一种三维打印方法与流程

本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种基于电磁感应加热的三维打印方法，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世纪七八十年代之后在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(stereolithographyapparatus,sla)、熔融沉积制造(fuseddepositionmodeling，fdm)、选择性激光烧结(selectinglasersintering，sls)、三维粉末粘接(threedimensionalprintingandgluing，3dp)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。目前已经商业化的用于金属材料三维打印的技术，主要有选区激光熔化技术(selectivelasermelting,slm)、电子束熔融技术(electronbeammelting，ebm)和激光近净成形(laserengineerednetshaping,lens)，但slm、ebm和lens技术也有不少缺点，例如：制造成本高昂、维护成本高、打印出来的零件机械强度不高(需要在打印后进行增强处理，尤其是sls/slm技术)，slm和ebm技术的打印幅面小，lens技术虽然打印幅面较大、但无法打印复杂结构且打印精度低。为了提高上述技术打印产生的金属零件的力学性能，还出现了不少技术，例如申请号为201410289871.x、名称为“一种提高3d打印金属件性能的处理方法”的中国专利申请。针对上述slm、ebm和lens技术的缺点，也出现了不少采用其它成型方法的低成本金属三维打印技术，例如申请号为201510789205.7、名称为“一种利用液态金属直接进行3d打印制造的方法和装置”的中国专利申请，申请号为201510679764.2、名称为“一种金属3d打印快速成型设备”的中国专利申请，又如申请号为201410206527.x、名称为“挤出式金属流3d打印机”的中国专利申请，但这些技术存在成型精度低或打印成型的金属零件的层间结合力低等问题。也有基于电弧加热原理的金属三维打印方法，例如申请号为201410617953.2、名称为“金属构件电熔成形方法”的中国专利申请，虽然成本低，但存在诸多缺点，例如：成型精度极低，电弧会对先前成型的结构产生破坏，电弧的可控性差，电弧难以聚焦和微型化，无法制造复杂和精细结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电磁感应加热原理的三维打印方法，打印体的层间以熔融方式实现连接，进而获得极高的结构强度。

本发明的另一个目的在于提供一种可调节打印体的层间结合力的三维打印方法，低层间结合力的区域可作为辅助性支撑体使用，以实现复杂结构的打印。

本发明的再一个目的在于提供一种可使用导电性材料作为打印原料的三维打印方法，尤其是金属材料三维打印方法。

为了实现上述的发明目的，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：将熔融原料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，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，或者说是由与所要打印的物体相对应的计算机模型数据决定；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；熔融原料在成型区内累积并因为温度降低而转变为打印体；

其特征在于：

在累积熔融原料的过程中，通过电磁感应加热方式将打印体的即将累积熔融原料的位置熔化或软化，和/或将打印体的正在累积熔融原料的位置熔化或软化。

可选地：上述的将打印体的正在累积熔融原料的位置熔化，可以实现新累积的熔融原料与打印体之间的熔融连接(打印体由先前累积的熔融原料因为温度降低并转变为固态而形成)，从而实现高强度的层间连接。

可选地：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其感应加热的作用范围受控和/或感应磁场对打印体的加热强度受控。

可选地：上述的感应加热的作用范围包括作用面积、磁场在打印体上的加热区域的形状等。感应磁场的加热强度由磁场强度、加热时长、磁场频率等参数决定。

可选地：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其对打印体的加热区域的面积和/或形状的状态可调节。形状的状态主要包括形状类型、形状的方向、形状的布局、形状的动态变化。

可选地：所述的熔融原料通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得。

可选地：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得熔融原料，其产生方式：固态原料在穿过或通过电磁感应加热磁场时，电磁感应加热磁场在固态原料上感生涡流而将固态原料加热熔化；

或者，电磁感应加热磁场在固态原料上感生涡流发热以及在与固态原料相接触的结构上感生涡流发热并将热量传导给固态原料，共同将固态原料熔化；

或者，电磁感应加热磁场在与固态原料相接触的结构上感生涡流发热并将热量传导给固态原料而将固态原料熔化。

可选地：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得的熔融原料，在打印体的基础上累积熔融原料的过程中，熔融原料除了与打印体接触之外，不与其它任何结构接触，或者除了与打印体、固态原料接触之外，不与其它任何结构接触。

可选地：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得熔融原料，所述的固态原料为线状固态原料，或者为粉末状固态原料，或者为棒状固态原料，或者为颗粒状固态原料。

可选地：

将固态原料加热转变为熔融原料所使用的电磁感应加热磁场与加热打印体所使用的电磁感应加热磁场都是由同一个磁场发生装置产生；

或者，将固态原料加热转变为熔融原料所使用的电磁感应加热磁场与加热打印体所使用的电磁感应加热磁场是由不同的磁场发生装置分别产生；

或者，将固态原料加热转变为熔融原料所使用的电磁感应加热磁场与加热打印体所使用的电磁感应加热磁场是同一个磁场；

或者，将固态原料加热转变为熔融原料所使用的电磁感应加热磁场与加热打印体所使用的电磁感应加热磁场是互相独立的磁场。

可选地：所述的固态原料在进入电磁感应加热磁场的过程中，其移动路径通过引导装置引导。

可选地：所述的熔融原料通过加热固态原料而获得，所使用的加热方式至少包括电阻加热、电磁感应加热、电弧加热、等离子体加热、激光加热、电子束加热、微波加热当中的一种。这些加热方式对固态原料直接加热，和/或对与固态原料接触的结构或媒介进行加热然后通过热传导的方式将热量传递给固态原料(即间接加热)。

可选地：所述的熔融原料通过加热固态原料而获得，所使用的加热方式至少包括电阻加热、电磁感应加热、电弧加热、等离子体加热、激光加热、电子束加热、微波加热当中的一种。当使用其中两种或两种以上的加热方式时，可切换不同加热方式，例如：在某些情况下使用电阻加热方式，在某些情况下使用电磁感应加热方式。

可选地：所述的通过电磁感应加热方式将打印体熔化或软化，是对打印体的表面进行加热熔化或软化。

可选地：

在部分打印区域，关闭对打印体产生加热作用的电磁感应加热磁场，以使该区域的打印体不被电磁感应加热熔化或软化；

或者，在部分打印区域，调节对打印体产生加热作用的电磁感应加热磁场的作用面积和/或形状的状态，以使该区域的打印体不被电磁感应加热熔化或软化；和/或在部分打印区域，降低对打印体产生加热作用的电磁感应加热磁场对打印体的加热强度，以使该区域的打印体不被电磁感应加热熔化或软化；

所述的形状的状态主要包括形状类型、形状的方向、形状的布局/分布方式、形状的动态变化；

所述的部分打印区域，是指在打印物体的过程中熔融原料和打印体所要占据的空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以理解为：所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区而形成的映射空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以被理解为：所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来，形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体，将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体，由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程；将该虚拟物体划分成多个区域，其中的部分区域就是所述的部分打印区域。

可选地：通过控制电磁感应加热磁场在打印体上的加热强度，以控制打印体的与熔融原料相接触的区域的熔化状态，进而控制打印体与熔融原料之间的连接方式。所述的熔化状态包括熔化、不熔化、半熔化、软化等状态。所述的连接方式可分为熔融连接、非熔融连接两大类型。当打印体的与熔融原料相接触的区域为熔化状态时，熔融原料与打印体之间就实现以熔融连接的方式进行融合，从而实现高强度连接(在打印金属材料的情况下，也称为实现冶金级连接)。当打印体的与熔融原料相接触的区域为不熔化状态时，熔融原料与打印体之间就以非熔融连接的方式进行连接，且打印体的与熔融原料相接触的区域温度越低、两者之间的连接强度就越低。以非熔融连接方式累积熔融原料/体素(即三维像素点)而产生的打印区域的结构强度较低，从而可以将结构强度较低的打印区域作为可拆卸的辅助性支撑/支架，以实现复杂结构的三维打印。

可选地：在累积熔融原料的过程中，在打印体与熔融原料之间建立电气连接。

可选地：在累积熔融原料的过程中，在熔融原料与打印体之间施加电流。在熔融原料与打印体之间施加电流，可以获得诸多益处，例如：可以通过电流调节熔融原料、打印体与熔融原料相接触的部位的温度，也可以通过监测电流以实现对熔融原料与打印体之间的接触状态进行监测。

可选地：在打印体与熔融原料之间建立电气连接，通过判断两者之间的电气连接状态来判断两者之间的接触状态。例如通过两者之间的电阻值或者电容值来判断是否发生接触以及接触的程度，在确保两者发生接触的前提下改变熔融原料的累积位置，这样就确保在三维成型过程中每个体素(即像素点)的有效累积。

可选地：在打印体与固态原料之间建立电气连接，在打印体与固态原料之间施加电流，通过电阻加热/电阻发热的方式将固态原料熔化，或者通过电阻加热/电阻发热与电磁感应加热共同将固态原料熔化。例如：采用金属丝(线状固态原料)，在熔融原料与打印体发生接触后，金属丝与打印体之间通过熔融原料实现连接，可在金属丝与打印体之间建立电气连接。又例如：采用金属丝，直接将金属丝与打印体接触，可在金属丝与打印体之间建立电气连接；金属丝与打印体接触部位的电阻较大，电阻较大的区域获得较大分压，分压较大的区域的发热量较大，温度越高电阻越大，最终导致金属丝的与打印体接触的部位被熔化。

可选地：在打印体与熔融原料和/或固态原料之间建立电气连接，即：在打印体与熔融原料之间建立电气连接，和/或在打印体与固态原料之间建立电气连接。

可选地：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其感应磁场发生装置的位置状态和/或结构状态可被调节。位置状态主要指感应磁场发生装置所处的位置及由于移动、旋转、上抬、下降、摆动、振动等运动方式导致的位置变化。结构状态主要指感应磁场发生装置的形状、结构组成、结构的组合方式及变化。

可选地：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其感应磁场发生装置的工作状态可被调节。感应磁场发生装置的工作状态主要指装置的工作或不工作、装置的工作模式及模式切换、输出能量的强度、输出能量的频率、结构、组成、不同功能组件的启用与关闭、不同功能组件的轮换，等方面。

可选地：所述的三维打印设备所使用的成型区，其温度可调，即成型环境的温度可调。可以通过调节成型环境的温度，获得对打印体的状态的调节，例如：通过提升成型环境的温度，以降低打印体内部的应力(例如在900℃环境中三维打印钛金属零件，可以消除零件内部的绝大部分应力)，并且不同材料的打印所需的环境温度不同。

可选地：在累积熔融原料的过程中，对已打印成型的打印体进行整体加热，且温度可调。例如：通过提升打印体的温度，以降低打印体内部的应力(例如：在累积熔融原料的过程中，将打印体整体维持在900℃而产生的钛金属零件，可以消除零件内部的绝大部分应力)，并且不同材料的打印所需的加热温度不同。

可选地：所述的通过电磁感应加热方式将打印体熔化或软化，产生电磁感应加热作用的磁场由感应线圈产生。

可选地：调节上述感应线圈与打印体表面的距离，或者调节流过感应线圈的电流强度，或者调节流过感应线圈的电流的通断频率，或者调节流过感应线圈的电流的振荡频率，以实现对磁场在打印体表面的加热作用的强度进行调节。

可选地：上述的感应线圈的通电区域可调节。例如：感应线圈由不同区段组成，可控制某些区段有电流通过、而某些区段没有电流通过。

可选地：在熔融原料在打印体上累积之后，继续对新成型的体素(即像素点)及其临近区域进行设定时长和设定强度的加热，以控制新成型体素及其临近区域的冷却速率(即退火速率)。

可选地：三维打印设备所使用的成型区为真空或有保护气氛填充。

可选地：在所述的三维打印设备所使用的成型区内设置气体去除装置，通过化学反应方式将特定气体去除。例如：在密闭的成型区内设置不密封的高温加热容器，在容器内放置活泼金属粉末(例如颗粒度为10微米的铁粉)，在抽真空之后(例如气压降至10pa以下)，将粉末加热至600℃，铁粉与成型区内的残留氧气发生化学反应，氧气被清除，从而避免氧气对三维打印过程中的高温熔融原料的氧化。

可选地：在三维成型的过程中，使用数控加工技术对打印体进行加工。例如：在每完成一层打印体的累积之后，使用铣刀对最新成型的层的边缘进行铣削；或者，在三维打印结束之后，使用铣刀对打印体进行设定的加工。可以将传统的cnc(数控机床)与三维打印设备整合在一套设备内。

可选地：三维打印的主要步骤包括：

步骤s1，在xy平面上累积熔融原料，生成第一层打印体；

步骤s2，在第n层打印体上累积熔融原料(n≥1)，开始第n+1层的体素数据链的第一个体素的成型；磁场对打印体的加热强度不足以熔化打印体的即将累积及正在累积熔融原料的区域；

步骤s3，根据计算机模型数据的性质，判断正在形成的体素与打印体之间是否以熔融的方式进行连接；如果需要以熔融的方式进行连接，进入步骤s4，否则进入s6；

步骤s4，将打印体上表面的与熔融原料相接触的区域熔化；通过增强磁场对打印体的加热强度和/或在熔融原料与打印体之间施加电流辅助加热的方式，将打印体的该区域熔化；

步骤s5，磁场对打印体的加热强度被调回先前状态，关闭在熔融原料与打印体之间施加的加热电流；

步骤s6，磁场对打印体的加热强度保持不变，在熔融原料与打印体之间不施加加热电流；

步骤s7，判断当前层的成型是否已完成；如果未完成，进入步骤s8，否则进入s9；

步骤s8，进行下一个体素的成型，进入步骤s3；

步骤s9，判断三维打印是否已经完成；如果未完成，感应线圈和熔融原料发生装置作相对于打印体新成型层的远离移动(即，在z方向上移动)，移动一层高度或厚度的距离，然后进入步骤s2，进行新一层的成型；如果已完成，则进入步骤s10；

步骤s10，终止熔融原料的生成，关闭磁场；

所述的xy平面是指三维打印设备的成型参照平面，z方向指垂直于xy平面的方向。例如：当以水平面为成型参照平面时，打印体的每一层都为水平面的一个平行面，z方向就是垂直方向。

可选地：三维打印的主要步骤包括：

步骤s1，在xy平面上累积熔融原料，生成第一层打印体；

步骤s2，在第n层打印体上累积熔融原料(n≥1)，开始第n+1层的成型；磁场对打印体的加热强度不足以熔化打印体的即将累积及正在累积熔融原料的区域；

步骤s3，根据计算机模型数据的性质，在体素与打印体之间不以熔融的方式进行连接的区域累积熔融原料，磁场对打印体的加热强度保持不变，在熔融原料与打印体之间不施加加热电流；直至所有不需要以熔融的方式进行连接的区域都累积了熔融原料；

步骤s4，根据计算机模型数据的性质，在体素与打印体之间需要以熔融的方式进行连接的区域累积熔融原料；在累积熔融原料的过程中，将打印体上表面的与熔融原料相接触的区域熔化；通过增强磁场对打印体的加热强度和/或在熔融原料与打印体之间施加电流辅助加热的方式，将打印体的该区域熔化；直至所有需要以熔融的方式进行连接的区域都累积了熔融原料；

步骤s5，磁场对打印体的加热强度被调回先前状态，关闭在熔融原料与打印体之间施加的加热电流；

步骤s6，判断三维打印是否已经完成；如果未完成，感应线圈和熔融原料发生装置作相对于打印体新成型层的远离移动(即，在z方向上移动)，移动一层高度或厚度的距离，然后进入步骤s2，进行新一层的成型；如果已完成，则进入步骤s7；

步骤s7，终止熔融原料的生成，关闭磁场；

所述的xy平面是指三维打印设备的成型参照平面，z方向指垂直于xy平面的方向。例如：当以水平面为成型参照平面时，打印体的每一层都为水平面的一个平行面，z方向就是垂直方向。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过电磁感应加热方式将打印体的即将累积熔融原料的位置熔化，和/或将打印体的正在累积熔融原料的位置熔化，实现熔融原料与打印体之间以熔融的方式连接，进而获得极高的层间结合力、获得极高的结构强度。

(2)本发明通过调节感应磁场对已打印成型的打印体的加热强度和/或是否在熔融原料与打印体之间施加电流以辅助加热，控制打印体与熔融原料相接触的部位是否熔化，进而控制打印体特定区域的层间是否以熔融的方式连接；以非熔融方式连接的区域的层间结合力较低，较低层间结合力的区域可作为辅助性支撑体，可被拆除，可以实现复杂结构的打印。

(3)本发明可采用线状固态原料(例如金属线)，相比现有主流技术采用的粉末状原料，线状原料成本低；当固态原料为金属时，可以实现金属三维打印，相比现有的金属三维打印技术，本发明的成本低廉。

(4)本发明如果采用线状固态原料，固态线状原料的移动驱动熔融原料的移动，熔融原料与已成型的打印体接触，并且该接触过程存在机械作用力，像素点之间以及正在成型的层与之前已成型的层之间的气体被驱赶走、缝隙被填充，像素点之间以及层间的“缝隙网络”少(“缝隙网络”结构在现有的使用铺金属粉层方式的选区激光熔化技术slm和电子束熔融技术ebm中普遍存在)；因此，使用本发明的技术打印产生的零件密度高。本发明的成型精度主要取决于所累积的熔融原料的体积或颗粒度，可以控制所累积的熔融原料的液滴大小以实现所需精度的三维打印。

(5)本发明可以通过三维或多轴运动机构控制熔融原料的累积位置，实现大幅面三维打印成型(例如5m×5m×5m)，这是现有的slm/ebm等技术难以实现的。

(6)本发明在使用导电性材料进行三维打印时，不需要大功率激光系统(大功率激光系统价格昂贵，并且激光器的使用寿命普遍在一万小时以内)，实施成本低廉，即生产成本和使用成本低；不需要复杂的电子束系统，可以在真空和非真空环境下打印成型，也可应用于太空环境。

(7)本发明所使用的材料选择面广，只要是能被磁场作用而感生涡流的固态材料均能用于本发明的具体实施例，不存在现有主流技术(如slm/ebm/lens)因为原料反射加热能量或对加热能量吸收率低而导致的材料选择面窄的问题；常见材料(如铝、铜、铁、不锈钢、镍基高温合金、钛、铼、钼、钨、金属陶瓷)均适用于本发明的具体实施例。

(8)本发明在打印体的基础上累积熔融原料的过程中，熔融原料仅与未熔化的固态原料、打印体发生接触，不与其它任何结构接触。熔融原料携带的热量不会对其它结构造成破坏，因此本发明可以使用超高熔点的导电性材料，例如钨(熔点大约3400℃)。相比起本发明，现有采用“微型熔炉”熔化打印原料的三维打印技术，所能使用的打印原料受限于“微型熔炉”的性能，无法打印高温材料，例如钼、钨。

(9)本发明在打印体的基础上累积熔融原料的过程中，在熔融原料与打印体之间建立电气连接，可监测每个体素(三维像素点)的成型过程。

综上所述，本发明的有益效果：打印体的层间结合力高，打印体的结构强度高；可同步产生可拆卸的辅助性支撑体，以实现复杂结构的打印；结构简单，可打印大型部件；每个体素的成型过程都受到监控；适用材料种类多，可实现金属、金属陶瓷、混合金属粉末的塑料等导电性材料的三维打印；成本低廉。本发明具有实质性进步。

附图说明

图1是示意图，用于说明感应线圈产生的磁场，其中的感应线圈以截面图表示；

图2是示意图，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表示固态原料的移动方向，箭头d2表示用于感应加热的感应线圈与固态原料一起相对于打印体的移动；

图3是三维立体透视图，用于说明本发明的第一个具体实施例所使用的感应线圈；

图4是图3所示的感应线圈的俯视图；

图5是三维立体透视图，用于说明本发明的第二个具体实施例所使用的感应线圈及固态原料引导装置；

图6是图5所示的装置的侧视图；

图7是图5所示的装置的俯视图；

图8和图9是示意图，用于说明感应线圈的位置状态，其中的箭头d3和d4表示移动方向；

图10是示意图，用于说明本发明的第三个具体实施例，该具体实施例使用粉末状固态原料，其中的箭头d5表示粉末状固态原料的移动方向，箭头d6表示用于感应加热的感应线圈与固态原料一起相对于打印体的移动；

其中的标号：1-磁场，2-线圈一，3-线状固态原料一，4-打印体一，5-熔化的原料，6-打印体的熔化区一，7-线圈三,8-线圈电极一，9-线圈电极二，10-线圈电极三，11-线圈电极四，12-线圈二，13-固态原料引导装置，14-冷却接口，15-线状固态原料二，16-喷嘴，17-粉末状固态原料，18-熔化的液滴状原料，19-打印体的熔化区二，20-在打印体上沉积的熔化原料，21-打印体二。

具体实施方式

下面列举本发明一种三维打印方法的三个较佳具体实施例，并结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图4所示的本发明一种三维打印方法的第一个较佳具体实施例：一种三维打印方法，其主要过程为：将熔融原料(即，熔化的原料5)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转变为打印体，熔融原料在打印体(即，打印体一4)的基础上累积、直至所要打印的物体成型，由累积的打印体构成所要打印的物体；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，即由与所要打印的物体相对应的计算机模型数据决定；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；熔融原料在成型区累积并因为温度降低而转变为打印体；

其关键技术在于：

在累积熔融原料的过程中，通过电磁感应加热方式将打印体的即将累积熔融原料的位置熔化或软化，和将打印体的正在累积熔融原料的位置熔化或软化。

上述的将打印体的正在累积熔融原料的位置熔化，可以实现新累积的熔融原料与打印体之间的熔融连接(打印体由先前累积的熔融原料因为温度降低并转变为固态而形成)，从而实现高强度的层间连接。

在本具体实施例中：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其感应加热的作用范围受控和感应磁场的加热强度受控。感应加热的作用范围包括作用面积、磁场在打印体上的加热区域的形状等。感应磁场的加热强度由磁场强度、加热时长、磁场频率等参数决定。

在本具体实施例中：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其在熔融原料累积路径上的对打印体的加热区域的面积和/或形状的状态可调节。形状的状态主要包括形状类型、形状的方向、形状的布局/分布方式、形状的动态变化。

在本具体实施例中：所述的熔融原料通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得，如图2所示。

在本具体实施例中：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得熔融原料，其产生方式：固态原料在穿过或通过电磁感应加热磁场时，电磁感应加热磁场在固态原料上感生涡流而将固态原料加热熔化。

在本具体实施例中：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得的熔融原料，在打印体的基础上累积熔融原料的过程中，除了与打印体、固态原料接触之外，不与其它任何结构接触，如图2所示。

在本具体实施例中：上述的通过使用电磁感应加热的方式将固态原料加热熔化而获得熔融原料，所述的固态原料为线状固态原料(例如金属丝)。

在本具体实施例中：将固态原料加热转变为熔融原料所使用的电磁感应加热磁场与加热打印体所使用的电磁感应加热磁场都是由同一个磁场发生装置产生。

在本具体实施例中：所述的通过电磁感应加热方式将打印体熔化或软化，是对打印体的表面进行加热熔化或软化。

在本具体实施例中：在部分打印区域调节对打印体产生加热作用的电磁感应加热磁场的作用面积和/或形状的状态，以使该区域的打印体分布于熔融原料累积路径上的区域不被电磁感应加热熔化或软化；并且，电磁感应加热磁场对打印体的加热强度可调节。所述的部分打印区域，是指在打印物体的过程中熔融原料和打印体所要占据的空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以理解为：所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区而形成的映射空间当中的一部分。所述的部分打印区域，也可以被理解为：所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来，形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体，将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体，由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程；将该虚拟物体划分成多个区域，其中的部分区域就是所述的部分打印区域。形状的状态主要包括形状类型、形状的方向、形状的布局/分布方式、形状的动态变化。

在本具体实施例中：通过控制电磁感应加热磁场在打印体上的加热强度，以控制打印体的与熔融原料相接触的区域的熔化状态，进而控制打印体与熔融原料之间的连接方式。所述的熔化状态包括熔化、不熔化、半熔化、软化等状态。所述的连接方式可分为熔融连接、非熔融连接两大类型。当打印体的与熔融原料相接触的区域为熔化状态时，熔融原料与打印体之间就实现以熔融连接的方式进行融合，从而实现高强度连接(在打印金属材料的情况下，也称为实现冶金级连接)。当打印体的与熔融原料相接触的区域为不熔化状态时，熔融原料与打印体之间就以非熔融连接的方式进行连接，且打印体的与熔融原料相接触的区域温度越低、两者之间的连接强度就越低。以非熔融连接方式累积熔融原料(单位体积的熔融原料形成体素/三维像素点)而产生的打印区域的结构强度较低，从而可以将结构强度较低的打印区域作为可拆卸的辅助性支撑(支架)，以实现复杂结构的三维打印。

在本具体实施例中：在累积熔融原料的过程中，将熔融原料和打印体接入控制电路，在熔融原料与打印体之间施加电流。在熔融原料与打印体之间施加电流，可以获得诸多益处，例如：可以通过电流调节熔融原料以及打印体与熔融原料相接触的部位的温度，也可以通过监测电流以实现对熔融原料与打印体之间的接触状态进行监测。

在本具体实施例中：在打印体与熔融原料之间建立电气连接，通过判断两者之间的电气连接状态来判断两者之间的接触状态。例如：通过两者之间的电阻值或者电容值来判断是否发生接触以及接触的程度，在确保两者发生接触的前提下才改变熔融原料的累积位置，这样就确保在三维成型过程中每个体素(即像素点)的有效累积。在三维打印过程中，打印体的第一层在导电性支撑平台(未在附图中示出)上累积。将导电性支撑平台和线状固态原料(采用金属线)接入控制电路，因为打印体与导电性支撑平台接触、熔融原料与固态原料接触，因而在打印体与熔融原料之间建立了电气连接。

在本具体实施例中：在对打印体进行电磁感应加热时所使用的感应磁场,其感应磁场发生装置的位置状态和/或结构状态可被调节。位置状态主要指感应磁场发生装置所处的位置及由于移动、旋转、上抬、下降、摆动、振动等运动方式导致的位置变化。结构状态主要指感应磁场发生装置的形状、结构组成、结构的组合方式及变化。

在本具体实施例中：所述的通过电磁感应加热方式将打印体熔化或软化，产生电磁感应加热作用的磁场由感应线圈(即，线圈一2)产生，感应线圈内的电流由振荡电路驱动。

在本具体实施例中：调节上述感应线圈与打印体表面的距离，或者调节流过感应线圈的电流强度，或者调节流过感应线圈的电流的通断频率，或者调节流过感应线圈的电流的振荡频率，以实现对磁场在打印体表面的加热作用强度进行调节。

在本具体实施例中：上述的感应线圈的通电区域可调节。感应线圈由不同区段组成，可控制某些区段有电流通过、而某些区段没有电流通过。如图3和图4所示的感应线圈(即，线圈一2)由3个区段连接而成。

在本具体实施例中：三维打印设备所使用的成型区被抽成真空状态，也可以在成型区内填充保护气氛(例如惰性气体保护)。

在本具体实施例中：在所述的三维打印设备所使用的成型区内设置气体去除装置，通过化学反应方式将特定气体去除。例如：在密闭的成型区内设置不密封的高温加热容器，在容器内放置活泼金属粉末(例如颗粒度为10微米的铁粉)；在成型区被抽真空后(例如气压降至10pa以下)，将粉末加热至600℃，铁粉与成型区内的残余氧气发生化学反应，生成氧化铁，氧气被清除，从而避免氧气对三维打印过程中的高温熔融原料的氧化。又例如：在高温加热容器内放置纯铝金属，加热至800℃以上，铝与成型区内的氮气和氧气发生反应，生成氮化铝、氧化铝，从而清除氮气和氧气。

在本具体实施例中：三维打印的主要步骤包括：

步骤s1，在xy平面上累积熔融原料，生成第一层打印体；

步骤s2，在第n层打印体上累积熔融原料(n≥1)，开始第n+1层的成型；磁场对打印体的加热强度不足以熔化打印体的即将累积及正在累积熔融原料的区域；

步骤s3，根据计算机模型数据的性质，在体素与打印体之间不以熔融的方式进行连接的区域累积熔融原料，磁场对打印体的加热强度保持不变，在熔融原料与打印体之间不施加加热电流；直至所有不需要以熔融的方式进行连接的区域都累积了熔融原料；

步骤s4，根据计算机模型数据的性质，在体素与打印体之间需要以熔融的方式进行连接的区域累积熔融原料；在累积熔融原料的过程中，将打印体上表面的与熔融原料相接触的区域熔化；通过增强磁场对打印体的加热强度和在熔融原料与打印体之间施加电流辅助加热的方式，将打印体的该区域熔化；直至所有需要以熔融的方式进行连接的区域都累积了熔融原料；

步骤s5，磁场对打印体的加热强度被调回先前状态，关闭在熔融原料与打印体之间施加的加热电流；

步骤s6，判断三维打印是否已经完成；如果未完成，感应线圈和熔融原料发生装置作相对于打印体新成型层的远离移动(即，在z方向上移动)，移动一层高度或厚度的距离，然后进入步骤s2，进行新一层的成型；如果已完成，则进入步骤s7；

步骤s7，终止熔融原料的生成，关闭磁场；

所述的xy平面是指三维打印设备的成型参照平面，z方向指垂直于xy平面的方向。例如：当以水平面为成型参照平面时，打印体的每一层都为水平面的一个平行面，z方向就是垂直于水平面的方向。

在本具体实施例中：所述的固态原料在进入电磁感应加热磁场的过程中，其移动路径通过引导装置(未在附图中示出)引导。

具体应用方案：

图1说明了本具体实施例所使用的感应线圈(即，线圈一2)所产生的高频磁场(即，磁场1)的大致形态。导电性材料在高频交变磁场中感生涡流。涡流在导电性材料内部形成回路并在材料内部引起电阻发热。磁场的频率越高，其对导电材料加热时所产生的趋肤效应越显著，即：磁场的频率越高，导电性材料被加热的区域越趋向导电性材料的表面；甚至，当加热功率足够高时，导电材料的表面已经被熔化，但其内部中心温度在较短时间内仍接近环境温度。

图2说明了本具体实施例的基本原理：固态原料采用线状导电性材料(即，线状固态原料一3)，例如使用线径为0.1mm的钛金属线；感应线圈(即，线圈一2)和固态原料(即，线状固态原料一3)在三维打印设备的位置控制子系统的驱动下移动(例如箭头d2所示的移动方向)，固态原料(即，线状固态原料一3)在原料输送装置(未在附图中示出)的驱动下做垂直方向上的移动(例如箭头d1所示的移动方向)；固态原料(即，线状固态原料一3)在穿过感应线圈(即，线圈一2)的中心时，磁场1在固态原料上感生涡流，涡流发热使固态原料的穿过磁场的区段被熔化而产生熔融原料(即，熔化的原料5)；由于固态原料沿着箭头d1所示的移动方向移动，其熔化区段被未熔化的区段推动而远离感应线圈，后续的固态原料在穿过磁场时被熔化而不断产生新的熔融原料，在视觉上形成“熔融原料流”；熔融原料(即，熔化的原料5)与未熔化的固态原料(即，线状固态原料一3)连接；熔融原料在未熔化的固态原料的带动下，沿着箭头d2所示的移动方向累积，并且每累积完一层之后，感应线圈(即，线圈一2)往上移动一层的距离(层的高度或厚度由使用者设定)；所累积的熔融原料在温度降低后变为固态并转变成打印体(即，打印体一4)，新产生的熔融原料继续在先前形成的那一层打印体上累积以形成新的层，直至三维打印结束；在需要以熔融连接的区域，感应线圈(即，线圈一2)产生的高频磁场将打印体(即，打印体一4)上表面的即将累积熔融原料的位置和正在累积熔融原料的位置熔化，正在累积熔融原料的位置还被施加于熔融原料与打印体之间的电流加热(可选，由三维打印设备的使用者设定的参数决定)，形成打印体的熔化区一6，熔融原料在打印体的熔化区一6上累积，从而实现熔融连接；在磁场被移走或被关闭之后，打印体的熔化区一6及其上面累积的熔融原料因为热量被导走而固化。

在打印体(即，打印体一4)的基础上累积熔融原料(即，熔化的原料5)的过程中，熔融原料仅与未熔化的固态原料(即，线状固态原料一3)、打印体发生接触，不与其它任何结构接触。熔融原料携带的热量不会对其它结构造成破坏，因此本具体实施例可以使用超高熔点的导电性材料，例如钨(熔点大约3400℃)。相比起本发明，现有采用“微型熔炉”熔化打印原料的三维打印技术，所能使用的打印原料受限于“微型熔炉”的性能(例如耐温性)，无法打印高温材料，例如钼、钨。

在本具体实施例中，感应线圈由3个区段组成(如图3和图4中所示的的线圈一2)，即：线圈一2被线圈电极一8、线圈电极二9、线圈电极三10和线圈电极四11分隔成依次连接的3段；线圈电极一8和线圈电极二9控制线圈一2的最内圈，线圈电极一8和线圈电极三10控制内1.5圈，线圈电极一8和线圈电极四11控制线圈一2的整体。线圈一2由金属管制造。线圈一2在工作状态下会发热，需要在其内部通路通冷却液，对线圈一2进行冷却。通过改变线圈一2的工作区段来调整感应磁场(即，磁场1)对打印体一4的作用面积。

在本具体实施例中，通过改变感应磁场(即，磁场1)对打印体(即，打印体一4)的作用面积和控制感应线圈(即，线圈一2)的移动速率来调节感应磁场对打印体表面的同一个区域的加热时长，即：当磁场移动速率不变时，作用面积越大，同一个区域被磁场覆盖的时间越长；磁场移动速率越慢，同一个区域被磁场覆盖的时间越长。在磁场强度和频率不变的前提下，打印体的表面被磁场加热的时间越长，被加热的区域的温度越高。通过调控感应磁场对打印体的加热时长和调控磁场强度来实现对特定打印区域的打印体表面的温度和熔化状态进行控制。相应参数可采用经验值：通过多次试验获得并形成经验值。

在本具体实施例中，当某些打印区域的层间需要以熔融方式进行连接时，在该打印区域的成型过程中将打印体的表面熔化，以获得极高的结构强度。当某些打印区域的层间需要低强度的连接时(甚至松散的连接)，在该打印区域的成型过程中不将打印体的表面熔化，并且打印体的表面与熔融原料的温差越大、两者之间的结合力就越低；可将低连接强度的打印体或打印区域作为辅助性支撑/支架，在三维打印结束后将辅助性支撑/支架拆除，这样可以实现复杂结构的打印。

因为固态原料(即，线状固态原料一3)位于感应磁场内的区段的体积小，打印体(即，打印体一4)的体积较大，导致这两者被熔化时所需的热量相差较大，因此，可以在熔化固态原料的同时不熔化打印体。相应参数可采用经验值：通过多次试验获得并形成经验值。

在本具体实施例中，固态原料和打印体都被接入控制电路中。当熔融原料与打印体发生接触时，控制电路监测到两者发生接触，之后才移动熔融原料、以进行下一个位置或体素的成型。在本具体实施例中，当某些打印区域的层间需要以熔融方式进行连接时，在该打印区域的成型过程中，在熔融原料与打印体之间施加特定强度的电流、以增强打印体表面的熔化，从而获得比单纯使用磁场加热方式更灵活的控制。绝大部分金属材料的沸点远高于熔点(例如钛金属的熔点大约1660℃、沸点大约3290℃)。在每个体素(三维像素点)的成型过程中，可以在极短的时间内(例如1微秒)施加大电流(例如50安培/熔融原料的直径0.1mm)以辅助磁场加热、将打印体的与熔融原料相接触的区域瞬间熔化。相应参数可采用经验值：通过多次试验获得并形成经验值。

在本具体实施例中，在熔融原料在打印体上累积之后，因为熔融原料从感应线圈的中心位置移向打印体并累积，导致新成型的体素(即像素点)及其临近区域在一定的时长内仍在感应磁场的覆盖范围内；因此，可以控制感应线圈的移动速率以控制新成型体素及其临近区域的冷却速率(即退火速率)。因为熔融原料从感应线圈的中心位置移向打印体并累积，导致打印体上表面的即将累积熔融原料的区域被提前预热。

本具体实施例可三维打印常见的导电性固态材料的零件，例如钨(熔点3400℃)、不锈钢、钛合金、铝合金、铜。不存在现有主流的金属三维打印技术(如slm/ebm/lens)挑材料的问题(即，原料对加热能量存在反射或吸收率低等问题，导致可使用的材料种类受限)。

如图5至图9所示的本发明的一种三维打印方法的第二个较佳具体实施例，与本发明的第一个具体实施例的主要区别在于：感应磁场对打印体的作用区域的面积不变，但可以通过旋转感应线圈(即，线圈二12)来调节感应磁场对打印体的作用区域的分布方式；通过调节感应磁场对打印体的作用区域的分布方式来调节打印体分布于熔融原料累积路径上的即将累积熔融原料的区域的被加热时长(在感应线圈移动速率不变的情况下)，从而调节累积熔融原料的区域的熔化状态。线圈二12也是使用金属管制造，内部的通路用于通冷却液。

在本具体实施例中，固态原料(即，线状固态原料二15)在被感应磁场加热熔化前、被固态原料引导装置13引导其移动方向，感应线圈(即，线圈二12)以固态原料引导装置13的固态原料引导通路为旋转中心。固态原料引导装置13上设置有冷却通路，用于对固态原料引导装置13进行冷却。固态原料引导装置13的冷却通路通过冷却接口14与外界的冷却系统连接。感应线圈(即，线圈二12)近似长方形。

通过旋转感应线圈，以调节打印体分布于熔融原料累积路径上的即将累积熔融原料的区域的被加热时长，如图8和图9所示：箭头d3和d4表示感应线圈和固态原料在xy平面(非垂直方向)内的移动方向，即熔融原料的累积方向；当感应线圈(近似长方形)的长边与移动方向d3平行时，累积熔融原料的区域的被加热时长最大(也就是说，对熔融原料累积的路径在打印体上表面的映射区域的加热时长最长)；当长方形感应线圈的长边与移动方向d4垂直时，累积熔融原料的区域的被加热时长最短(也就是说，对熔融原料累积的路径在打印体上表面的映射区域的加热时长最短)。

在打印体的基础上累积熔融原料的过程中，熔融原料仅与未熔化的固态原料(即，线状固态原料二15)、打印体发生接触，不与其它任何结构接触。熔融原料携带的热量不会对其它结构(例如固态原料引导装置13)造成破坏，因此本具体实施例可以使用超高熔点的导电性材料，例如钨(熔点大约3400℃)。相比起本发明，现有采用“微型熔炉”熔化打印原料的三维打印技术，所能使用的打印原料受限于“微型熔炉”的性能，无法打印高温材料，例如钼、钨。

如图10所示的本发明的一种三维打印方法的第三个较佳具体实施例：固态原料采用粉末状原料(即，粉末状固态原料17)；粉末状固态原料17在箭头d5所示的方向经喷嘴16(属于固态原料引导装置)喷出，并在经过感应线圈(即，线圈三7)的中心区时被磁场加热为熔融原料(即，熔化的液滴状原料18)；累积熔融原料的打印体(即，打印体二21)表面被磁场加热熔化，形成打印体的熔化区二19；在打印体上沉积的熔化原料20固化后转变成打印体；熔融原料在箭头d6所示的方向上累积。本具体实施例与本发明的第一个具体实施例的主要区别在于：固态原料采用粉末状原料(即，粉末状固态原料17)，使用气体推动粉末状原料的喷射；在熔融原料与打印体之间不施加电流。本具体实施例可以采用导电性粉末状固态原料，例如：使用高熔点金属陶瓷粉末，如碳化钛(熔点大约3000℃，可用于航空航天领域)，从而可以三维打印这类材料的零件。在本具体实施例中，熔融原料仅与打印体接触。

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。