CN111055036B - 一种金属增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属增材制造方法，包括：对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层；根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目；以及根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印。本发明通过使用块状金属作为耗材，从而能够实现零件的快速生产，且由于每一切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目可以根据具体情况进行设定，从而本发明可以适用于各类尺寸的零件的打印。此外，本发明通过使用块状金属作为耗材，可以使得打印出来的零件具有良好的表面质量，且打印出来的零件精度高、变形小。

Description

一种金属增材制造方法

技术领域

本发明涉及金属零件成形制造技术领域，特别涉及一种金属增材制造方法。

背景技术

增材制造技术是基于离散-堆积原理、根据零件三维数字模型、采用材料逐层累加的方法直接制造实体零件的数字化制造技术，又称“3D打印技术”。该方法的优点是：无需传统的刀具即可实现自由成形，降低了生产工序和制造周期，适于低成本小批量产品制造，特别适合结构复杂、原材料附加值高的产品的制造。早期的快速原型制造、三维打印、实体自由制造技术等主要是非金属的原型或模型制造；现在，金属增材制造技术则是各国科学研究的重点和制造业发展的新趋势；各类金属焊接和熔敷技术都可以用于进行金属的增材制造，常用的金属增材制造技术有激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。

现在的金属增材制造技术还存在以下问题：

(1)无论是激光增材制造技术还是电弧增材制造技术，都是连续热态堆焊过程；其热源连续输入，使热输入量较大，基体处于过热状态，容易产生较大的热应力和粗大的晶粒组织，导致零件出现热变形和内部缺陷，使增材制造零件的成形精度和各项性能无法保证；这是制约金属增材制造技术发展和应用的重要问题。

(2)在连续电弧增材制造过程中，由于热量积累和散热条件的影响，起弧段焊缝的质量和成形与收弧段焊缝明显不同，使焊缝成形和质量控制比较困难；对焊缝连续性的要求也给制造过程中的路径规划造成了困难。

(3)对一些易氧化的金属如钛合金在受热时非常容易氧化，在进行热态堆焊增材制造时必需采用充分的气保护措施，提高了生产成本，也降低了灵活性。

(4)通常状况下，块状金属难以直接焊接或者粘接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属增材制造方法，可以使用块状金属作为耗材，能够实现快速生产，且打印的零件表面质量良好，精度高，变形小，适用于各类尺寸的零件的打印。

为达到上述目的，本发明提供一种金属增材制造方法，包括：

对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层；

根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目；以及

根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用超高真空冷焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用超高真空冷焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A1、分别对金属基板和金属块进行预处理，以去除所述金属基板和所述金属块表面的氧化膜，所述金属基板的材质与所述金属块的材质相同；

步骤B1、在超高真空环境下，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到所述金属基板上并对所述金属块施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块之间以及所述金属块与所述金属基板之间发生超真空冷焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤C1、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块之间发生超真空冷焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤D1、重复步骤C1，直至当前切片层为最后一层切片层。

可选的，对于所述步骤B1和所述步骤C1，均采用机械臂机构移动所述金属块并对所述金属块施压，所述机械臂机构包括X向力臂、Y向力臂、Z向力臂和抓手，所述X向力臂、Y向力臂和Z向力臂均与所述抓手相连，所述X向力臂，用于沿X向移动所述金属块并能够对所述金属块施加X向的压力，所述Y向力臂，用于沿Y向移动所述金属块并能够对所述金属块施加Y向的压力，所述Z向力臂用于沿Z向移动所述金属块并能够向所述金属块施加Z向的压力，所述机械臂机构与所述金属块之间无冷焊效应。

可选的，所述抓手为隔板，所述金属块的材质为顺磁性材料，所述隔板内设有电磁铁，所述隔板与所述金属块之间无冷焊效应。

可选的，所述抓手包括相互配合的托盘和辅助托盘，所述托盘和所述辅助托盘与所述金属块之间均无冷焊效应，相互配合的托盘和辅助托盘能够用于卡持所述金属块，所述托盘用于举托所述金属块。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

根据所需的金属块的形状尺寸和数目，采用电阻对焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用电阻对焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A2、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到金属基板上并对所述金属块施加一定的预应力，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间相互压紧，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B2、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块施加一定的预应力，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间相互压紧，接通电源，以使得相接触的所述金属块之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C2、重复步骤B2，直至当前切片层为最后一层切片层。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用闪光对焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

可选的，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用闪光对焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A3、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到所述金属基板上，在所述金属块与所述金属基板接触之前或/和所述金属块与相邻的金属块接触之前，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及所述金属块和与其相邻的金属块之间产生电阻热，当加热到一定时间后，对所述金属块施加一定的压力，实现闪光对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B3、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到所述基板上，在所述在所述金属块与所述金属基板接触之前或/和所述金属块与相邻的金属块接触之前，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及两所述金属块之间产生电阻热，实现闪光对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C3、重复步骤B3，直至当前切片层为最后一层切片层。

可选的，采用机械臂机构移动所述金属块并对所述金属块施加，所述机械臂机构包括X向力臂、Y向力臂、Z向力臂和抓手，所述X向力臂、Y向力臂和Z向力臂均与所述抓手相连，所述X向力臂用于沿X向移动所述金属块并能够对所述金属块施加X向的压力，所述Y向力臂，用于沿Y向移动所述金属块并能够对所述金属块施加Y向的压力，所述Z向力臂用于沿Z向移动所述金属块并能够向所述金属块施加Z向的压力，所述抓手的材质为导电材料，所述抓手与电源的一极相连，所述金属基板与电源的另一极相连。

与现有技术相比，本发明提供的金属增材制造方法具有以下优点：本发明提供的金属增材制造方法，通过对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层，再根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，最后根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印。由此可见，本发明通过使用块状金属作为耗材，从而能够实现零件的快速生产，且由于每一切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目可以根据具体情况进行设定，从而本发明可以适用于各类尺寸的零件的打印。此外，本发明通过使用块状金属作为耗材，可以使得打印出来的零件具有良好的表面质量，且打印出来的零件精度高、变形小。

附图说明

图1为本发明一实施方式中的金属增材制造方法的流程图；

图2为本发明第一种实施方式中的金属块的结构示意图；

图3为本发明第二种实施方式中的金属块的结构示意图；

图4为本发明第三种实施方式中的金属块的结构示意图；

图5为本发明第四种实施方式中的金属块的结构示意图；

图6为本发明第五种实施方式中的金属块的结构示意图；

图7为本发明一实施方式中的多个金属块堆叠在一起时的结构示意图

图8为本发明一实施方式中的采用超高真空冷焊的金属增材制造的示意图；

图9为本发明另一实施方式中的采用超高真空冷焊的金属增材制造的示意图；

图10为本发明一实施方式中的采用闪光对焊或电阻对焊的金属增材制造的示意图；

图11为本发明另一实施方式中的采用闪光对焊或电阻对焊的金属增材制造的示意图；

图12为本发明一实施方式中的抓手与金属块相配合时的结构示意图；

图13为本发明另一实施方式中的抓手与金属块相配合时的结构示意图。

其中，附图标记如下：

金属块-10；金属基板-20；X向力臂-31；Y向力臂-32；Z向力臂-33；抓手-34；托盘-341；辅助托盘-342；电源-41；开关-42。

具体实施方式

以下结合附图1至13和具体实施方式对本发明提出的金属增材制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的核心思想在于提供一种金属增材制造方法，可以使用块状金属作为耗材，能够实现快速生产，且打印的零件表面质量良好，精度高，变形小，适用于各类尺寸的零件的打印。

为实现上述思想，本发明提供一种金属增材制造方法，请参考图1，其示意性地给出了本发明一实施方式中的金属增材制造方法的流程图。如图1所示，所述金属增材制造方法包括如下步骤：

步骤S100：对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层。

优选的，在本步骤中，对建立好的三维模型沿Z轴方向自下而上进行切片分层，各个切片层的厚度可以相同也可以不同，由此可以将预增材制造的成型件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息。需要说明的是，在其他实施方式中，也可以对建立好的三维模型Z轴方向自上而下进行切片分层，本发明对此并不进行限制。

步骤S200：根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目。

优选的，在本步骤中，对每一所述切片层，沿X轴方向自左而右，沿Y轴方向自后而前进行分块，从而确定每一所述切片层所需的金属块10的形状尺寸和各自对应的数目，在每一所述切片层中，所需的金属块10可以为同一形状尺寸的金属块10，也可以为不同形状尺寸的金属块10，不同的切片层所需的金属块10的形状尺寸可以相同也可以不同。

请参考图2至图6，其中图2示意性地给出了本发明第一种实施方式中的金属块10的结构示意图，图3示意性地给出了本发明第二种实施方式中的金属块10的结构示意图，图4示意性地给出了本发明第三种实施方式中的金属块10的结构示意图，图5示意性地给出了本发明第四种实施方式中的金属块10的结构示意图，图6示意新地给出了本发明第五种实施方式中的金属块10的结构示意图。如图2至图6所示，在第一种实施方式中，所述金属块10为正方体金属块10；在第二种实施方式中，所述金属块10为圆角立方体金属块10；在第三种实施方式中，所述金属块10为单凸面接触金属块10，且每个凸面均为平面；在第四种实施方式中，所述金属块10为单凸面接触金属块10，且每个凸面均为圆面；在第五种实施方式中，所述金属块10为多凸面接触金属块10。请参考图7，其示意性地给出了本发明一实施方式中的多个金属块10堆叠后的结构示意图，如图7所示，图中的金属块10为本发明第四种实施方式中的金属块10，即所述金属块10为单凸面接触金属块，相接触的两金属块10之间的接触面为单凸面。

需要说明的是，在其他实施方式中，所述金属块10的形状还可以为其他形状，例如直角三角形楔块或正三角形楔块、三棱锥或三棱柱、六面体或八面体等等，本发明对此并不进行限制。所述金属块10的形状可以任意设置，只要能够在空间上实现密排即可。

步骤S300：根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印。

由此，在本步骤中，根据每一层所需的金属块10的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印，从而完成对预增材制造的成型件的打印。

优选的，在一实施方式中，所述步骤S300具体为：根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用超高真空冷焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

超高真空冷焊是在超高真空下发生于固体和固体表面接触过程中的一种物理现象。超高真空冷焊现象的基本机理是指：在超高真空条件下，当固体表面所吸附的气体逸出，各种有机污染膜解析消失，多个固体表面相互接触时，分子便会相互扩散发生不同程度的粘合现象，称为附着、粘着。如果表面达到原子级的清洁程度，在一定的压力负荷下就会产生进一步整体粘着，即引起超高真空冷焊。

超高真空(一般认为真空度达到10^-6Pa就可能发生冷焊，国标规定小于1.3×10^{- 7}Pa)、相同的金属材料以及一定的压力，是发生冷焊现象的几个要素。在大气环境下，因为各种杂质氧化物及气体的存在，看不到冷焊现象。

对冷焊效应影响较大的因素主要有：环境压力、试件温度、试验表面光洁度污染情况以及试件两接触面是否有相对运动等。环境压力通常变化范围较大，大约为1.33×10^-6～6.70×10^-11Pa。试件温度通常取90～260℃，接触面间的法向压强为0～700N/cm²。对于容易发生真空冷焊的金属材料，要求必须为同种材料。弹性模量大、硬度高的金属不易产生冷焊,延展性好、硬度低的金属容易发生冷焊。

优选的，所述步骤S300具体包括如下步骤：

步骤A1、分别对金属基板20和金属块10进行预处理，以去除所述金属基板20和所述金属块10表面的氧化膜，所述金属基板20的材质与所述金属块10的材质相同；

步骤B1、在超高真空环境下，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块10移动到所述金属基板20上并对所述金属块10施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块10之间以及所述金属块10与所述金属基板20之间发生超真空冷焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤C1、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块10移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块10施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块10之间发生超真空冷焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤D1、重复步骤C1，直至当前切片层为最后一层切片层。

所述金属基板20能够为金属增材制造过程中的起始打印过程提供支撑。在步骤A1中，通过对金属基板20和所述金属块10进行预处理，从而可以去除所述金属基板20和所述金属块10表面的氧化膜，从而使得所述金属基板20和所述金属块10的表面达到原子清洁程度。由于同种材料在真空环境下，更容易发生冷焊，因此所述金属基板20和所述金属块10采用同一种材料制成。

优选的，对于步骤B1和步骤C1，金属基板20或整个打印环境里设有控温装置，从而可以对金属基板20和金属块10的真空冷焊温度进行控制。

对于步骤B1和步骤C1，再将金属块10移动到合适位置后，对所述金属块10施加一定的压力并保持一段时间，以使得相接触的金属块10与金属基板20之间或相接触的金属块10之间能够充分的发生超真空冷焊，从而粘着在一起。

优选的，对于所述步骤B1和所述步骤C1，均采用机械臂机构移动所述金属块10并对所述金属块10施压，所述机械臂机构包括X向力臂31、Y向力臂32、Z向力臂33和抓手34，所述X向力臂31、Y向力臂32和Z向力臂33均与所述抓手34相连，所述X向力臂31，用于沿X向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加X向的压力，所述Y向力臂32，用于沿Y向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加Y向的压力，所述Z向力臂33用于沿Z向移动所述金属块10并能够向所述金属块10施加Z向的压力，所述机械臂机构与所述金属块10之间无冷焊效应。需要说明的是，本发明中，所述机械臂机构采用的是现有技术中的机械臂结构，其可以采用丝杠、皮带或齿轮等结构进行驱动，其具体的结构及工作原理均为现有技术，故本发明对此不再进行赘述。

优选的，在所述金属块10和所述金属基板20的可承受范围内，所述机械臂机构施加的压强越大越好。优选的，所述机械臂机构施加的压强不低于100N/cm²。

在采用所述机械臂机构对所述金属块10施压之前，判断所述金属块10此时有几个接触面，进而判断出所述机械臂机构的哪几个力臂需要施压。一个金属块10最多同时存在三个接触面，这三个接触面分别位于X向、Y向和Z向上。若判断出所述金属块10此时有三个接触面，则所述机械臂机构的X向力臂31、Y向力臂32和Z向力臂33同时施压，从而实现三个接触面的冷焊效应；若判断出所述金属块10此时只有一个接触面，则与该接触面对应的力臂对所述金属块10进行施压；若判断出所述金属块10此时有两个接触面，则与所述两个接触面对应的两个力臂对所述金属块10同时进行施压。

优选的，所述机械臂机构能够相对于X轴、Y轴或Z轴进行旋转。由此，所述机械臂机构能够根据所述待移动金属块10所需移动到的位置，进行旋转，以避免别的金属块10对所述机械臂机构的运行轨迹产生干扰。

优选的，请参考图8，其示意性地给出了本发明一实施方式中的采用超高真空冷焊的金属增材制造的示意图。如图8所示，在本实施方式中，所述金属基板20沿水平方向设置，所述抓手34为隔板，所述金属块10的材质为顺磁性材料，所述隔板内设有电磁铁，所述隔板与所述金属块10之间无冷焊效应。由此，通过所述隔板可以吸取金属块10，当所述机械臂机构将所述金属块10移动到需成型的位置后，隔板与所述金属块10之间的吸附力消除，所述机械臂机构的力臂可以隔着所述隔板对所述金属块10施压。

为了使得所述隔板与所述金属块10之间无冷焊效应，所述隔板与所述金属块10可以采用不同的材料制成，例如所述隔板的材质为非金属材质，所述金属块10的材质为铁或铝等顺磁性的材质。此外，还可以通过在所述隔板用于与所述金属块10相接触的面上涂覆具有防真空冷焊效应的涂层，以实现所述隔板与所述金属块10之间无冷焊效应。

优选的，请参考图9，其示意性地给出了本发明另一实施方式中的采用超真空冷焊的金属增材制造的示意图。如图9所示，在本实施方式中，所述金属基板20沿竖直方向布置，所述抓手34包括相互配合的托盘341和辅助托盘342，所述托盘341和所述辅助托盘342与所述金属块10之间均无冷焊效应，相互配合的托盘341和辅助托盘342能够用于卡持所述金属块10，所述托盘341用于举托所述金属块10。由此，通过相互配合的托盘341和辅助托盘342，可以先将待移动的金属块10夹持住，然后将所述辅助托盘342松开，通过所述托盘341可以将所述金属块10托住，再通过所述机械臂机构将所述金属块10移动到需成型的位置。或者通过相互配合的托盘341和辅助托盘342，先将待移动的金属块10夹持住，再通过所述机械臂机构将所述金属块10移动到需成型的位置，最后将所述辅助托盘342松开即可。

为了使得所述托盘341和所述辅助托盘342与所述金属块10之间均无冷焊效应，所述托盘341和所述辅助托盘342可均采用与所述金属块10的材质不同的材料制成。此外，还可以通过在所述托盘341和所述辅助托盘342用于与所述金属块10相接触的面上涂覆具有防真空冷焊效应的涂层，以实现所述托盘341和所述辅助托盘342与所述金属块10之间均无冷焊效应。

需要说明的是，在采用超真空冷焊的金属增材制造方法中，所述抓手34还可以为现有技术中已知的其他结构，例如卡钳、卡盘式结构等等。

优选的，在另一实施方式中，所述步骤S300具体为：根据所需的金属块10的形状尺寸和数目，采用电阻对焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

电阻对焊的原理为：将两工件接触面压紧，通电加热达到热塑性状态时，迅速施加顶锻力完成焊接。接头外形比较匀称，没有毛刺，但焊前端面清理要求较高，仅适用于焊接小断面的工件，例如直径为20毫米以下的棒材或管子。电阻对焊的接触电阻取决于接触面的表面状态、温度和压力。当接触电阻有明显氧化物或其他脏污时，接触电阻就大。温度或者压力的增高，都会因实际接触面积的增大而使接触电子减少。焊接刚刚开始时，接触点上的电流密度很大；端面温度迅速升高后，接触电阻急剧减少。加热到一定温度后，接触电阻完全消失。

优选的，所述步骤S300具体包括如下步骤：

步骤A2、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块10移动到金属基板20上并对所述金属块10施加一定的预应力，以使得所述金属块10与所述金属基板20之间以及相接触的所述金属块10之间相互压紧，接通电源41，以使得所述金属块10与所述金属基板20之间以及相接触的所述金属块10之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B2、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块10移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块10施加一定的预应力，以使得所述金属块10与所述金属基板20之间以及相接触的所述金属块10之间相互压紧，接通电源41，以使得相接触的所述金属块10之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C2、重复步骤B2，直至当前切片层为最后一层切片层。

优选的，在步骤A2和步骤B2中，采用机械臂机构移动所述金属块10并对所述金属块10施加，所述机械臂机构包括X向力臂31、Y向力臂32、Z向力臂33和抓手34，所述X向力臂31、Y向力臂32和Z向力臂33均与所述抓手34相连，所述X向力臂31用于沿X向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加X向的压力，所述Y向力臂32，用于沿Y向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加Y向的压力，所述Z向力臂33用于沿Z向移动所述金属块10并能够向所述金属块10施加Z向的压力，所述抓手34的材质为导电材料，所述抓手34与电源41的一极相连，所述金属基板20与电源41的另一极相连。

优选的，在又一实施方式中，所述步骤S300具体为：根据每一所述切片层所需的金属块10的形状尺寸和对应的数目，采用闪光对焊分别对每一所述切片层依次进行打印。

闪光对焊的工作原理为：将两个工件接上电源41，并使其接触面移近直至接触，产生的电阻热使金属强烈加热而烧化，并以火花形式从接口中射出，当加热到一定程度时，迅速施加压力完成焊接。闪光对焊可将熔化的金属、渣和氧化物从接口中挤出。因此，工件不需要焊前清理。闪光对焊适用于焊各种大小的等截面的重要工件，可以是同种金属或异种金属，尤其适合细丝的对接或特别粗大的金属棒、管或异型材料的对接。如焊接重要的管道、钢轨、锚链、刀具、钢筋等。闪光对焊适用范围广，原则上能铸造的金属材料都可以用闪光对焊焊接。例如低碳钢、高碳钢、合金钢、不锈钢；铝、铜、钛等有色金属及合金；还可以焊接异种合金接各种板件、管件、型材、实心件、刀具等，应用十分广泛，是一种经济、高效率的焊接方法。

优选的，所述步骤S300具体包括如下步骤：

步骤A3、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块10移动到所述金属基板20上，在所述金属块10与所述金属基板20接触之前或/和所述金属块10与相邻的金属块10接触之前，接通电源41，以使得所述金属块10与所述金属基板20之间以及所述金属块10和与其相邻的金属块10之间产生电阻热，当加热到一定时间后，对所述金属块10施加一定的压力，实现闪光对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B3、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块10移动到所述基板上，在所述在所述金属块10与所述金属基板20接触之前或/和所述金属块10与相邻的金属块10接触之前，接通电源41，以使得所述金属块10与所述金属基板20之间以及两所述金属块10之间产生电阻热，实现闪光对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C3、重复步骤B3，直至当前切片层为最后一层切片层。

优选的，在步骤A3和步骤B3中，采用机械臂机构移动所述金属块10并对所述金属块10施加，所述机械臂机构包括X向力臂31、Y向力臂32、Z向力臂33和抓手34，所述X向力臂31、Y向力臂32和Z向力臂33均与所述抓手34相连，所述X向力臂31用于沿X向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加X向的压力，所述Y向力臂32，用于沿Y向移动所述金属块10并能够对所述金属块10施加Y向的压力，所述Z向力臂33用于沿Z向移动所述金属块10并能够向所述金属块10施加Z向的压力，所述抓手34的材质为导电材料，所述抓手34与电源41的一极相连，所述金属基板20与电源41的另一极相连。

请参考图10，其示意性地给出了本发明一实施方式中的采用闪光对焊或电阻对焊的金属增材制造的示意图，如图10所示，在本实施方式中，所述金属基板20沿水平方向设置，所述金属基板20位于所述机械臂机构的下方，所述金属基板20与电源41的负极相连，所述机械臂结构的抓手34与所述电源41的正极相连，当开关42闭合时，电源41接通，当开关42断开时，电源41断开。请参考图11，其示意性地显示了本发明另一实施方式中的采用闪光对焊或电阻对焊的金属增材制造的示意图，如图11所示，所述金属基板20沿水平方向设置，所述金属基板20位于所述机械臂机构的上方，所述金属基板20与电源41的正极相连，所述机械臂结构的抓手34与所述电源41的负极相连，当开关42闭合时，电源41接通，当开关42断开时，电源41断开。

优选的，为了保证闪光对焊或电阻对焊的焊接效果，所述金属基板20与所述金属块10采用同一种材料制成。

优选的，为了进一步保证闪光对焊或电阻对焊的焊接效果，相互接触的金属块10的接触面最好具有相同的面积。

优选的，在接通电源41以实施闪光对焊或电阻对焊之前，判断所述金属块10此时有几个接触面，进而确定对应的焊接参数(电流、电压、时间)。接触面越多，对应的电流、电压、时间等焊接参数越大，接触面越少，对应的电流、电压、时间等焊接参数越小，由此，可以实现最佳的焊接效果。

优选的，所述机械臂机构能够相对于X轴、Y轴或Z轴进行旋转。由此，所述机械臂机构能够根据所述待移动金属块10所需移动到的位置，进行旋转，以避免别的金属块10对所述机械臂机构的运行轨迹产生干扰。

所述抓手34的结构可以根据所要抓取的金属块10的形状进行选择，请参考图12和图13，其中图12示意性地给出了本发明一实施方式中的抓手34与金属块10相配合时的结构示意图，图13示意性地给出了本发明另一实施方式中的抓手34与金属块10相配合时的结构示意图。如图12所示，所述金属块10为单凸面接触金属块10，且每个凸面均为圆面，所述抓手34为三爪卡盘式，由此通过将所述抓手34设置为三爪卡盘的形式可以顺利抓取所述金属块10。如图13所示，所述金属块10为单凸面接触金属块10，且每个凸面均为平面，所述抓手34为卡钳式，由此，通过将所述抓手34设置为卡钳的形式可以顺利抓取所述金属块10。需要说明的是，在其他实施方式中，所述抓手34还可以是导电夹具、导电磁铁或者其他可以抓取金属块10且可以导电的结构，本发明对此并不进行限制。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的金属增材制造方法具有以下优点：本发明提供的金属增材制造方法，通过对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层，再根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，最后根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印。由此可见，本发明通过使用块状金属作为耗材，从而能够实现零件的快速生产，且由于每一切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目可以根据具体情况进行设定，从而本发明可以适用于各类尺寸的零件的打印。此外，本发明通过使用块状金属作为耗材，可以使得打印出来的零件具有良好的表面质量，且打印出来的零件精度高、变形小。

上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种金属增材制造方法，其特征在于，包括：

对预增材制造的成型件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切块分层处理，以获取切片层；

根据每一所述切片层的形状尺寸，确定每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目；以及

根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印；

所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用超高真空冷焊、电阻对焊或闪光对焊分别对每一所述切片层依次进行打印，以使得相接触的所述金属块之间以及所述金属块与金属基板之间相连接。

2.根据权利要求1所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用超高真空冷焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A1、分别对金属基板和金属块进行预处理，以去除所述金属基板和所述金属块表面的氧化膜，所述金属基板的材质与所述金属块的材质相同；

步骤B1、在超高真空环境下，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到所述金属基板上并对所述金属块施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块之间以及所述金属块与所述金属基板之间发生超高真空冷焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤C1、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块施加一定的压力，以使得相接触的所述金属块之间发生超高真空冷焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤D1、重复步骤C1，直至当前切片层为最后一层切片层。

3.根据权利要求2所述的金属增材制造方法，其特征在于，对于所述步骤B1和所述步骤C1，均采用机械臂机构移动所述金属块并对所述金属块施压，所述机械臂机构包括X向力臂、Y向力臂、Z向力臂和抓手，所述X向力臂、Y向力臂和Z向力臂均与所述抓手相连，所述X向力臂，用于沿X向移动所述金属块并能够对所述金属块施加X向的压力，所述Y向力臂，用于沿Y向移动所述金属块并能够对所述金属块施加Y向的压力，所述Z向力臂用于沿Z向移动所述金属块并能够向所述金属块施加Z向的压力，所述机械臂机构与所述金属块之间无冷焊效应。

4.根据权利要求3所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述抓手为隔板，所述金属块的材质为顺磁性材料，所述隔板内设有电磁铁，所述隔板与所述金属块之间无冷焊效应。

5.根据权利要求3所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述抓手包括相互配合的托盘和辅助托盘，所述托盘和所述辅助托盘与所述金属块之间均无冷焊效应，相互配合的托盘和辅助托盘能够用于卡持所述金属块，所述托盘用于举托所述金属块。

6.根据权利要求1所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用电阻对焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A2、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到金属基板上并对所述金属块施加一定的预应力，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间相互压紧，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B2、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到已打印的切片层的表面并对所述金属块施加一定的预应力，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及相接触的所述金属块之间相互压紧，接通电源，以使得相接触的所述金属块之间产生电阻热，实现电阻对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C2、重复步骤B2，直至当前切片层为最后一层切片层。

7.根据权利要求6所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述根据每一所述切片层所需的金属块的形状尺寸和对应的数目，采用闪光对焊分别对每一所述切片层依次进行打印的步骤包括：

步骤A3、按照预先设定好的顺序，依次将用于打印第一切片层的金属块移动到所述金属基板上，在所述金属块与所述金属基板接触之前或/和所述金属块与相邻的金属块接触之前，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及所述金属块和与其相邻的金属块之间产生电阻热，当加热到一定时间后，对所述金属块施加一定的压力，实现闪光对焊，从而完成第一切片层的打印；

步骤B3、将下一切片层作为当前切片层，按照预先设定好的顺序，依次将用于打印当前切片层的金属块移动到所述基板上，在所述金属块与所述金属基板接触之前或/和所述金属块与相邻的金属块接触之前，接通电源，以使得所述金属块与所述金属基板之间以及两所述金属块之间产生电阻热，实现闪光对焊，从而完成当前切片层的打印；以及

步骤C3、重复步骤B3，直至当前切片层为最后一层切片层。

8.根据权利要求6或7所述的金属增材制造方法，其特征在于，采用机械臂机构移动所述金属块并对所述金属块施压，所述机械臂机构包括X向力臂、Y向力臂、Z向力臂和抓手，所述X向力臂、Y向力臂和Z向力臂均与所述抓手相连，所述X向力臂用于沿X向移动所述金属块并能够对所述金属块施加X向的压力，所述Y向力臂，用于沿Y向移动所述金属块并能够对所述金属块施加Y向的压力，所述Z向力臂用于沿Z向移动所述金属块并能够向所述金属块施加Z向的压力，所述抓手的材质为导电材料，所述抓手与电源的一极相连，所述金属基板与电源的另一极相连。

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