一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统的制作方法

本实用新型涉及金属增材制造领域，具体涉及一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统。

背景技术：

增材制造(additive manufacturing，AM)技术是根据CAD/CAM设计，采用逐层累积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它为一种材料累积制造方法。增材制造技术俗称3D打印技术，是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造，其中金属直接成型是增材制造技术中的难点和热点。

目前有多种传统的金属直接成型方法，但均存在缺陷。例如，高能束流增材制造方法具有设备造价高、设备复杂、体积比较庞大、辐射污染、同等功率下成型速度慢等问题；电孤增材制造方法具有大量噪声和弧光污染、成型精度也较差等问题。其它的金属增材制造方法，如直接金属喷墨3D打印方法(以色列3D打印初创企业XJet已经完成样机的研发)，该方法受限于特种金属墨水的配比，适用面狭窄。

基于电阻热熔融堆积成型的金属微细丝增材制造方法，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法。但是，该方法目前应用较少，原因是其层与层之间以及层与基板之间的结合性差，零件内部存在气孔，未融合等问题。此外，成型零件的内应力不能及时释放，容易导致零件应力集中而变形开裂，零件成形缺陷多。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有金属零件增材制造方法存在结合性差、零件内部存在气孔以及零件成形缺陷多的问题，提供一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统。

本实用新型的技术方案是：

一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统，包括送丝机、导电嘴、基板及电源，所述送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴连接，所述电源的负极与基板连接，其特征在于：还包括基板加热组件、局部加热组件和温控系统；所述基板加热组件包括加热装置和第一测温元件，所述加热装置设置在基板上，用于对基板进行加热；所述第一测温元件安装在基板上，用于测量基板的温度；所述局部加热组件包括第二测温元件和加热元件，所述加热元件用于将待打印区域加热，所述第二测温元件用于测量待打印区域的温度，所述温控系统分别与加热装置、第一测温元件、第二测温元件和加热元件连接。

进一步地，所述加热元件设置在导电嘴上。

进一步地，所述加热元件和导电嘴均设置在安装架上。

进一步地，所述加热元件通过连接杆固定在安装架上。

进一步地，所述局部加热组件为非接触式局部加热组件或接触式局部加热组件。

进一步地，所述接触式局部加热组件的第二测温元件为热电阻或热电偶，设置在导电嘴上或与加热元件一体设置。

进一步地，所述非接触式局部加热组件的第二测温元件为红外测温仪或带温度指示的CCD相机。

进一步地，所述加热元件为等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子束加热器、乙炔火焰加热器、钨极氯弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器或介电加热器。

进一步地，所述温控系统为智能PID温控系统。

进一步地，所述第一测温元件为多个，均匀设置在基板的底面或侧面。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本实用新型提供一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统，能局部实现待打印区域的预热处理，使打印局部实现高温环境，有利于层与层之间、层与基板之间的结合，实现高质量的金属3D成形。

2.本实用新型系统通过基板加热组件，可以对金属增材制造过程的组织进行控制和优化，减少和消除内应力，减少零件缺陷的产生，提高打印零件的性能。

附图说明

图1为本实用新型基于接触式局部加热组件的电阻热熔融金属丝材3D打印系统结构示意图；

图2为本实用新型接触式局部加热组件和基板加热组件的结构示意图。

附图标记：1-送丝机，2-导电嘴，3-基板，4-电源，5-加热装置，6-第一测温元件，7-第二测温元件，8-加热元件，9-连接杆，10-温控系统，11-安装架，12-散热器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述：

电阻热熔融堆积成型的增材制造的原理是基于金属丝通电后会产生电阻热，通过电阻热实现金属丝熔融堆覆成型，金属丝通过自动送丝机送入导电嘴，导电嘴连接电源的正极，金属基板连接电源负极，在金属丝的顶端和基板构成回路，通以一定形式的电流，瞬间熔融金属丝端，熔化后金属液滴由于重力和表面张力的作用沉积在基板上，随着基板的移动和不断的递送丝材，在基板上即可形成堆积的金属零件，实现金属增材制造。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统，现有系统主要由送丝机1、导电嘴2、基板3及电源4组成，送丝机1、导电嘴2及基板3由上至下依次设置，电源4的正极与导电嘴2连接，电源4的负极与基板3连接，基于上述现有系统，本实用新型还设置有局部加热组件、基板加热组件和温控系统10。在打印过程中，考虑到基板3面积较大，散热较快，为了节省功率，基板加热组件将打印基板加热并稳定至较低的温度，局部加热组件将待打印小区域范围内迅速加热至较高温度(不同的材料需要的温度范围不同)实现层与层之间的良好结合，提高增材制造金属元件的致密度。零件成形后，基板3继续加热或者保温，进行热处理工艺，消除零件内部应力，减少零件缺陷，控制和改善零件内部晶粒结构，从而提高零件的力学性能。

基板加热组件包括加热装置5和第一测温元件6，加热装置5固定设置在基板3上，用于对基板3进行加热；第一测温元件6安装在基板3上，用于测量基板3的温度。基板加热组件将打印基板3加热，加热温度根据不同金属材料热处理工艺的不同而设定，加热装置5可与基板一体设置，加热装置5可为加热电路和其它加热器件，如加热电阻丝，具体如铁铬铝电阻丝等，只要能够实现加热功能即可。第一测温元件6可为多个，如热电阻，热电偶等，均匀安装在基板3的底面或侧面，用于测量基板3的温度。此外可在基板的下端设置有散热器12。

局部加热组件包括第二测温元件7和加热元件8，如图1所示，加热元件8设置在导电嘴2上，将待打印区域加热。第二测温元件7用于测量待打印区域的温度，也同样设置在导电嘴2上。如图2所示，在其它实施例中，加热元件8可通过连接杆9固定在安装架11上，即加热元件8安装在连接杆9的一端，且靠近导电嘴2的金属丝热熔融端，连接杆9的另一端安装在安装架11上，加热元件8通过导线连接至加热电源。第二测温元件7可与加热元件一体设置。温控系统10分别与加热装置5、第一测温元件6、第二测温元件7和加热元件8连接。

局部加热组件可以为非接触式局部加热组件，由非接触式测温元件、加热元件8构成。非接触式测温元件优选为红外测温仪，也可以是带温度指示的CCD相机；加热元件8是指可以将沉积层加热至所需温度的元件，包括但不限于等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子束加热器、乙炔火焰加热器、钨极氯弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器、介电加热器中的一种；温控系统10一般为智能PID温控系统，也不排除其他温控系统。

局部加热组件也可为接触式局部加热组件，由接触式测温元件、加热元件80构成。接触式测温元件根据不同的测温范围可以选择热电阻，热电偶等热敏元件，可设置在导电嘴2上；加热元件8可以选择各种类型的发热体，优选电热元件，性能可靠经济，可以优选棒体；接触式局部加热组件优势在与测温和控温精准，价格低，体积小，经济实用，缺点因为接触移动时需要克服摩擦力，运动速度有所限制，系统平整度要求较高。

本实用新型一种电阻热熔融金属丝材3D打印系统工作步骤如下：

1)打印开始前，先将基板预热至一定温度，然后启动局部加热组件；

2)通过局部加热组件对待打印区域快速加热至适宜温度，局部预热至高温后，金属丝材通过高效的电阻热熔融后，金属液滴迅速沉积到高温基板，实现基板和第一层的良好冶金结合，后续进一步凝固堆积，实现层与层之间的良好结合，逐层累积，零件堆积成形；

3)在打印过程中加热元件对待热处理区域进行加热，同时，测温元件对待热处理区域的温度进行检测并将温度信号传递给温控系统，温控系统比较待热处理区域的温度与预设热处理温度值的大小，当温控系统判断待热处理区域的温度达到预设热处理温度时，温控系统控制加热元件实时调整加热功率，将待热处理区域的温度保持在预设热处理温度条件下；热处理时间达到工艺需求时，温控系统控制加热元件停止工作，完成热处理，或者控制加热元件调整加热功率，进行下一阶段的热处理。

4)打印形成后，按照各种材料热处理要求，继续一段时间保温处理，消除内应力，打印结束，取出工件。