CN108356270B - 一种基于接触电阻加热的金属3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法，涉及金属3D打印方法。电加热阴极和阳极后分别接电源的正极和负极，阴极和阳极采用石墨材料，阴极和阳极保持与石墨头点接触，使阴极和阳极升温；将金属打印材料通过送丝***进入石墨头，打印前，3D打印工作台的正上方装夹通电阴极和阳极，通电加热；将丝状金属打印材料进入石墨头中，达到熔融打印标准后，通过送丝***带动挤压，进行打印。基于接触电阻的金属3D打印装置设有电源、金属打印材料、电加热阳极、石墨头、3D打印工作台、电加热阴极和送丝***；电源正极和负极与电加热阳极和阴极连接，电加热阳极和阴极分别与石墨头接触，金属打印材料通过送丝***进入石墨头，工作台设在石墨头下方。

Description

一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法
技术领域
本发明涉及金属3D打印方法，尤其是涉及一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法。
背景技术
近几年来，金属3D打印成为一大热点，但是金属3D打印目前大多数是以激光、电子束等为热源，造价高，成本大，温度难控制，造成了金属3D打印技术的应用([1]黎志勇,杨斌,王鹏程,李俏,莫玉梅.金属3D打印技术研究现状及其趋势[J].新技术新工艺,2017(04):25-28.)，进展缓慢，难以普及。因此，人们为了推动金属3D打印的进展，节省成本，运用了很多其他的加热打印方式，比如，陶瓷烧结([2]朱丽娟,唐猛,于宝海,刘越,田彦文,翟玉春3东北大学材料与冶金学院材料化学系.TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷烧结过程研究[J].材料工程,2001(06):10-12.)、电阻丝加热([3]夏节文.电阻丝加热的成组热处理技术及应用[J].化工施工技术,1994(3):23-25.)等等。但是或多或少都存在一些问题，比如温度太低，温度难以控制，以及打印成品的质量差等。
基于接触电阻的金属3D打印方法是利用直流稳压稳流电源接通特殊材料石墨加热，本专利的思路就是利用2个导体间点接触处，会产生接触电阻的特点([4]许军,李坤.电接触的接触电阻研究[J].电工材料,2011(01):10-13.)，这个接触电阻比导体本身的电阻大得多，给它施加一个几伏的直流电压，可以产生几十甚至数百安培电流，可以使接触点局部迅速达到很高温度，并且温度的高低是可以控制，能熔化不同熔点的金属材料，通过控制加热温度，亦可以改善金相组织特性，加热头配上数控***，进行金属3D打印的加工。
目前，比较成熟的金属3D打印技术，一般是以激光、电子束、等离子弧等为热源，一方面传统的金属3D打印无法在加热过程中调节加热的温度，只能将金属先熔化再塑形，而基于接触电阻的金属3D打印技术可以解决这个问题，为更多方向的金属打印提供可能。另一方面，当前的金属3D打印机及其昂贵，造价太高，而基于接触电阻加热的金属3D打印***不超过1万元，成本低，可以满足普通大众消费水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法。
所述基于接触电阻加热的金属3D打印方法采用基于接触电阻的金属3D打印装置，所述方法包括以下步骤：
1)电加热阴极和阳极后分别接直流稳压稳流电源的正极和负极，所述阴极和阳极采用石墨材料，阴极和阳极保持与石墨头点接触，使阴极和阳极升温；
2)将金属打印材料通过送丝***进入石墨头，进行打印前，3D打印工作台的正上方装夹通电阴极和阳极，通电加热；
3)将丝状金属打印材料进入石墨头中，达到熔融打印标准后，通过送丝***带动挤压，进行打印。
在步骤1)中，所述阴极和阳极保持与石墨头点接触可用弹簧或螺钉加固，点接触产生的接触电阻大约0.1Ω，电压只需要几伏特就可以产生较大的功率，使得局部产生大量的焦耳热，升至高温。
在步骤2)中，所述送丝***可采用电机齿轮带动金属丝，并通过电机控制器调控送丝速度；所述通电加热可利用基于接触电阻加热原理，迅速升温。
所述基于接触电阻的金属3D打印装置设有电源、金属打印材料、电加热阳极、石墨头、3D打印工作台、电加热阴极和送丝***；所述电源的正极与电加热阳极连接，电源的负极与电加热阴极连接，电加热阳极和电加热阴极分别与石墨头接触，金属打印材料通过送丝***进入石墨头，所述3D打印工作台设在石墨头下方。
本发明具有以下优点：
1)成本低、效率高
由于基于接触电阻的金属3D打印方法的成本相对激光等金属3D打印方法来说很小，因此本发明成本低，加热的升温效率高，可在几分钟之内达到所需温度，并进行后续打印工作。
2)温度可调
激光、电子束等金属3D打印方法温度无法调控，而基于接触电阻加热的方法是通过电压电流控制调节温度的大小的，温度可调，使得金属3D打印又向前迈进了一步。
3)成品质量高
本发明是在密闭的环境下进行，严格保证了金属熔化打印后的质量。
附图说明
图1为本发明实施例基于接触电阻的金属3D打印装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的基于接触电阻的金属3D打印圆形铝成品示意图。
图3为本发明实施例的基于接触电阻的金属3D打印金字塔形铝成品示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明采用基于接触电阻的金属3D打印装置(如图1所示)，所述基于接触电阻的金属3D打印装置设有电源1、金属打印材料2、电加热阳极3、石墨头4、3D打印工作台5、电加热阴极6和送丝***7；所述电源1的正极与电加热阳极3连接，电源1的负极与电加热阴极6连接，电加热阳极3和电加热阴极6分别与石墨头4接触，金属打印材料2通过送丝***7进入石墨头4，所述3D打印工作台5设在石墨头4下方。所述基于接触电阻加热的金属3D打印方法如下：电加热阴极、阳极(石墨材料，用其它金属材料高温时容易氧化)，分别接直流稳压稳流电源正极、负极后，都保持与石墨头点接触，为保证阴极和阳极与石墨头持续点接触，可用弹簧或螺钉加固。石墨头与石墨阴阳极之间是点接触，会产生接触电阻，这是本发明的关键所在。通过已有实验，可得点接触产生的接触电阻大约0.1Ω，电压只需要几伏特就可以产生较大的功率，使得局部产生大量的焦耳热，升至高温。
石墨材料的阴极和阳极与石墨头接通，可在短时间内迅速升温，达到所需温度，可达1400℃以上，可以熔化不锈钢。金属打印材料通过送丝***进入石墨头，进行打印前，3D打印工作台的正上方装夹通电阴极和阳极，通电加热，利用基于接触电阻加热原理，迅速升温，然后丝状金属打印材料进入石墨头中，达到熔融打印标准后，通过送丝***带动挤压，进行打印。
以下给出本发明可行性实验结果及结论。
为了验证本发明采用方法的可行性和有效性，按图1连接好电路，通过调节电压电流的大小，可达到不同金属材料的熔点。实验过程中，石墨头短短几分钟内，就变得通红，达到金属所需的熔点，并熔化了金属，流到3D打印工作台上。随着电压电流的增大，温度也会越来越大，目前，可以满足铝、铜、银的熔点。基于接触电阻的金属3D打印装置成本低，易于投入生产，实现了消费级金属3D打印，并且可以控制温度，得到优化。本发明实施例的基于接触电阻的金属3D打印圆形和金字塔形铝成品示意图参见图2和图3。

Claims (2)

1.一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法，其特征在于采用基于接触电阻的金属3D打印装置，所述基于接触电阻的金属3D打印装置设有直流稳压稳流电源、金属打印材料、电加热阳极、石墨头、3D打印工作台、电加热阴极和送丝***；所述直流稳压稳流电源的正极与电加热阳极连接，直流稳压稳流电源的负极与电加热阴极连接，电加热阳极和电加热阴极分别与石墨头接触，金属打印材料通过送丝***进入石墨头，所述3D打印工作台设在石墨头下方；所述方法包括以下步骤：
1)电加热阴极接直流稳压稳流电源的正极，电加热阳极接直流稳压稳流电源的负极，所述阴极和阳极采用石墨材料，阴极和阳极保持与石墨头点接触，使阴极和阳极升温；
2)将金属打印材料通过送丝***进入石墨头，进行打印前，3D打印工作台的正上方装夹通电阴极和阳极，通电加热；所述送丝***采用电机齿轮带动金属丝，并通过电机控制器调控送丝速度；
3)将丝状金属打印材料进入石墨头中，达到熔融打印标准后，通过送丝***带动挤压，进行打印。
2.如权利要求1所述一种基于接触电阻加热的金属3D打印方法，其特征在于在步骤1)中，所述阴极和阳极保持与石墨头点接触用弹簧或螺钉加固，点接触产生的接触电阻为0.1Ω。
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