原料为旋转轴心，例如当固态原料采用金属丝时，介于环形或中空的放电电极与打印体之间的金属丝就是旋转电弧或旋转等离子体弧的旋转轴心，此时的金属丝最好与所述的环形或中空的放电电极绝缘。)
可选地：
所述的在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，电流对打印体的当前累积区产生进一步加热，使当前累积区与熔融原料接触面的位于打印体一侧的温度进一步升高，以确保当前累积区与熔融原料接触面的打印体一侧充分熔化。
可选地：
所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，当前累积区被打印体上的被电弧或等离子体直接加热的区域所传导的热量加热。
可选地：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，周围区域被直接加热而获得的热量通过传导方式部分传导至打印体的正在累积熔融原料的区域。
可选地：
通过使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，周围区域被直接加热而获得的热量通过传导方式部分传导至打印体的正在累积熔融原料的区域，在固态原料与打印体的正在累积熔融原料的区域之间形成电阻高阻区(金属等材料的电阻率随温度升高而升高)。(在高阻区获得最大电压分压，电阻加热能量集中在高阻区，提高电阻加热的能量利用率，并且获得体积微小的熔融原料，有利于提高成型精度。)
可选地：
在打印体的被电弧或等离子体直接加热区的外围喷射环形气流，利用环形气流冲击直接加热区域周围附近的软化区。可获得锻造效果。在材料冷却固化前的可塑性阶段，外力冲击可改变材料内部的微观组织特性，例如合金材料内部晶粒粗细、致密性。
可选地：
对所述的打印体进行整体加热，提高打印体的基础温度。
根据本发明的另一个方面，本发明采用的技术方案是：一种用于实现上述的三维打印方法的三维打印设备，包括用于放置熔融原料的成型区，熔融原料在所述成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体的基础上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料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；
还包括电弧发生器或等离子发生器，所述电弧发生器或等离子发生器的电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，所述电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的热量使得所述打印体上形成熔池，所述当前累积区位于所述熔池，所述熔融原料在所述当前累积区上累积。
可选地：
所述的固态原料往打印体的所述当前累积区移动过程中不被所述的电弧或等离子体加热熔化；所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的固态原料为导电性材料；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料。
可选地：
所述等离子发生器包括采用环形中空结构的等离子体炬和设于所述等离子体炬内部的环形气体通路、环形电极、涡流环，所述等离子体炬上设有气流入口和环形喷嘴，所述环形喷嘴内的空间为圆环形，即从所述环形喷嘴喷出的气流为环形气流；工作气体从气流入口进入等离子体炬内，流经所述涡流环后在等离子体炬内部的所述环形气体通路形成旋转的气流，旋转的气流带动等离子弧旋转，旋转的等离子弧经所述环形喷嘴喷出形成环形等离子体束，从而在打印体表面产生圆环形的所述直接加热区；
所述固态原料为能导电的线状固态原料，还包括一用于对所述线状固态原料的移动进行引导的固态原料引导装置，所述线状固态原料经所述固态原料引导装置的引导而抵达打印体的表面，所述环形等离子体束所包围的空间作为所述线状固态原料离开固态原料引导装置之后的通路；
线状固态原料经过该通路的过程中不被环形等离子体束加热熔化，保持固态；所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料，或者，
线状固态原料经过该通路的过程中被环形等离子体束加热熔化，环形等离子体束与线状固态原料发生少量接触，环形等离子体束与线状固态原料的接触区域位于线状固态原料下端边缘的与打印体的相邻区，线状固态原料通过所述接触区域从环形等离子体束获得热量并被熔化形成熔融原料；打印体表面的熔池传导给线状固态原料的热量也参与熔融原料的生成；通过电阻加热电路在不需要产生熔融原料时施加瞬间强电流，将所述线状固态原料与熔融原料之间瞬间熔断，以将两者分离；所述电阻加热电路还监测线状固态原料与打印体之间的接触状态，通过所述线状固态原料与打印体两者之间是否存在电气连接来判断。
可选地：
所述固态原料为能导电的线状固态原料，所述电弧发生器设有若干个并沿周向间隔布置的电极阵列，还包括气流调控座和用于对所述线状固态原料的移动进行引导的固态原料引导装置，所述线状固态原料经所述固态原料引导装置的引导而抵达打印体的表面；
所述气流调控座设置在所述电弧发生器的下端，电弧发生器喷出的工作气流经过所述气流调控座调控之后形成环形气流；
所述环形气流将所述电弧发生器的电极阵列、打印体表面的熔池、熔融原料、未固化的部分覆盖住；环形气流将电弧发生器的电极阵列产生的电弧阵列分布于熔融原料的周围，电弧阵列不接触到熔融原料；
所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料。
本发明的有益效果如下：
(1)、所述直接加热区被直接加热而获得的热量通过传导方式部分传导至所述当前累积区上以使得当前累积区加热熔化，即不对打印体的当前累积区直接加热，可以实现在当前累积区上面存在原料的情况下，加热能量在不透过原料的前提下对原料下方的累积区进行加热，这种加热方式的好处至少有以下四点：
a：原料体积小，如果原料是固态的，熔化固态原料所需的能量强度远低于熔化当前累积区所需的能量(当前累积区与打印体其它区域是一体的，打印体如果是热的良导体，例如金属，那么打印体会将当前累积区的热量迅速导走)，如果使用同一个束能量(例如等离子束、或激光束、或电子束)直接从原料上方穿过原料并抵达原料下方的当前累积区，往往会导致加热原料的能量过剩，使原料部分蒸发，并且原料部分蒸发还会对累积后的原料产生气泡/蜂窝状缺陷；如果原料是熔融的，如果使用同一个束能量直接从原料上方穿过原料并抵达原料下方的当前累积区，原料本身已是熔融态，会导致原料产生更严重的蒸发。
b：利用“电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热”导致在打印体的正在累积熔融原料的区域的热量叠加效应，在降低电弧或等离子体整体加热功率密度的前提下在打印体的正在累积熔融原料的区域形成薄的熔池，这样可有效地保护先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构，与本发明相反的情况是：现有的基于电弧加热或等离子束加热的金属三维成型技术，对先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构造成极大破坏，后果就是人们所见到的这些现有技术打印成型的物体非常粗糙。此外，薄熔池(熔深小)可抑制现有技术的深熔池(例如现有技术WAAM所产生的熔池，又如熔化极焊、氩弧焊、等离子体焊所产生的熔池)所导致的缺陷(例如：晶枝粗大，熔池形态不可控)。
c：实现更大面积的加热区和更小的温度梯度，能有效减小应力和减少材料内部的裂纹，并且可以实现以低的加热功率密度实现更高的温度，与本发明相反的情况是：现有的金属三维成型技术，例如SLM(选择性激光融化)由于激光光斑微小，功率密度极高，导致熔池与周边打印体材料的温差极大，造成材料内部应力极大且裂纹多，需要通过后期的热处理(例如热等静压)来消除这些缺陷。
d:加热累积熔融原料区域的能量并不干扰熔融原料的生成过程，熔池的生成与熔融原料的生成两者耦合性低，从而使应用本发明的三维打印技术的成型过程可控性高、更可靠，鲁棒性高。
(2)本发明通过将生成熔融原料所需的熔化能量与将打印体的正在累积熔融原料的区域熔化所需的加热能量分离，获得更高的可控性；而现有的使用线状固态原料(例如金属丝)的三维打印技术，例如金属丝电弧熔化成型(WAAM)：依靠金属丝作为自损耗的电极，对打印体进行放电，在打印体表面的正在累积熔融原料的区域产生熔池，熔化金属丝产生熔融原料和产生熔池共用同一个加热能量(电弧)，当使用的金属丝线径较小时(例如线径0.6mm的不锈钢丝)，金属丝所能承载的电能功率不足以有效熔化较大体积的打印体(工件)的表面，熔化金属丝产生熔融原料所需的能量远低于产生熔池所需的能量，熔化金属丝产生熔融原料的能量和产生熔池的能量不能分别独立控制，导致金属丝电弧熔化成型(WAAM)技术无法使用小线径的金属丝，尤其是在打印高熔点材料时，这问题更突出，例如，打印纯钛金属材料，使用0.6mm线径钛丝，当通过足以熔化钛打印体产生熔池的电流时，钛丝的熔融区将产生严重的溅射/飞溅(熔融端的内部气化/蒸发剧烈)，使三维打印的过程变得不可控；而本发明因为将产生熔融原料的能量与产生熔池的能量分离，分别独立控制，因此不存在上述问题，可以使用更小线径的金属丝，进而提高成型精度，并且具有极高的灵活性，更容易实现复杂和灵活的三维打印成型过程控制。
(3)本发明通过在固态原料与打印体之间施加电流、产生电阻加热作用，在固态原料与打印体接触区实时产生微量熔融原料，熔融原料与打印体表面的熔融区接触的同时，还黏附在未熔化的固态原料上，可以通过控制固态原料的位置来操控熔融原料的位置，使得熔融原料的位置可控性和形状可控性极高；相比之下，现有的金属丝电弧熔化成型(WAAM)技术的熔融金属原料依靠自身滴落方式落到打印体熔池上，熔融原料的可控性低，熔融原料与熔池融合后形成自由熔液(形态变得粗大且不可控)，打印精度极差，并且需要复杂的监控系统来实时调整熔融原料的滴落过程(例如：实时高速采集金属液滴和熔池的图像，分析图像，依据分析结果来动态调节金属液滴的滴落位置以及填补先前未被正确累积金属液滴而产生缺陷的位置，抑制金属丝末端液滴的溅射)；因此，本发明可以实现更高的成型精度，成型过程可控性更高，所需的控制系统更简单。
(4)本发明通过在固态原料与打印体上的熔化层之间形成高阻区(金属等材料的电阻率随温度升高而升高)，在固态原料与打印体形成的串联电路中，在高阻区获得最大的电压分压，电阻加热能量主要集中在固态原料与打印体之间的部位，在三维打印过程中实时形成的熔融原料被限制在高阻区，可以获得体积微小的熔融区(熔融原料)，所产生的熔融原料体积微小且局限；本发明产生熔融原料的热量产生自材料自身内部，当固态原料或熔融原料与打印体之间的接触发生中断时，加热能量瞬间自动消失(例如在使用低于12V的电阻加热电压时，无法在固态原料自由端与打印体之间形成电弧)，形成的固态原料自由端所携带的熔融原料有限并且得不到持续加热，在固态原料自由端无法形成液态原料球；相比之下，现有技术使用激光束、电子束、等离子体束、电弧(在专门的电极与打印体之间放电产生电弧)等热源对金属丝与打印体在两者接触部位及相邻区域同时加热，在熔化金属丝获得熔融原料的同时，同步在打印体表面产生熔池，这样的加热方式决定了金属丝的熔化方式是自外到内(加热能量从金属丝外穿透金属丝)，熔融原料与熔池融合后形成自由熔液(形态变得粗大且不可控)，并且当固态原料或熔融原料与打印体之间的接触发生中断时，如果加热能量不及时被切断，将导致在金属丝的自由端形成体积较大的液态金属球(液态金属黏度大、表面张力大，具有自我聚集成团的趋势)，导致液态原料不可控，甚至导致三维打印失败，因此需要复杂的监控系统实时监控(例如：实时高速采集金属液滴和熔池的图像，分析图像)和动态调整(例如：依据监测数据分析结果，确保金属丝末端的熔融原料与熔池始终处于连接状态、动态调节金属液滴的累积位置以及填补先前未被正确累积金属液滴而产生缺陷的位置)；相比现有使用金属丝原料的三维打印技术，本发明的液态原料实时生成的过程如果发生原料与打印体接触中断，具有自限性，使本发明三维成型过程所需的控制系统的复杂度远低于现有技术，可靠性更高，并且熔融原料的发生部位局限在高阻区，熔融原料的体积微小，成型精度更高。
(5)本发明通过在固态原料与打印体上的熔化层之间形成高阻区(金属等材料的电阻率随温度升高而升高)，在固态原料与打印体形成的串联电路中，在高阻区获得最大的电压分压，电阻加热能量主要集中在固态原料与打印体之间的部位，在三维打印过程中实时形成的熔融原料被限制在高阻区，可以获得体积微小的熔融区(熔融原料)，所产生的熔融原料体积微小且局限，输送固态原料时产生的机械力作用于熔融原料和打印体的原料累积区，固态原料对所累积的熔融原料和打印体的原料累积区产生抹平、挤压作用，可以获得比现有的基于等离子体束和电弧加热源的三维打印技术更好的表面形态，消除材料内部的缝隙和气孔，同时获得类似锻造的效果。
(6)本发明通过在固态原料与打印体之间施加电流、产生电阻加热作用，在固态原料与打印体接触区实时产生微量熔融原料，熔融原料与打印体表面的熔融区接触的同时，还黏附在未熔化的固态原料上，可以通过控制固态原料的位置来操控熔融原料的位置，在打印悬臂结构时(新生成的熔融原料在水平方向上与打印体发生局部接触)，微量熔融原料被黏附在固态原料末端而不会因为重力作用发生滴落，所以，本发明可以实现无支撑打印悬臂结构，或者减少对支撑的依赖，使打印复杂三维结构的过程更简单。
(7)与选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)等现有技术相比，本发明使用金属丝等线状固态原料，材料成本低；不存在材料反射激光能量的问题，不挑材料，常见的导电性固态无机材料(尤其是金属)均可作为打印原料；加热源使用等离子体或电弧，加热源设备成本远低于激光器和真空电子束系统，并且电弧或等离子体的加热和成型效率高于激光和电子束。
(8)本发明通过在固态原料与打印体之间施加电流、产生电阻加热作用，在固态原料与打印体之间实时产生微量熔融原料，微量熔融原料在打印体上迅速累积后开始冷却，并不需要加热容器(例如微型熔炉)先将较多固态原料熔化、再喷射至打印体表面，并且仅需在打印体表面产生薄熔化层(薄熔池)就能满足三维成型的需求，熔融原料(尤其是合金材料，例如钛合金、镍基高温合金等)没机会发生偏析，打印体的材料成分均匀；而现有的采用加热容器(例如微型熔炉)熔化固态原料的三维打印技术，因为固态原料的熔化需要时间，为了保证熔融原料能稳定地输出，并且为了满足对打印速度的需求，打印速度越高、单位时间内需要的熔融原料越多，需要将较多的固态原料预先熔化，如果打印材料是合金，熔融合金的不同成分在微型熔炉内有机会发生不均匀化的扩散，导致先后喷射的合金液滴化学成分很可能存在差异，导致打印体的材料性能下降；金属丝电弧熔化成型(WAAM)技术不采用加热容器(例如微型熔炉)先将较多固态原料熔化，但是WAAM技术在打印体上产生较大的熔池，会导致材料内部晶枝粗大，并且对先前生成的打印体产生较大破坏，无法生成精细结构；而本发明不存在上述的问题：打印体不存在偏析，材料化学成分分布均匀，材料内部晶枝不粗大，所需的打印体表面熔池薄、不破坏打印体上的结构，可以实现精细结构的打印。
(9)本发明通过在固态原料与打印体之间施加电流、产生电阻加热作用，在固态原料与打印体之间实时产生微量熔融原料，通过电弧或等离子体对打印体上的累积熔融原料区域的周边区域进行环形加热产生熔池，将生成熔融原料所需的熔化能量与将打印体的正在累积熔融原料的区域熔化所需的加热能量分离，仅需在打印体表面产生微米厚度的薄熔化层(薄熔池)就能满足三维成型的需求，薄熔池(熔深小)可抑制现有技术的深熔池(例如现有技术WAAM所产生的熔池，又如熔化极焊、氩弧焊、等离子体焊所产生的熔池)所导致的缺陷(例如：晶枝粗大，熔池形态不可控)。
(10)本发明对打印体上的累积熔融原料区域的周边区域进行环形加热，相比现有的采用金属粉末或金属丝作为固态原料的金属三维打印技术，本发明可以实现以熔融原料累积位置为中心的360°加热，可以在打印体上的累积熔融原料的区域获得更均匀和稳定的加热效果，在累积熔融原料的区域与打印体的其它非熔融区域之间形成温度梯度更小的过渡性温度场，有利于减小三维成型之后材料内部应力和减少热裂纹，最终获得更高的材料性能。
(11)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，使得累积熔融原料的区域始终位于热场的中心，环形加热区的热量向中心传导聚集，热场中心的熔化状态更稳定可靠；不管固态原料在三维打印的当前成型层上的平面内往任何方向移动，所生成的熔融原料始终在热场的中心累积，保证了熔融原料与打印体之间熔合的高可靠性，从而使应用本发明的三维打印技术的成型过程稳定、可靠。
(12)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，环形加热区的热量向中心传导聚集，环形加热区的热量在热场中心发生叠加，从而可以实现以低的加热功率密度实现更高的温度，使本发明的产生环形加热区的加热设备(例如环形等离子体喷嘴或环形电弧放电电极)所需承受的加热功率密度小，本发明的产生环形加热区的加热设备寿命长，而现有的喷射等离子体束所需的等离子体炬喷嘴和电极、以及产生电弧的电极(例如类似氩弧焊中使用的钨极)都因为承受高功率密度而极易损坏，难以应用于长时间的三维打印过程中。
(13)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，环形加热区的热量向中心传导聚集，环形加热区的热量在热场中心发生叠加，从而可以实现在打印体上的熔融原料累积位置形成可控的小面积的熔池(即在熔融原料的下方形成小面积的熔池)，对打印体上的先前生成的结构的破坏小；而现有的使用金属丝为原料、等离子体束作为加热源或者使用电弧作为加热源的三维打印技术则无法在熔融原料的下方形成可控的小面积的熔池，对打印体上的先前生成的结构的破坏大。
(14)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，热量在累积熔融原料的区域聚集，对累积熔融原料区域加热的能量并不需要透过原料，就能在原料的正下方的打印体表面形成熔融区(熔池)，加热累积熔融原料区域的能量并不干扰熔融原料的生成过程，熔池的生成与熔融原料的生成两者耦合性低，从而使应用本发明的三维打印技术的成型过程可控性高、更可靠，鲁棒性高。
(15)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，环形加热区的热量向中心传导聚集，环形加热区的热量在热场中心发生叠加，从而可以实现在打印体上的熔融原料累积位置形成可控的小面积的熔池(即在熔融原料的下方形成小面积的熔池)，使本发明的产生环形加热区的加热设备(例如环形等离子体喷嘴或环形电弧放电电极)所需承受的加热功率密度小，所需要的气流流速低，低流速气流对打印体表面的熔池和刚累积的熔融原料不会造成破坏。
(16)本发明可以实现以打印体上的熔融原料累积位置为中心的360°环形加热，环形加热区的热量向中心传导聚集，环形加热区的热量在热场中心发生叠加，产生熔融原料的能量与在打印体上产生熔池的能量分离(互相独立)，只需在打印体上产生薄层熔池，对打印体的加热所需的功率密度低，可抑制打印体上的熔池内材料的气化(尤其是合金材料内部较低熔点的成分的气化)，相比现有金属三维打印技术(例如采用电弧或等离子体或电子束作为加热能量的金属三维打印技术)，本发明的材料气化/蒸发更少，材料内部因气化产生的孔隙更少。
(17)本发明如果打印头和打印平台直接暴露在大气中，外界大气(氧气和氮气等)被环形气流抗拒(尤其是被旋转的环形气流抗拒)，至少形成对位于环形气流中心的熔融原料和打印体上的当前累积区、电弧或等离子体直接加热区域的严密惰性气氛保护区，产生的严密惰性气氛保护区在打印体表面形成的保护气膜直径大于等离子体的加热区域，可获得优异的成型质量(含氧量低)，这样就可以在大型的开放式平台上打印大型金属部件，对航空航天和军工等领域意义重大。
(18)本发明如果通过磁场控制(驱动)电弧或等离子体弧以产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热，驱动电弧或等离子体弧产生旋转运动的磁场的磁力线抵达打印体上的正在累积熔融原料的区域，当打印原料和打印体为导电性材料时，磁场对打印体上的正在累积熔融原料的区域内的熔池产生磁力搅拌作用(原理：熔池内有电流流过，电流为电弧电流，或者电流由电弧电流和产生熔融原料的电阻加热电流一起构成，电流方向与磁力线不平行，磁场对熔池内材料产生安倍力)；在安倍力的作用下，熔融合金材料内部发生运动，调控材料内晶粒的生长方式(模式)，产生细小的晶粒、等轴晶粒、低熔点第二相细小弥散分布，抑制偏析，减小脆性温度区间，抑制热裂纹产生，降低残余应力，并且搅拌作用还抑制气泡产生和往外驱赶已产生的气泡，获得优异的材料力学性能，可超越传统的锻造；本发明的产生旋转电弧或旋转等离子体弧的磁场和产生对熔池磁力搅拌作用的磁场是同一个磁场，结构简单，在实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的同时，还获得对熔池产生磁力搅拌作用，一举两得。
(19)本发明通过在固态原料与打印体之间施加电流产生的电阻加热作用在三维打印过程中实时生成熔融原料，该产生熔融原料的电流形成以该电流(或固态原料)为中心且环绕和垂直于该中心的环形磁场，环形磁力线对不平行于磁力线的运动带电粒子产生洛伦兹力，环形磁力线对带电粒子的运动轨迹产生影响，可以产生聚焦作用或散焦作用，例如：当产生电弧或等离子体的控制电路的正极连接打印体、产生熔融原料的控制电路的正极连接打印体时，即产生电弧或等离子体的控制电路与产生熔融原料的控制电路以打印体为中介的共阳极，介于打印头与打印体之间的环形电弧或环形等离子体受到从环形电弧或环形等离子体中心通过的固态原料中流过的电流产生的环形磁力线的作用，电弧或等离子体中的电子和阴离子受气流推动力和洛伦兹力产生的合力作用，往打印体上的当前累积区聚焦，即环绕和聚集在即时产生的熔融原料周围，使电弧或等离子体对打印体的加热作用范围缩小，对打印体上已有的结构(例如薄壁结构)破坏小，对打印精细结构有极大的好处，可以在使用电弧或等离子体这样的低成本热源的前提下获得类似激光(高成本)的聚焦效果；相比现有的金属丝电弧熔化成型(WAAM)技术或基于等离子体热源的三维打印技术，本发明可以获得更高的成型精度。
综上所述，本发明的有益效果：三维成型的过程控制具有极高的灵活性、可靠性；三维打印设备的监控系统简单、成本低；采用360°环形加热方式，热量在环形加热区中心叠加形成稳定的高温区，可在所累积的熔融原料下方形成可控的小面积的熔池；在累积熔融原料的区域与打印体的其它非熔融区域之间形成温度梯度更小的过渡性温度场，残余应力小；三维打印设备的产生加热源的装置寿命长；产生的打印体的材料均匀，不偏析，合金材料内部晶枝不粗大；可抑制材料气化，材料内部孔隙少；可获得超越传统锻造技术的材料性能；产生的熔融原料体积微小、形态可控、位置可控；不对打印体上的先前生成的结构造成破坏；成型精度高；在熔融原料与打印体上的熔池的连接发生中断后，熔融原料的生成和黏附在固态原料上的残余熔融原料形态具有自限性；可以使用小线径和大线径的线状固态原料，使用小线径固态原料可以获得更高的成型精度；可以在减少使用支撑的情况下实现复杂结构的打印；设备成本和耗材成本低，维护成本低；可在大气环境中直接打印形成低含氧量的大型金属部件，对航空航天和军工等领域意义重大；应用本发明的三维打印技术的成型过程可控性高、可靠高，鲁棒性高。
附图说明
图1是三维示意图，用于说明本发明的第一个具体实施例所涉及的打印头；
图2至图6是二维示意图，用于说明本发明的第一个具体实施例的原理，其中的箭头D1和D2表示移动方向，箭头F1表示气流流向；其中，图3是图2中A-A方向的剖视图；
图7至图8是三维示意图，用于说明本发明的第二个具体实施例所涉及的打印头；
图9至图11是二维示意图，用于说明本发明的第二个具体实施例的原理，图10是图9中的虚线框CC指示部位的放大图，其中的箭头D3和D4表示移动方向，箭头F2表示气流流向；
图12至图13是二维示意图，用于说明本发明的第三个具体实施例的原理，图13是图12中的虚线框BB指示部位的放大图，其中的箭头D5表示移动方向，箭头F3表示气流流向；
其中的标号：
1-等离子发生器，2-环形电极，3-气流入口，4-环形喷嘴，5-工作气体，6-固态原料引导装置一，7-线状固态原料一,8-打印体一，9-等离子发生器控制电路，10-电阻加热电路一，11-打印体表面的熔池一，12-环形等离子体束一，13-熔融原料一，14-未固化部分一，15-正在累积的层的已固化部分一，16-涡流环，17-打印体上的当前累积区一，18-等离子体直接加热的区域(直接加热区)，19-等离子体的加热区域，21-打印体上的当前累积区二，22-电弧直接加热的区域，23-电弧的加热区域,26-电弧发生器阵列，27-电弧发生器阵列的气体接口，28-电弧发生器阵列的电极，29-线状固态原料二，30-固态原料引导装置二，31-电阻加热电路二，32-熔融原料二，33-未固化的部分二，34-正在累积的层的已固化的部分二，35-打印体表面的熔池二，36-打印体二，37-电弧阵列，38-工作气体二，39-电弧发生器阵列控制电路，40-气流调控座，41-线状固态原料三，42-环形等离子体束三，43-熔融原料三，44-打印体表面的熔池三，45-电阻加热电路三，46-打印体三，47-非离子化的工作气体，48-环形等离子体束与线状固态原料的接触区域。
具体实施方式
下面列举本发明的较佳具体实施例并结合附图对本发明进行详细描述。
如图1至图6所示的本发明一种三维打印方法的第一个具体实施例，其主要过程为：将固态原料(即线状固态原料一7)熔化获得熔融原料(即熔融原料一13)，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体(即打印体一8)，新生成的熔融原料在打印体的基础上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料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；本发明第一个具体实施例的技术关键在于：
使用等离子体(即环形等离子体束一12)对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围(周边区域)进行直接加热，从而在正在累积熔融原料的区域的周围产生直接加热区18(如图4所示的等离子体直接加热的区域18)(这种加热方式可以通过热传导方式将打印体的正在累积熔融原料的区域加热熔化，即不对打印体的正在累积熔融原料的区域直接加热，可以实现在该区域上面存在原料的情况下，加热能量不透过原料的前提下对原料下方的累积区进行加热，可以获得许多有益效果，在后续内容中有说明)；打印体的被等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区(如图4所示的打印体上的当前累积区一17，直接加热区18被直接加热而获得的热量通过传导方式部分传导至所述当前累积区一17上使得所述当前累积区一17上形成熔池，所述熔融原料在所述当前累积区一17上累积)；
在所述的三维打印的过程中，固态原料(即线状固态原料一7)往打印体(即打印体一8)的当前累积区(即打印体上的当前累积区一17)移动，固态原料不被等离子体(即环形等离子体束一12)加热熔化(在此过程中，固态原料被等离子体加热，例如被等离子体辐射的能量加热、被介于固态原料与等离子体束之间的非电离气体所携带的热量加热，但是这些能量不足以将固态原料加热熔化)；
在所述的三维打印的过程中，如图2、图5和图6所示，固态原料(即线状固态原料一7)与打印体(即打印体一8)之间设置电气连接，固态原料与打印体被接入同一个电路，且固态原料与打印体在电路中为串联关系，即：通过固态原料引导装置一6将线状固态原料一7与电阻加热电路一10连接，打印体一8通过导电的打印平台(未在附图中示出)与电阻加热电路一10连接，线状固态原料一7与打印体一8相接触或相连接；在线状固态原料一7与打印体上的当前累积区一17之间施加电流，通过电阻加热的方式将线状固态原料一7的与打印体上的当前累积区一17相接触的部位或者相连的部位加热熔化(也就是说在所述的三维打印的过程中固态原料的被电阻加热熔化的部位就是新生成的熔融原料)。在固态原料与打印体的当前累积区(如图4所示的打印体上的当前累积区一17)之间施加电流，当前累积区的与固态原料相接触或相连的部位也会被所述电流电阻加热，可以进一步提高当前累积区的温度。图4说明了：在打印体表面上，等离子体直接加热的区域与打印体的当前累积区的位置关系；等离子体对打印体表面的加热范围包括等离子体的加热区域19及其所包围的区域，即：等离子体的加热区域19所包围的区域包括等离子体直接加热的区域18和打印体上的当前累积区一17；除了等离子体直接加热的区域18，其它区域通过热传导的方式加热，即间接加热。由于等离子体直接加热的区域18为环形，该环形加热区获得的热量向中心区域传导和扩散，使打印体上的当前累积区一17也被加热，并且可以获得可靠的加热(只要等离子体加热持续存在，热量就持续往打印体上的当前累积区一17传导)。环形等离子体束一12在打印体一8表面的环形直接加热区(即等离子体直接加热的区域18)的热量向周边及其所包围的区域传导和扩散，形成打印体表面的熔池一11(即打印体表面的薄熔化层)。
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，在正在累积熔融原料的区域的周围产生直接加热区(例如：等离子体直接加热的区域18)；在三维打印过程中，打印体逐层累积成型，直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位转换为将来的熔融原料累积区，直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位定义为即将累积区；设定即将累积区与当前累积区的在当前成型层平面内的距离为L，当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率为V，L与V之比为t，即L/V＝t，当前累积区由熔融状态转变为非熔融状态所需的时间T；当t<T时，在即将累积区转变为当前累积区时依赖其先前携带的热量而保持熔融状态，位于当前累积区周围的直接加热区向当前累积区传导的热量叠加在已经处于熔融状态的当前累积区上；通过调节当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率V和调节电弧或等离子体对打印体的加热功率来调节当前累积区的温度或熔融状态。举例说明：在图6中，如果打印头和线状固态原料一7整体往箭头D2所示的方向移动速度足够快，位于箭头D2所示方向上(箭头D2指示当前累积区的移动方向的前方)的被环形等离子体束一12直接加热的区域(也就是即将累积区)在成为当前累积区时仅依赖先前携带的热量而保持熔融状态，即：被环形等离子体束一12直接加热的区域位于箭头D2所示方向上(即打印头的前进方向)的部位(也就是即将累积区)与打印体上的当前累积区一17的距离L，打印头的移动速率V，L/V＝t，打印体上的当前累积区一17由熔融状态转变为非熔融状态所需的时间T，当t<T时，即将累积区在成为当前累积区(即打印体上的当前累积区一17)时仅依赖其先前携带的热量而保持熔融状态，环形的等离子体直接加热的区域18向打印体上的当前累积区一17传导的热量叠加在已经处于熔融状态的打印体上的当前累积区一17上，进一步确保打印体上的当前累积区一17处于可靠的熔融状态。即将累积区与打印体上的当前累积区一17的距离L至少等于环形的等离子体直接加热的区域18的内半径。
固态原料(即线状固态原料一7)为导电性材料，采用金属线(例如线径1mm的316不锈钢丝)。
所述的相接触是指固态原料(即线状固态原料一7)在熔化前直接与所述打印体的当前累积区(即打印体上的当前累积区一17)发生物理接触。发生相接触的情况有多种，例如：刚开始打印的时候，准备生成熔融原料的时刻；又如：以三维打印设备采用XYZ三轴运动平台为例，XY两轴控制水平面移动，Z轴控制垂直方向移动，在三维打印过程中，当固态原料的输送速率(如图6中的箭头D1所示的方向)大于固态原料在当前打印层上的水平移动速率(如图6中的箭头D2所示的方向)时，或者施加在固态原料与打印体的当前累积区之间的电流强度不能满足充分熔化固态原料往打印体方向移动(如图2、图5、图6中的箭头D1所示的方向)的递进量的需求时，都可能会发生所述的相接触的情况。
所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前(上一时刻)产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前(上一时刻)产生的熔融原料(也就是说固态原料与所述打印体的当前累积区发生间接接触)(发生相连的情况有多种，例如：以三维打印设备采用XYZ三轴运动平台为例，XY两轴控制水平移动，Z轴控制垂直方向移动，在三维打印过程中，当固态原料的输送速率小于固态原料在当前打印层上的水平移动速率时，或者施加在固态原料与打印体的当前累积区之间的电流强度超出充分熔化固态原料往打印体方向移动的递进量的需求时，都可能会发生所述的相连接的情况)。
在本第一个具体实施例中，采用的打印头的核心部分如图1所示：主要由等离子发生器1和固态原料引导装置一6组成，等离子体炬(即等离子发生器1)采用环形中空结构，固态原料引导装置一6设置于等离子发生器1所包围的空间。等离子发生器1整体呈环形结构，等离子发生器1内部设置环形气体通路、环形电极2和涡流环16。等离子体发生器工作于“转移弧”模式：环形电极2作为阴极并连接电源(即等离子发生器控制电路9)的负极，打印体一8作为阳极并连接电源(即等离子发生器控制电路9)的正极，打印体一8相当于焊接工业的焊接工艺中的“工件”，等离子弧的两侧弧根分别位于环形电极2和打印体一8的表面；等离子弧的弧柱区经过环形喷嘴4时被压缩，截面积变小，能量密度变大。环形喷嘴4内的空间为圆环形，即从环形喷嘴4喷出的气流为环形气流。工作气体5采用氩气(惰性气体)，从气流入口3进入等离子发生器1内，流经涡流环16之后在等离子发生器1内部的环形气体通路形成旋转(涡旋)的气流(如图3所示)，旋转的气流带动等离子弧旋转，在经过环形喷嘴4的过程中也是旋转的，经环形喷嘴4喷出形成环形等离子体束一12，在打印体一8表面产生一个圆环形的等离子体直接加热的区域18。等离子体直接加热的区域18是连贯的圆环形。在环形等离子体束一12抵达打印体一8表面之前，环形等离子体束一12所包围的柱形(或倒锥形)空间作为线状固态原料一7离开固态原料引导装置一6之后的通路，线状固态原料一7经过该通路的过程中不被环形等离子体束一12加热熔化，保持固态。如果线状固态原料一7经过该通路的过程中被等离子体加热熔化，会导致在电阻加热电路一10施加大电流进行电阻加热的过程中线状固态原料一7的被等离子体加热熔化的部位发生熔断。之所以制造出环形等离子体束一12的重要目的之一就是避免线状固态原料一7被等离子体直接加热熔化。如图2、图5和图6所示，在环形等离子体束一12抵达打印体一8表面之前，由于气流的惯性，以及环形喷嘴4所包围的空间被固态原料引导装置一6和线状固态原料一7占据，环形等离子体束一12所包围的柱形空间属于相对封闭的空间，环形等离子体束一12抵达打印体一8之后只能贴着打印体一8表面往外侧排泄，而无法向内侧流动，形成环形直接加热区，这本质上是通过气流(包括流体惯性、气压梯度等因素)来调控等离子弧的在打印体上的加热区域；可以获得这样的好处：如果打印头和打印平台直接暴露在大气中，外界大气(氧气和氮气等)被环形气流(旋转的环形气流)抗拒，至少形成对位于环形气流中心的熔融原料13和打印体上的当前累积区一17、等离子体直接加热的区域18的严密惰性气氛保护区，产生的严密惰性气氛保护区在打印体一8表面形成的保护气膜直径大于等离子体的加热区域19，可获得优异的成型质量，这样就可以在大型的开放式平台上打印大型金属部件，对航空航天和军工等领域意义重大。
在本第一个具体实施例中，上述的打印体包括所要打印的目的(目标)物体和成型过程所需的辅助性结构(例如支撑)。
在本第一个具体实施例中，使用等离子体(转移弧)对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，所述的直接加热是指：环形等离子体束一12的一侧弧根直接作用在所述的打印体的正在累积熔融原料的区域的周围(如图4所示的等离子体直接加热的区域18)(另一侧弧根位于环形电极2表面)。
在图2中，环形等离子体束一12在打印体一8表面的环形直接加热区的热量向周边及其所包围的区域传导和扩散，形成打印体表面的熔池一11(即打印体表面的薄熔化层)；线状固态原料一7开始向打印体一8移动(即箭头D1所示的方向)、但还未与打印体表面的熔池一11接触，电阻加热电路一10还未启动，没有熔融原料生成。
在图5中，线状固态原料一7与打印体表面的熔池一11接触，也就是说线状固态原料一7与打印体上的当前累积区一17接触，电阻加热电路一10启动，在线状固态原料一7与打印体上的当前累积区一17之间的接触面形成电阻高阻区，并在线状固态原料一7的与打印体上的当前累积区一17接触的区域熔化并形成熔融原料一13。
在图6中，在线状固态原料一7经过固态原料引导装置一6、沿着箭头D1所示的方向往打印体表面的熔池一11移动的同时，打印头和线状固态原料一7整体往箭头D2所示的方向移动，环形等离子体束一12跟随打印头一起移动(导致打印体表面的熔池一11也跟随移动)，并且电阻加热电路一10处于工作状态，持续产生熔融原料一13并持续在打印体表面的熔池一11上累积；线状固态原料一7与打印体上的当前累积区一17之间通过熔融原料一13实现连接(属于间接连接，不属于直接接触)；先前在打印体上累积的熔融原料在温度降低之后形成正在累积的层的已固化部分一15；在介于熔融原料一13与正在累积的层的已固化部分一15之间存在未固化部分一14，这是一个过渡区，该过渡区内存在软化区，对该软化区进行碾压、或锤击、或冲击、或震动，就能影响该软化区在完全固化之后的物理特性(例如材料内部的晶粒/晶枝特性)。由于环形等离子体束一12是环形，熔融原料在打印体上累积之后，会再被环形等离子体束一12直接加热，表面形态会变得更光滑。对于本第一个具体实施例而言，熔融原料通过电阻加热方式在打印体上的当前累积区一17(属于熔池的一部分)上表面实时生成，并不需要深的熔池，微米厚度的熔化层/熔池就能满足需求，这样可有效地保护先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构；加热打印体一8产生打印体表面的熔池一11的能量并不需要穿透线状固态原料一7或熔融原料一13，加热能量所需的功率密度低，也有利于保护先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构。
在本第一个具体实施例中，通过使用等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围(周边)进行直接加热，周围区域被直接加热而获得的热量通过传导方式部分传导至打印体的正在累积熔融原料的区域，在固态原料与打印体的正在累积熔融原料的区域之间形成电阻高阻区。在串联电路中，在高阻区获得最大电压分压，电阻加热能量集中在高阻区，提高电阻加热的能量利用率，并且获得体积微小的熔融原料，有利于提高成型精度。这种在接触面上获得体积微小的熔融原料方式，有别于通过激光或电子束或等离子体束或独立电弧(在专门的放电电极与打印体之间放电形成电弧)直接将线状固态原料(例如金属丝)及其周边的打印体一起熔化的现有三维打印技术；现有技术的加热能量需要穿透线状固态原料并抵达其下方的打印体，需要的加热能量高，所产生的熔融原料体积较大、在打印体上的熔池较大而导致的成型精度较低；现有技术，当固态原料或熔融原料与打印体之间的接触发生中断时，如果加热能量不及时被切断，将导致在金属丝的自由端形成体积较大的液态金属球(液态金属黏度大、表面张力大，具有自我聚集成团的趋势)，导致液态原料不可控，甚至导致三维打印失败。这些现有技术需要对当前成型的区域进行图像监控和根据图像数据来实时调控线状固态原料的位置、线状固态原料的进给量、熔融原料的位置、打印体上的熔池的形态、加热能量的大小及加热位置，及时修补存在缺陷的累积区或已成型的区域，现有技术所需的控制技术十分复杂、技术门槛高。而本发明的技术方案能确保在当前成型区域内熔融原料与打印体表面的薄熔化层(薄层熔池)之间的正确位置关系，熔融原料的形态可控，成型精度更高、对打印体的破坏更小(只需在打印体的当前累积区形成熔化薄层，并不需要形成一个较大较深的熔池，所需的等离子体束的功率密度更低)；本发明的液态原料实时生成的过程如果发生原料与打印体接触中断，电阻加热电流随之自然中断(当电阻加热电压低于12V时，不会在所形成的原料端面与打印体之间产生电弧)，具有自限性，残余在固态原料末端的熔融原料失去聚集成团的机会；本发明对应的三维打印设备所需的控制系统简单，成本也更低。
在本第一个具体实施例中，在环形等离子体束一12外周嵌套环形冲击气流(未在附图中示出)，环形冲击气流与环形等离子体束一12共轴，利用环形冲击气流对打印体表面的等离子体的加热区域19软化区进行冲击，获得进一步锻造的效果，提高打印体在成型之后的材料性能。打印体表面的等离子体的加热区域19软化区包括两部分：第一部分，等离子体束对打印体加热之后，加热区会形成温度梯度，没熔化但获得可塑性和没完全熔化的区域就属于软化区；第二部分，在三维打印过程中，打印头或打印体需要移动，以不断变换当前累积区，先前被等离子体束加热熔化的区域以及所累积的熔融原料在温度降低之后会经历软化态。
如图7至图11所示的本发明一种三维打印方法的第二个具体实施例，使用4个独立的电弧对打印体表面的当前累积区周围进行加热。每个电弧直接加热的区域的热量都向周边传导和扩散，形成面积大于电弧直接加热区域的熔池(即打印体表面的熔池二35)，尤其是在4个电弧直接加热区所包围的区域(即当前累积区)产生热量叠加，导致该区域熔化(形成熔池)。4个电弧直接加热的区域是不互相直接连接的，即电弧直接加热区不连贯。
如图7和图8所示的打印头主体部分：主要由电弧发生器阵列26、气流调控座40和固态原料引导装置二30组成，其中：在电弧发生器阵列26下端设置气流调控座40，电弧发生器阵列26喷出的工作气流经过气流调控座40调控之后形成环形气流；电弧发生器阵列26由4个电弧发生器组成，每个电弧发生器都设置有一个气体接口和一个放电电极，4个气体接口构成电弧发生器阵列的气体接口27，4个放电电极构成电弧发生器阵列的电极28。线状固态原料二29经固态原料引导装置二30引导而抵达打印体二36表面。
如图9和图10(图10是图9中虚线框CC所示的区域的放大图)所示的本第二个具体实施例的工作原理：工作气体二38采用氩气(惰性气体)，从电弧发生器阵列的气体接口27进入电弧发生器阵列26(如箭头F2所示)，之后经过气流调控座40喷出并形成环形气流，环形气流将电弧发生器阵列的电极28、打印体表面的熔池二35、熔融原料二32、未固化的部分二33覆盖住；将电弧发生器阵列的电极28与电弧发生器阵列控制电路39的负极连接，打印体二36与电弧发生器阵列控制电路39的正极连接(打印体二36相当于普通焊接领域的氩弧焊当中的“工件”)；环形气流将电弧发生器阵列的电极28产生的电弧阵列37分布于熔融原料二32周围，电弧阵列37不接触到熔融原料二32；在线状固态原料二29经过固态原料引导装置二30、沿着箭头D3所示的方向往打印体表面的熔池二35移动的同时，打印头与线状固态原料二29一起整体往箭头D4所示的方向移动，电弧阵列37跟随打印头一起移动(导致打印体表面的熔池二35也跟随移动)，并且电阻加热电路二31处于工作状态，持续产生熔融原料二32并持续在打印体表面的熔池二35上累积；先前在打印体上累积的熔融原料在温度降低之后形成正在累积的层的已固化的部分二34；在介于熔融原料二32与正在累积的层的已固化的部分二34之间存在未固化的部分二33，这是一个过渡区，该过渡区内存在软化区。
如图11所示的本第二个具体实施的打印体上的当前累积区二21、电弧直接加热的区域22和电弧的加热区域23在打印体表面上的位置关系：电弧对打印体表面的加热区域包括电弧的加热区域23及其所包围的区域，即：电弧的加热区域23所包围的区域包括打印体上的当前累积区二21和电弧直接加热的区域22；除了电弧直接加热的区域22，其它区域通过热传导的方式加热，即间接加热。电弧直接加热的区域22由4个更小的且相互靠近的电弧直接加热区组成，每个小的电弧直接加热区的热量会向四周传导和扩散，形成打印体表面的熔池二35，尤其是电弧直接加热的区域22所包围的打印体上的当前累积区二21是4个小的电弧直接加热区所传导热量的叠加区，在打印体上的当前累积区二21形成可靠的熔融区。通过调节电弧发生器阵列26的总体功率，可在打印体表面形成薄熔化层。对于本第二个具体实施而言，熔融原料通过电阻加热方式在打印体上的当前累积区二21(属于熔池的一部分)上表面实时生成，并不需要深的熔池，微米厚度的熔化层/熔池就能满足需求，这样可有效地保护先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构。
如图12至图13所示的本发明一种三维打印方法的第三个具体实施例，与本发明一种三维打印方法的第一个具体实施例仅有少量区别：熔融原料三43不是通过电阻加热方式生成，环形等离子体束三42与线状固态原料三41发生少量接触，接触区(图13所示的环形等离子体束与线状固态原料的接触区域48)位于线状固态原料三41下端边缘的与打印体三46(打印体表面的熔池三44)的相邻区，线状固态原料三41通过此接触区从环形等离子体束三42获得热量并被熔化形成熔融原料三43；打印体表面的熔池三44传导给线状固态原料三41的热量也参与熔融原料三43的生成；电阻加热电路三45在不需要产生熔融原料时施加瞬间强电流，将线状固态原料三41与熔融原料三43之间瞬间熔断，以将两者分离；电阻加热电路三45还监测线状固态原料三41与打印体三46之间的接触状态，通过两者之间是否存在电气连接来判断。环形等离子体束三42与线状固态原料三41发生少量接触，该接触面积与环形等离子体束三42打印体三46接触面积之比需要通过多次实测而获得，或者说环形等离子体束三42用于直接加热线状固态原料三41以生成熔融原料三43的能量与环形等离子体束三42用于直接加热打印体三46以生成打印体表面的熔池三44的能量之比是需要经过实际测试获得的。非离子化的工作气体47形成保护气氛，非离子化的工作气体47的来源：未被电离的工作气体和环形等离子体束三42的阴阳离子复合之后形成的中性工作气体。在本第三个具体实施例中，当参数为：线状固态原料三41的直径为1mm、线状固态原料三41的递进量为50mm/s、打印头的移动速率为50mm/s、材料为316不锈钢、环形等离子体束三42在打印体三46上的直接加热区(环形)的外径为5mm、打印体三46为长100mm*宽100mm*高50mm的方块、打印体的当前累积区位于打印体三46上表面的中心位置、打印体三46的整体基础温度平均300℃，环形等离子体束三42弧压80V、电流80A，那么：环形等离子体束三42用于直接加热线状固态原料三41以生成熔融原料三43的能量与环形等离子体束三42用于直接加热打印体三46以生成打印体表面的熔池三44的能量之比，大约为1：6。
图12中的箭头D6表示线状固态原料三41往打印体三46递进，箭头F3表示工作气体的流向。
在本第三个具体实施例中，打印体表面的熔池三44的生成并不是依靠环形等离子体束三42穿透线状固态原料三41往下传导的能量，并且环形等离子体束三42对打印体三46的直接加热时为环形加热，确保生成的熔融原料三43始终位于该环形直接加热区内部中心区域，因而，可以确保：打印头在打印体三46表面上往任何一个方向移动和累积熔融原料时，熔融原料三43始终累积在打印体表面的熔池三44上。这样不需要复杂的控制系统，并且可靠性极高。
本发明的“使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热”这种加热方式，即不对打印体的正在累积熔融原料的区域直接加热，可以实现在该区域上面存在原料的情况下，加热能量不透过原料的前提下对原料下方的累积区进行加热，可以获得许多有益效果。下面列举一些例子：
例1：原料体积小，如果原料是固态的，熔化固态原料所需的能量强度远低于熔化当前累积区所需的能量(当前累积区与打印体其它区域是一体的，打印体如果是热的良导体，例如金属，那么打印体会将当前累积区的热量迅速导走)，如果使用同一个束能量(例如等离子束、或激光束、或电子束)直接从原料上方穿过原料并抵达原料下方的当前累积区，往往会导致加热原料的能量过剩，使原料部分蒸发，并且原料部分蒸发还会对累积后的原料产生气泡/蜂窝状缺陷；如果原料是熔融的，如果使用同一个束能量直接从原料上方穿过原料并抵达原料下方的当前累积区，原料本身已是熔融态，会导致原料产生更严重的蒸发。
例2：利用“电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热”导致在打印体的正在累积熔融原料的区域的热量叠加效应，在降低电弧或等离子体整体加热功率密度的前提下在打印体的正在累积熔融原料的区域形成薄的熔池，这样可有效地保护先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构，与本发明相反的情况是：现有的基于电弧加热或等离子束加热的金属三维成型技术，对先前成型的打印体的薄壁结构或精细结构造成极大破坏，后果就是人们所见到的这些现有技术打印成型的物体非常粗糙。
例3：实现更大面积的加热区和更小的温度梯度，能有效减小应力和减少材料内部的裂纹，与本发明相反的情况是：现有的金属三维成型技术，例如SLM(选择性激光融化)由于激光光斑微小，功率密度极高，导致熔池与周边打印体材料的温差极大，造成材料内部应力极大且裂纹多，需要通过后期的热处理(例如热等静压)来消除这些缺陷。
例4：采用360°环形加热方式，不管打印头在当前成型层平面内往任何方向移动，都能确保打印体上的当前累积区被环形加热区包围并且被有效加热，打印头的移动控制灵活，与打印头相配套的控制系统简单。
例5：采用360°环形加热方式，累积熔融原料后再次加热、使不平整(例如毛刺)区域的表面再次熔融，获得更光滑的表面，线条之间在累积熔融原料的过程中可能融合不完全，再次熔融有利于线条之间融合。
例6：可兼容粉末状固态原料，当引导装置中间的通道换成喷嘴之后，通过气流携带粉末原料，往当前累积区上面喷射粉末原料，粉末原料黏附在熔融态的当前累积区上，之后再被环状等离子体束或环形电弧再次加热，确保粉末原料与打印体完全融合。
例7：产生熔融原料的加热能量与产生打印体表面的熔池的加热能量互相独立，可以实现灵活的成型过程，容易实现高熔点、高导热率的材料的打印。
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 (15)

1.一种三维打印方法，其主要过程为：将固态原料熔化获得熔融原料，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体的基础上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料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；
其特征在于：
使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热；打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，所述电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的热量使得在所述打印体上形成熔池，所述当前累积区位于所述熔池，所述熔融原料在所述当前累积区上累积；其中，所述的包围是指完全包围，所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热的区域，其形状是环形。
2.根据权利要求1所述的三维打印方法，其特征在于：
在所述的三维打印的过程中，所述的固态原料往打印体的所述当前累积区移动，固态原料不被所述的电弧或等离子体加热熔化；在所述的三维打印的过程中，固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的固态原料为导电性材料；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料。
3.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，所述的直接加热是指电弧或等离子体弧的弧柱区或弧根直接作用在或直接接触到所述的打印体的正在累积熔融原料的区域的周围；或者，
所述的直接加热还指电弧或等离子体不对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热，即电弧或等离子体的主体部分不到达打印体的正在累积熔融原料的区域。
4.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的打印体包括所要打印的目的物体和成型过程所需的辅助性结构。
5.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述固态原料为能导电的线状固态原料。
6.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过旋转气流或不旋转的气流控制电弧或等离子体形成环形电弧或环形等离子体束，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热；固态原料经过所述环形电弧或环形等离子体束时不被所述的电弧或等离子体加热熔化；或者，
固态原料经过所述环形电弧或环形等离子体束时与所述的的电弧或等离子体部分接触而被所述的电弧或等离子体加热熔化。
7.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
在三维打印过程中，打印体逐层累积成型，所述的直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位转换为将来的熔融原料累积区，直接加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位定义为即将累积区；设定即将累积区与当前累积区的在当前成型层平面内的距离为L，当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率为V，L与V之比为t，即L/V＝t，当前累积区由熔融状态转变为非熔融状态所需的时间T；当t<T时，在即将累积区转变为当前累积区时可依赖其先前携带的热量而保持熔融状态，位于当前累积区周围的直接加热区向当前累积区传导的热量叠加在已经处于熔融状态的当前累积区上；通过调节当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率V和调节电弧或等离子体对打印体的加热功率来调节当前累积区的温度或熔融状态。
8.根据权利要求2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的固态原料与打印体之间存在电气连接，是指固态原料与打印体被接入同一个电路，且固态原料与打印体在电路中为串联关系。
9.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过磁场控制电弧或等离子体弧产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热。
10.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
所述的使用电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，是通过磁场控制电弧或等离子体弧产生旋转的电弧或旋转的等离子体弧，实现对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，避开对打印体的正在累积熔融原料的区域进行直接加热；电弧或等离子体弧是通过在环形的放电电极或中空的放电电极与打印体之间放电形成；固态原料穿过环形的放电电极或中空的放电电极内的空间往打印体移动，固态原料在往打印体的当前累积区移动的过程中，不被电弧或等离子体加热熔化。
11.根据权利要求1或2所述的三维打印方法，其特征在于：
在打印体的被电弧或等离子体直接加热区的外围喷射环形气流，利用环形气流冲击直接加热区域周围附近的软化区。
12.一种用于实现权利要求1所述的三维打印方法的三维打印设备，包括用于放置熔融原料的成型区，熔融原料在所述成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体的基础上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料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；
其特征在于：
还包括电弧发生器或等离子发生器，所述电弧发生器或等离子发生器的电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热，打印体的被电弧或等离子体直接加热区包围的区域即当前累积区，所述电弧或等离子体对打印体的正在累积熔融原料的区域的周围进行直接加热的热量使得所述打印体上形成熔池，所述当前累积区位于所述熔池，所述熔融原料在所述当前累积区上累积；其中，所述的包围是指完全包围，所述的打印体的被电弧或等离子体直接加热的区域，其形状是环形。
13.根据权利要求12所述的三维打印设备，其特征在于：
所述的固态原料往打印体的所述当前累积区移动过程中不被所述的电弧或等离子体加热熔化；所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的固态原料为导电性材料；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料。
14.根据权利要求12或13所述的三维打印设备，其特征在于：
所述等离子发生器包括采用环形中空结构的等离子体炬和设于所述等离子体炬内部的环形气体通路、环形电极、涡流环，所述等离子体炬上设有气流入口和环形喷嘴，所述环形喷嘴内的空间为圆环形，即从所述环形喷嘴喷出的气流为环形气流；工作气体从气流入口进入等离子体炬内，流经所述涡流环后在等离子体炬内部的所述环形气体通路形成旋转的气流，旋转的气流带动等离子弧旋转，旋转的等离子弧经所述环形喷嘴喷出形成环形等离子体束，从而在打印体表面产生圆环形的所述直接加热区；
所述固态原料为能导电的线状固态原料，还包括一用于对所述线状固态原料的移动进行引导的固态原料引导装置，所述线状固态原料经所述固态原料引导装置的引导而抵达打印体的表面，所述环形等离子体束所包围的空间作为所述线状固态原料离开固态原料引导装置之后的通路；
线状固态原料经过该通路的过程中不被环形等离子体束加热熔化，保持固态；所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料，或者，
线状固态原料经过该通路的过程中被环形等离子体束加热熔化，环形等离子体束与线状固态原料发生少量接触，环形等离子体束与线状固态原料的接触区域位于线状固态原料下端边缘的与打印体的相邻区，线状固态原料通过所述接触区域从环形等离子体束获得热量并被熔化形成熔融原料；打印体表面的所述熔池传导给线状固态原料的热量也参与熔融原料的生成；通过电阻加热电路在不需要产生熔融原料时施加瞬间强电流，将所述线状固态原料与熔融原料之间瞬间熔断，以将两者分离；所述电阻加热电路还监测线状固态原料与打印体之间的接触状态，通过所述线状固态原料与打印体两者之间是否存在电气连接来判断。
15.根据权利要求12或13所述的三维打印设备，其特征在于：
所述固态原料为能导电的线状固态原料，所述电弧发生器设有若干个并沿周向间隔布置的电极阵列，还包括气流调控座和用于对所述线状固态原料的移动进行引导的固态原料引导装置，所述线状固态原料经所述固态原料引导装置的引导而抵达打印体的表面；
所述气流调控座设置在所述电弧发生器的下端，电弧发生器喷出的工作气流经过所述气流调控座调控之后形成环形气流；
所述环形气流将所述电弧发生器的电极阵列、打印体表面的熔池、熔融原料、未固化的部分覆盖住；环形气流将电弧发生器的电极阵列产生的电弧阵列分布于熔融原料的周围，电弧阵列不接触到熔融原料；
所述固态原料与打印体之间设置有电气连接，在固态原料与所述打印体的当前累积区之间施加电流，通过电阻加热的方式将固态原料的与所述打印体的当前累积区相接触的部位或者相连的部位加热熔化；所述的相接触是指固态原料在熔化前直接与所述打印体的当前累积区发生接触；所述的相连是指固态原料在熔化前不与所述打印体的当前累积区发生直接接触，固态原料在熔化前通过先前产生的熔融原料与所述打印体的当前累积区发生接触，即在所述固态原料与所述打印体的当前累积区之间存在先前产生的熔融原料。
CN201911419790.6A 2019-10-18 2019-12-31 一种三维打印方法及三维打印设备 Active CN110918996B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2020/092877 WO2021073107A1 (zh) 2019-10-18 2020-05-28 三维打印方法及三维打印设备

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2019109929800 2019-10-18
CN201910992980.0A CN110523990A (zh) 2019-10-18 2019-10-18 一种三维打印方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110918996A CN110918996A (zh) 2020-03-27
CN110918996B true CN110918996B (zh) 2022-03-22

Family

ID=68672075

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910992980.0A Pending CN110523990A (zh) 2019-10-18 2019-10-18 一种三维打印方法
CN201911419790.6A Active CN110918996B (zh) 2019-10-18 2019-12-31 一种三维打印方法及三维打印设备
CN202011114075.4A Active CN112024885B (zh) 2019-10-18 2020-10-18 一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910992980.0A Pending CN110523990A (zh) 2019-10-18 2019-10-18 一种三维打印方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011114075.4A Active CN112024885B (zh) 2019-10-18 2020-10-18 一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备

Country Status (2)

Country Link
CN (3) CN110523990A (zh)
WO (1) WO2021073107A1 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110523990A (zh) * 2019-10-18 2019-12-03 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种三维打印方法
CN111014677B (zh) * 2019-10-18 2021-10-22 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法
CN111545752B (zh) * 2020-05-19 2022-09-30 江苏天启医疗科技有限公司 大型金属合金薄壁件的3d粗成型方法及系统
CN111761787A (zh) * 2020-07-10 2020-10-13 安徽省力天新材料股份有限公司 一种多工位同步注塑装置
CN111958090A (zh) * 2020-08-12 2020-11-20 苏州鑫之博科技有限公司 一种等离子电弧增材装置及增材方法
CN112296343B (zh) * 2020-09-04 2023-05-26 武汉科技大学 一种空心电极熔炼制备超细金属粉末的方法
CN112059386B (zh) * 2020-09-08 2021-12-31 湘潭大学 一种控制熔丝沉积熔池状态的方法
CN112388315B (zh) * 2020-11-02 2022-02-15 中国航空制造技术研究院 一种金属结构件的制备装置及方法
CN113134670B (zh) * 2021-04-27 2022-10-25 哈尔滨工业大学 一种增材加工设备及加工方法
CN113580568A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 南京工业大学 一种等离子体纳米增材制造装置
CN115319107A (zh) * 2021-12-07 2022-11-11 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种结合激光清洗的三维打印方法
WO2023244676A1 (en) * 2022-06-16 2023-12-21 Applied Materials, Inc. Stackable plasma source for plasma processing
CN115213432A (zh) * 2022-07-22 2022-10-21 南京航空航天大学 一种基于旋转周向电磁场辅助的丝粉混合电弧增材装置和方法
CN115430846A (zh) * 2022-09-30 2022-12-06 江苏理工学院 一种可熔化极氩弧焊3d打印增材装置及方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6365867B1 (en) * 2000-11-01 2002-04-02 Sandia Corporation Plasma arc torch with coaxial wire feed
US20090107958A1 (en) * 2007-10-26 2009-04-30 Gm Globaltechnology Operations, Inc. Torch and Contact Tip for Gas Metal Arc Welding
CN101347861B (zh) * 2008-08-29 2011-06-08 重庆大学 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法及装置
DE102010055201A1 (de) * 2010-12-20 2012-06-21 Eads Deutschland Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
US9902018B2 (en) * 2012-05-25 2018-02-27 European Space Agency Multi-wire feeder method and system for alloy sample formation and additive manufacturing
CN104244557B (zh) * 2014-08-11 2017-02-15 北京交通大学 一种气氛保护同轴送粉等离子枪
WO2016051163A1 (en) * 2014-10-01 2016-04-07 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
KR20160125614A (ko) * 2015-04-22 2016-11-01 주식회사 엔터봇 3d 프린터용 압출기의 온도조절장치
CN106283033A (zh) * 2015-05-29 2017-01-04 山东科技大学 一种三阴级转移弧等离子束精细熔覆的方法
CN105034394B (zh) * 2015-06-26 2017-06-20 西安交通大学 一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法
US20170016333A1 (en) * 2015-07-16 2017-01-19 Siemens Energy, Inc. Flux mediated deposition of metallic glass
CN206029035U (zh) * 2016-08-31 2017-03-22 成都真火科技有限公司 一种层流电弧等离子体焊接枪
CN106513682B (zh) * 2016-09-19 2019-02-15 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种用于三维打印的液态原料喷射方法及其装置
CN106965421B (zh) * 2017-04-29 2020-10-20 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种三维打印方法
US10661343B2 (en) * 2017-05-02 2020-05-26 Additec Additive Technologies, LLC Smart additive manufacturing device
CN107344418A (zh) * 2017-08-24 2017-11-14 浙江万里扬股份有限公司 3d打印机热床、3d打印机和加热控制方法
CN108436084B (zh) * 2018-04-24 2020-12-01 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种三维打印方法
CN208395276U (zh) * 2018-06-15 2019-01-18 株洲辉锐增材制造技术有限公司 一种平面类金属零件超高速熔覆系统
CN109676138B (zh) * 2019-02-26 2021-04-20 重庆理工大学 一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法
CN110523990A (zh) * 2019-10-18 2019-12-03 南京钛陶智能系统有限责任公司 一种三维打印方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021073107A1 (zh) 2021-04-22
CN110523990A (zh) 2019-12-03
CN110918996A (zh) 2020-03-27
CN112024885B (zh) 2023-04-18
CN112024885A (zh) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110918996B (zh) 一种三维打印方法及三维打印设备
CN111014677B (zh) 一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法
KR101984142B1 (ko) 임의 형상 제작에 의해 금속 물품들을 제조하기 위한 방법 및 배열체
KR101812841B1 (ko) 분무화된 금속 및 합금으로부터 생성물을 형성하기 위한 방법 및 장치
US20180141151A1 (en) Method and apparatus for metal three-dimensional printing
WO2018196868A1 (zh) 一种三维打印方法
US20240278324A1 (en) Method and apparatus for producing high purity spherical metallic powders at high production rates from one or two wires
US10994371B2 (en) System and method for depositing a metal to form a three-dimensional part
WO2019205508A1 (zh) 一种三维打印方法
CN109746546A (zh) 一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备
CN104493166A (zh) 利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法
WO2018050109A1 (zh) 一种用于三维打印的液态原料喷射方法及其装置
CN107971492B (zh) 一种用于三维打印的熔融原料生成方法
RU2751609C1 (ru) Способ и устройство для получения порошков для аддитивных технологий
CN110860691A (zh) 等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3d打印喷头
CN115625339A (zh) 一种采用射频等离子制备球形粉末的装置及方法
EA035505B1 (ru) Узел токоподводящего наконечника с жидкостным охлаждением для наплавления металла
JP2002253953A (ja) 超微粒子の製造装置および製造方法
GB2586497A (en) Plasma constriction nozzle
JP2001003151A (ja) プラズマ溶射装置
CN107914012A (zh) 一种用于难熔金属件的3d打印的方法
WO2019007808A1 (en) PLASMA TORCH SYSTEM
CN212350368U (zh) 一种针尖放电金属粉体3d打印机
RU205453U1 (ru) Устройство для получения порошков для аддитивных технологий
TWM519023U (zh) 圓球形金屬粉末製造裝置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant