第二代电阻焊式三维打印机及其使用方法与流程

本发明主要使用在三维打印领域。

背景技术

sls（selectivelasersintering）选区激光烧结技术：sls选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。此方案效果较好，是比较成熟的金属3d打印方法；但是激光器价格昂贵，寿命短，对此方案的普及有一定的消极作用。

mim+fdm，金属注射成形（metalinjectionmolding）结合工艺熔融沉积制造（fuseddepositionmodeling）：该方法将金属材料与粘结剂预先制成丝材（filament），通过3d打印机直接打印成型为毛胚，再经过脱脂和烧结就可以得到金属产品。此方案较为廉价，但是烧结时，产品容易变形，容易丢失细节。

jouleprinting（焦耳打印）金属增材制造技术：将打印用的金属丝移动到了正确的位置后，系统就让电流依次通过金属丝、正在打印的工件和打印平台。电流产生了焦耳热，将金属丝和正在打印的工件焊在一起。加热耗材金属丝的原理和电流通过电热丝发热一样；只不过，耗材的电阻率低，电流更大。此方案比较新颖，但是电能利用率不好，当电流通过金属丝时，金属丝整体发热；而实际上仅仅需要金属丝和已经打印的工件接触的地方发热即可。

电阻焊式三维打印机（申请号2017106796386）：先在工作台上铺一层导电粉末材料，然后在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分用电阻焊的方式固化粉末，然后不断循环，层层堆积成型。此方法打印金属成本低、节省能耗，但是仍然有如下缺点：1速度慢：这是3d打印技术较为普遍的缺点。2粉末污染：人工补充粉末耗材、机器铺粉等操作时，极少量的耗材粉末会被扬起，悬浮于空气中。3除非选择不同的材料，否则无法控制打印物体的密度。仍然需要改进。

技术实现要素：

本发明提供一种快速的三维打印技术。该三维打印机可以有效减少粉末污染，控制打印物体的密度，打印非金属等材料。

本发明通过增加打印用电极的数量，提高打印速度。电阻焊式三维打印，最重要的特点就是打印头结构十分简单，实际上就是特殊材料的电极（金属/非金属导电棒）；电路部分，可以简单的理解成可控开关。其结构简单和成本低廉的优势，使得大量的复制成为可能。随着电极数量的增加，在三维打印机机械移动部分的移动范围一定的情况下，打印机的打印范围将增加；或者减少机械移动部分的移动范围，打印范围保持不变，打印速度提高；也可以将上述两种情况结合，适当减少机械移动部分的移动范围，打印范围因为电极数量增加而增加，打印速度也有所提升。多电极的打印头，所有电极并不一定同时工作，需要用软件计算好打印头的路径，让尽量多的电极同时工作，打印头走过的路程最短；或者当电极数量足够多时，打印头在一个小方格内移动，此时即可保证打印平面内的每个点，都有电极经过，并根据打印图纸开通或者断开电极的电流。

电阻焊多电极和sls多激光器，fdm多打印头虽然概念相似，但是内容完全不同。从数量上看，本发明电阻焊电极最少也是10×10=100个，实际上更多。而sls激光器，fdm多打印头，数量远少于100，甚至是差一个数量级还多，10个都不到。从结构和成本上看，电阻焊多电极也占有明显优势。

当电极成二维矩阵分布，打印水平范围为矩形时，电极数量分布、打印范围、打印头移动的范围满足如下的两个公式：打印头x轴的移动范围=打印范围的x方向尺寸÷x轴方向上的电极数量，打印头y轴的移动范围=打印范围的y方向尺寸÷y轴方向上的电极数量。

上面描述的情况电极密度低于一层“体素”密度；但是作为一种极限情况，电极的数量和一层“体素”的数量相等、电极和一层体素同样分布。这种情况下，打印时不需要水平移动打印头，打印一层的工作可以在瞬间完成，打印头相对于活塞只做竖直方向上的提升；不但提高了打印速度，而且简化了三维打印机的机械移动部分。这种一次打印一层的方式，其速度甚至超过了普通的二维打印。整个打印过程，除了铺粉操作以外，打印头和活塞仅做相对的上下运动。也就是说，相比传统的三维移动打印头的方式，本发明仅需要一维移动即可。

这里说的体素（voxel），是体积元素（volumepixel）的简称，包含体素的立体可以通过立体渲染或者提取给定阈值轮廓的多边形等值面表现出来。一如其名，是数字数据于三维空间分割上的最小单位，体素用于三维成像、三维打印、科学数据与医学影像等领域。概念上类似二维空间的最小单位——像素，像素用在二维计算机图像的影像数据上。有些真正的三维显示器运用体素来描述它们的分辨率，举例来说：可以显示512×512×512体素的显示器。

金属粉末和已经打印的物体之间的电阻很大，所以电阻焊用的电流并不大，电极的直径可以做得很细，这样打印的体素小，分辨率高，打印效果精细。

大量复制打印头的方法，目前来说仅仅适合电阻焊式三维打印，其他打印方式受打印头体积大、结构复杂、成本高等原因限制。甚至传统的二维喷墨打印，也因其打印头结构复杂，可复制性也远不如电阻焊的电极。

随着制作打印板工艺的提升，电极密度将逐渐提高，产品将频繁更新换代，所以客户有持续的购买欲望。

3d打印，如果耗材是粉末的话，粉末将对空气产生一定的污染（耗材是丝也有污染，只不过很轻）。本发明，通过高压预制粉饼的方式，减少粉尘污染。压制粉饼时一般不用添加粘性材料，仅靠机械压力就可以使粉末成形，这样可以在打印完成后，方便的去掉多余的粉末。如果粉饼实在难以成形，也可以增加少量粘合剂，一般使用遇水失效的粘合剂。粉饼的形状和打印范围相同，粉饼的厚度和打印的层高相等。

压实了的粉饼，电阻率大幅减小，但是仍然远远大于普通金属块的电阻率，电阻焊原理仍然可行。如果压制粉饼时，添加不导电的物质比如使用了粘合剂，粉饼的电阻率就会增加，这样电阻焊时，材料更容易发热、焊接了。

预制粉饼同样适用于其他类型的3d粉末打印，包括sls。

预制粉饼并非电阻焊的必选项，只是减少了污染。

将电极嵌入耐高温材料，制作的打印板中，通过打印板给已经铺好的粉末一定的压力，可以改变最后打印物体的密度。如果粉末被打印板压实，那么打印精细度高，打印后的密度大；如果粉末没有被打印板压实，而是比较虚，那么打印精度降低，但是打印密度小，此法可以生产所谓的“泡沫钢铁”。

泡沫塑料发明已久，以其密度极轻的重要特点，应用广泛；但是熔融的金属却因为表面张力的原因无法容纳泡沫，制作泡沫钢铁。用电阻焊的方式，将粉末颗粒互相接触的地方焊牢，粉末颗粒之间不接触的地方留有空气。这样3d打印的产品，密度低，强度大。制作泡沫钢铁时，需要采用尽量不规则的粉末颗粒、片状颗粒、或者经过扭曲的片状颗粒，增加空气的比例。此法不仅仅局限于钢铁，适合所有导体材料。

电阻焊的耗材材料，有些是难熔或者不熔的，为了节省电能，可以使用钎焊的方式：将熔点低的粉末和难熔材料的粉末混合（根据具体情况有可能还需要加入焊剂粉末）。电阻焊时，熔点低的粉末首先熔化，液体浸润难熔材料的粉末颗粒表面。等待冷却后，难熔材料的颗粒就被“钎焊”在一起了。

这里说的钎焊是指：低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。

浸润是指：液体在与固体接触时，沿固体表面扩展而相互附着的现象。

钎焊方式，同样适合其他多种金属打印方法，其中包括背景技术中提到的sls和jouleprinting。只不过jouleprinting需要在难熔金属丝的表面附着一层熔点低的金属作为钎料层，并再在钎料外层涂上焊剂，而不是两种粉末的混合。

钎焊只是辅助方式，仍然需要电流通过金属接触面的方式（或者其他方式）产生热量。

将导电粉末掺入不导电的粉末里，就可以用电阻焊的方式打印不导电的材料了。因为是含有不导电的物质，粉末的电阻率会很大，这样更容易生热。两种材料中，有一种材料熔化，即可实现粉末的固化。

对于导电能力强的金属粉末，可以参入不导电的材料的粉末，增加粉末的电阻率，产生更多的热量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。图中，1、打印头；2、电极阵列（实际电极密度更大）；3电极控制电路；4活塞；5、铺粉器；6活塞移动方向。对于每一个电极，包括其导电部分7和绝缘外层8，电极之间留有间隙9。图中，电极阵列2是打印头1的下表面，并形成打印板；电极控制电路3在打印头上部。

图2为电极密度相对于打印精度要求的体素密度更稀疏的情况。图中，1、打印头；2、打印头x轴移动的范围；3、打印头y轴移动的范围；4所在的方框是方框内的电极因为打印头的移动所能打印的范围；5、6、整个打印头的打印范围。实际电极更密。

图3为，打印头和活塞之间的压力不相同的情况下，粉末的固化情况。图中，1为没有压实的情况，2为压实的情况。3、电极；4、正在打印层的粉末颗粒；5、已经固化的各层的粉末颗粒。6和7、电流的方向和路径。

图4为，打印头只有一个电极的情况。图中，1、电极；2、打印板；3、固化或者没有固化的粉末；4、活塞。

图5为，粉末打印时，应用钎焊的示意图。图中，1为通电前的情况，2为通电后的情况。图中，3、熔点高的粉末颗粒；4、钎料粉末颗粒；5；融化后的钎料。

图6为，jouleprinting打印时，应用钎焊的示意图。图中，1、已经打印的层；2、正在打印的层；3、表面有钎料的细丝耗材；4、电流；5、已经熔化的钎料（图中偏大）。

图7为，具有良好导电性能的粉末里掺入绝缘体粉末的情况。图中，1、一个导体粉末颗粒；2、一个绝缘体粉末颗粒；3、电流。

具体实施

下面结合附图对本发明进行描述，很显然的，附图所描述的仅仅是本发明的一部分而不是全部实施例。

如图1所示，本发明包括：打印头（1）、其底面为电极阵列（2）、活塞（4）和铺粉器（5），电极包含导电部分（7）和绝缘部分（8），电极之间有间隙（9）。打印头上部是电极控制电路（3）。电极阵列（2）形成打印板。打印头的上半部分逐渐变大，有效减少导线密度，方便制造。

打印过程开始，活塞移动到打印范围的最上部，打印头移开让铺粉器在活塞的上表面铺一层粉末耗材；打印头回到活塞的正上方，根据要打印的物体的密度和精度，确定活塞和打印头的之间的压力数值，向上推动活塞，产生压力。根据需要打印的图纸，选择性的开通电极电源。此时开通电极下面的粉末颗粒，便根据电阻焊原理，互相焊接在了一起，并固定在了活塞上面。稍微向下移动活塞，移开打印头，继续铺粉，并重复上述过程直到打印完毕。

打印头和铺粉器的移动不需要价格较贵的步进电机，可以用普通的异步电机或者同步电机。因为其移动定位不要求精确，只是打印每一层之前，打印头需要停留在几乎完全相同的位置。

打印头底部导线比较密集，因为其中上部横截面积大，导线密度相对较低，会留有一定的空间。可在打印头内部装满粉末耗材。需要铺粉的时候，振动打印头，根据《一种传输3d打印粉末耗材的方法》（申请号2017106792370），粉末会从电极间隙（9）中漏出，并铺在活塞的上表面上。因为电极间隙（9）太小，活塞和打印头之间的压力，无法将粉末压回打印头内部。这样打印头无需移动，简化了设备。

振动打印头，还可以清除打印头上粘住的粉末。

此设备工作速度极快，速度优于多数类型的3d打印机。此设备打印精度取决于电极密度，可以不断地改进打印头的制作工艺，提升制作精度。

图2为电极密度相对于打印精度要求的体素密度更稀疏的情况。因为电极密度较小，所以必须在水平方向上移动打印头，才能完成打印工作。打印头移动的距离等于电极之间的间隔。电极的实际位置可能和理论位置之间有些误差，将偏差记入软件便可纠正；所以打印头的移动范围会稍微大一些，通常取理论数值的110%.如果电极位置精确，就不必增加这10%的移动范围了。因为打印头的移动范围较小，一层的打印工作，也可以很快完成，打印速度较快。打印头的移动范围虽然小，但是因为电极多且成二维阵列分布，所以打印范围并不小（图中5、6）。

打印头移动范围的缩小，使得移动部分的机械设计大为简化。

将要打印的粉末，用冷轧机压成扁平的不松散的粉饼。粉饼的厚度和打印的层高相等。压制完成后，粉末颗粒互相结合在一起，成为一个整体、固体，但是易碎。最后对粉饼进行切割，使其形状和打印范围一致。

打印时，直接将粉饼放在刚打印好的一层的上面（第一层，需要放在打印平台上，即活塞的上表面上），取代铺粉工作，从而有效防止粉尘污染。粉饼内部的颗粒已经压实，电阻较小。利用活塞和打印头的挤压，让粉饼贴实在已经打印的物体上，减少粉饼和已经打印物体之间的电阻，让多数电流从二者之间通过（少量电流仍然会在粉饼上，沿着大致水平的方向上流动）。

如图3所示，粉末打印时，利用活塞和打印头的不同压力，可以调节打印后物体的密度。当压力小，粉末疏松，没有被压实时，粉末和已经打印的物体之间的电阻大，电流容易分布在水平方向上，体素的水平尺寸大，打印精度低，打印后的物体密度小。当活塞和打印头之间的压力增大，粉末被充分压实后，粉末和已经打印的物体之间的电阻小，电流主要是在竖直方向上流动，体素水平尺寸小，打印精细，精度高，打印后的物体密度大。

如图4所示，对于一个电极（1）的打印头，需要在电极的末端固定打印板（2），挤压粉末。打印板的尺寸是打印范围尺寸的二倍（面积是4倍）稍大一些。打印板跟随电极一起运动。无论在打印范围内如何移动电极，整个打印范围内都有打印板覆盖。对于多电极的情况，如果打印头需要在水平方向上移动，打印板的边沿也要宽一些，使得在打印头移动时，所有的打印范围都有打印板覆盖。

如图5所示，将难容的不锈钢粉末和钎料（多种金属的和金）粉末、焊剂粉末（可选）混合在一起。通电后，钎料就融化了。融化后的液体，总是往狭小的地方浸润。等待钎料固化后，不锈钢粉末颗粒就被焊接在了一起了。成品和普通不锈钢硬度基本相当。

如图6所示，jouleprinting打印应用钎焊的情况，将钎料涂/镀/喷/溅在耗材细丝的外面，再在钎料层的外面涂上焊剂，当耗材细丝上通电流后，便形成图中融化的钎料液体（5）。液体填充在耗材细丝的缝隙里，冷却固化后，耗材细丝便焊接在一起了。

为了通过电阻焊的方式打印塑料，可以在塑料粉末内掺入导电的粉末。因为石墨粉末是黑色的，打印的塑料不是黑色时，可以掺入铝粉。铝粉起了导电的作用，电流产生的热量将塑料颗粒融化，冷却后，塑料颗粒便连在一起了。通电时，并没有达到铝的熔点。

如图7所示，为了打印导电性能良好的粉末，可以（非必选）掺入绝缘体粉末。绝缘体粉末颗粒增加了导体粉末的间距，电流路径变得长而曲折。整体表现为电阻值增加，容易发热、容易焊接。比如，打印铜粉末（熔点大约1000°c）可以掺入刚玉粉末（2000°c内稳定）。不掺入绝缘体粉末，单纯的增加电流（电压适当减小），也可以打印导电性能优良的材料。