一種整合機加工技術的金屬三維打印方法及其設備與流程

本發明涉及三維打印技術，尤其是涉及一種整合機加工技術的金屬三維打印方法及其設備，屬于增材制造技術領域。

背景技術：

三維打印技術最早起源于19世紀末的美國，直到20世紀七八十年代在日本和美國得到完善并商業化。現在常見的主流三維打印技術，例如立體光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、選擇性激光燒結(Selecting Laser Sintering，SLS)、三維粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世紀八九十年代在美國獲得商業化。目前已經商業化的用于金屬材料三維打印的技術，主要有選區激光熔化技術(Selective Laser Melting,SLM)和電子束熔融技術(Electron Beam Melting，EBM)，但SLM和EBM技術也有不少缺點，例如：制造成本高昂、維護成本高、打印出來的零件機械強度不高(需要在打印后進行增強處理，尤其是SLS/SLM技術)、打印的幅面小。為了提高SLM和EBM技術打印產生的金屬零件的材料密度，還出現了不少技術，例如申請號為201410289871.X、名稱為“一種提高3D打印金屬件性能的處理方法”的中國專利申請。針對上述SLM和EBM技術的缺點，也出現了不少采用其它成型方法的低成本金屬三維打印技術，例如申請號為201510789205.7、名稱為“一種利用液態金屬直接進行3D打印制造的方法和裝置”的中國專利申請，申請號為201510679764.2、名稱為“一種金屬3D打印快速成型設備”的中國專利申請，又如申請號為201410206527.X、名稱為“擠出式金屬流3D打印機”的中國專利申請，但這些技術存在成型精度低或打印成型的金屬層的層間結合力低等問題。也有將金屬三維打印與傳統機械加工技術整合的，例如申請號為201520920569.X、名稱為“一種金屬零件3D打印數控機床”的中國專利申請，該專利申請由于采用焊槍或堆焊，焊槍或堆焊累積熔化金屬的成型精度低，機加工產生的金屬損耗大，并且焊槍或堆焊會對之前已被機加工處理過的金屬層造成破壞。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種將打印精度高、層間結合力強的金屬三維打印技術與機加工技術相整合的成型方法及其設備系統，能在三維打印的過程中按層干預特定成型位置的形狀和成型精度。

為了實現上述的發明目的，本發明采用的技術方案是：一種整合機加工技術的金屬三維打印方法，其主要過程為：將熔化或軟化且可流動的金屬放置到三維打印設備所使用的成型區，熔化或軟化且可流動的金屬在不具備流動性之后轉變為已打印成型的金屬，熔化或軟化且可流動的金屬在已打印成型的金屬的基礎上累積、直至所要打印的物體成型，由累積的已打印成型的金屬構成所要打印的物體；其中：在累積熔化或軟化且可流動的金屬的過程中，熔化或軟化且可流動的金屬所被放置的位置由所要打印的物體的形狀和結構決定；所述的三維打印設備所使用的成型區，是指三維打印設備在打印物體時所使用的空間；所述的熔化或軟化且可流動的金屬即金屬甲，所述的已打印成型的金屬即金屬乙；

其特征在于：

在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，通過電阻發熱的方式將金屬乙與金屬甲相接觸的部位熔化；

或者，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，通過電阻發熱的方式將金屬乙與金屬甲相接觸的部位的溫度升高、但不熔化；

或者，在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位熔化；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位的溫度升高、但不熔化；

或者，在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位熔化；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位的溫度升高、但不熔化；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間不施加電流；

或者，在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位熔化；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間不施加電流；

或者，在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位的溫度升高、但不熔化；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間不施加電流；

使用刀具對部分打印區域內的金屬乙進行加工，或者對所有的金屬乙進行加工；

所述的部分打印區域，是指在打印物體的過程中金屬甲和金屬乙所要占據的空間當中的一部分。所述的部分打印區域，也可以理解為：所要打印的物體被映射到三維打印設備所使用的成型區形成的映射空間當中的一部分。所述的部分打印區域，也可以被理解為：所要打印的物體在未來占據的空間被提前劃分出來，形成與所要打印的物體呈映射關系的虛擬物體，將該虛擬物體逐步轉變成最終打印成型的真實物體，由虛擬物體轉變成真實物體的過程就是三維打印成型的過程；將該虛擬物體劃分成多個區域，其中的部分區域就是所述的部分打印區域。

可選地：所要打印的物體為目標零件，或者由目標零件和輔助性支架組成。目標零件是使用者所要打印的零件；輔助性支架是輔助性結構，在三維打印結束后被使用者去除。

可選地：

金屬甲與金屬乙相互接觸的位置受到計算機控制；在金屬甲與金屬乙之間所施加的電流受到計算機的控制；

所要打印的物體采用層疊加的方式產生，即所要打印的物體以層的形式進行疊加產生，層的數量至少為一層；每一層由像素點組成；

所述的金屬甲是可流動的，并且金屬甲是否流動受到計算機的控制；在打印過程中，金屬甲以金屬流的形式存在；金屬流的前部在與金屬乙接觸并連接之后，金屬流的前部的溫度降低而自動轉變為金屬乙，形成像素點；金屬流的數量至少為一路。金屬流的前部的溫度降低，是由于金屬流的前部的熱量被媒介導走，例如：之前所累積的金屬乙、三維打印設備的打印支撐平臺，如果在非真空環境下打印成型，環境中的氣體也會導走一部分熱量。

可選地：

在打印過程中，金屬乙被支撐層支撐，即以支撐層作為打印第一層的基礎；

從第一層至最后一層的三維成型步驟如下：

步驟S1，開始打印第一層，在計算機的控制下，金屬甲與支撐層上的與計算機產生的第一層待打印像素隊列當中的第一個像素點所對應的位置進行接觸；支撐層的上表面與第一層的底面共面；

步驟S2，計算機根據用戶設定和/或計算產生的參數，在金屬甲與支撐層之間施加電流或者不施加電流；如果施加電流，電流的強度可被計算機控制；

步驟S3，計算機判斷第一層的打印是否完成，如果沒完成，金屬甲與支撐層相接觸的位置被設置為與下一個像素點相對應的位置，金屬甲與支撐層相互接觸，然后重復步驟S2至步驟S3；如果已完成第一層的打印，并且需要打印下一層，就進入步驟S4；如果不需要打印下一層，打印結束；

步驟S4，開始打印新的一層，在計算機的控制下，金屬甲與之前已打印成型的那一層上的與計算機產生的當前層待打印像素隊列當中的第一個像素點所對應的位置進行接觸；之前已打印成型的那一層的上表面與正在打印的當前層的底面共面；

步驟S5，計算機根據用戶設定和/或計算產生的參數，在金屬甲與金屬乙之間施加電流或者不施加電流；如果施加電流，電流的強度可被計算機控制；

步驟S6，計算機判斷當前層的打印是否完成，如果沒完成，金屬甲與金屬乙相接觸的位置被設置為與下一個像素點相對應的位置，金屬甲與金屬乙相互接觸，然后重復步驟S5至步驟S6；如果已完成，且需要打印下一層，就進入步驟S7；如果不需要打印下一層，打印結束；

步驟S7，重復步驟S4至步驟S6，直至打印結束。

在上述的步驟S3，計算機控制刀具對部分金屬乙進行加工，或者在步驟S3之后、步驟S4之前計算機控制刀具對部分或整層的金屬乙進行加工；例如：去除部分區域的部分金屬乙，削除該層金屬乙的位于邊界線之外的部分，將該層金屬乙的上表面磨平；

在上述的步驟S6，計算機控制刀具對正在成型的層的部分金屬乙進行加工，或者在步驟S6之后、步驟S7之前計算機控制刀具對最新成型的層的部分或整層的金屬乙進行加工；例如：去除部分區域的部分金屬乙，削除該層金屬乙的位于邊界線之外的部分，將該層金屬乙的上表面磨平；

上述的支撐層可以是支撐平臺，也可以是被固定在支撐平臺上的層狀結構，該所述的層狀結構是指被固定在支撐平臺上的板、或支架、或鋪在支撐平臺上的粉層，例如金屬板、或金屬支架、或金屬粉層。

可選地：上述的計算機控制刀具對部分金屬乙進行加工，所加工的部位由用戶設定；當用戶設定增強所打印的零件的表面精度時，刀具的切削點的移動路徑就是金屬乙的邊界線(刀具的旋轉中心的行走路徑與金屬乙的邊界線的偏移距離為刀具在加工時所使用的刀刃部位的半徑)；當用戶設定將金屬乙的上表面磨平時，刀具的切削點或切削面的移動路徑就是在所設定的加工區域的金屬乙上表面進行掃描式移動。

可選地：所述的從第一層至最后一層的三維成型步驟當中的步驟S2和步驟S5，所述的計算產生的參數，由計算機生成，分兩種情形：

情形一，計算機根據目標零件(即將要打印的零件)的形狀、結構，自動生成可拆卸的輔助性打印體(例如與目標零件同步生成的輔助性支架)，為了方便拆卸，可拆卸的輔助性打印體的多數像素點的成型過程不需要通過電阻發熱來增強其結構強度；可拆卸的輔助性打印體的所有不需要通過電阻發熱來增強其結構強度的像素點都被標記不需要施加電流的參數；

情形二，目標零件的實體區的所有像素點的成型過程需要通過電阻發熱來增強其結構強度，目標零件的所有實體區的像素點都被標記需要施加電流的參數。

可選地：所述的部分打印區域，主要由所要打印的零件的形狀決定和/或由使用者設定，或者由計算機優化的算法決定，例如：在打印第一層時，為了便于將所打印的零件固定在支撐層上、但又為了便于將打印好的零件從支撐層上拆卸下來，在某些打印區域內(例如第一層的輪廓線的四個等分點)需要在金屬甲與支撐層之間施加電流以增強兩者之間的連接，而在第一層的其它打印區域內不需要在金屬甲與支撐層之間施加電流以免導致所打印的零件與支撐層之間的結合力過強而難以拆卸。

可選地：所述的部分打印區域，主要分為高成型強度的區域和低成型強度的區域。例如：把目標零件的所有層設定為高成型強度的區域，高成型強度的區域以熔融的方式連接成型(即電阻發熱的強度足以融化金屬乙與金屬甲的接觸部位)；把支架體這類輔助性結構的所有層設定為低成型強度的區域，低成型強度的區域的成型過程不需施加電流。

可選地：所述的部分打印區域，主要分為高成型強度的區域、中成型強度的區域和低成型強度的區域。例如：把目標零件的所有層所對應的需要高成型強度的區域設定為高成型強度區域，把目標零件的所有層所對應的需要中成型強度的區域設定為中成型強度區域，把支架體這類輔助性結構的所有層設定為低成型強度的區域，并且每類打印區域所需施加的電流強度可設定；其中，不需要施加電流的情況可以認為電流強度為零。

可選地：

所述的金屬甲，其熔化程度或軟化程度可調，通過調節金屬甲的溫度高低來實現，并受計算機的控制；金屬甲的流動速度以及在單位時間內的流量可調，通過調節金屬甲受到的擠出壓力大小來實現，并受計算機的控制。

可選地：在金屬甲與金屬乙接觸之前，金屬乙的即將與金屬甲接觸的區域被預熱；預熱方式有多種，例如：高溫等離子體加熱、電弧加熱、高頻電磁感應加熱、激光加熱。

可選地：所述的在金屬甲與金屬乙之間施加電流，是在監測到金屬甲與金屬乙相互接觸之后才施加電流。

可選地：所述的在金屬甲與金屬乙之間施加電流，是在監測到金屬甲與金屬乙相互接觸之后施加電流，在監測到金屬甲與金屬乙不發生接觸時斷開電流。這種電流通斷方式非常適用于當金屬甲為連續金屬流(不是金屬液滴)的情況。

可選地：金屬甲與金屬乙之間的接觸方式為點蘸或拖拽；所述的點蘸，即金屬甲在一個像素點對應的位置與金屬乙接觸并連接后被抬起或被切斷，部分金屬甲與金屬乙粘連而留在金屬乙上面，其它部分的金屬甲與金屬乙分離，等到打印下一個像素點時再與金屬乙接觸；所述的拖拽，在打印過程中金屬甲以金屬流的形式存在，金屬流在需要打印的區域內作相對于金屬乙的移動的同時保持與金屬乙接觸，金屬流的前部在與金屬乙接觸并連接之后自動轉變為金屬乙，然后形成像素點，后續的金屬流與待打印的像素點所對應的位置接觸并且不斷轉變為金屬乙，直至打印結束或者暫停打印。

可選地：在三維成型過程中，使用激光對金屬乙進行加工。

可選地：三維打印所使用的原料，除了金屬，可以是其它導電性材料(非純金屬)，其三維打印方法與所述的金屬三維打印方法相同(即，通過累積熔化導電性材料或軟化且可流動的導電性材料來實現三維打印，在熔化導電性材料或軟化且可流動的導電性材料與已打印成型的導電性材料之間施加電流，通過電阻發熱的方式增強兩者之間的連接強度，或者在部分打印區域在這兩者之間不施加電流)。例如：金屬與陶瓷的混合物(如Ti(C,N)基金屬陶瓷，屬于合金)，導電性化合物(如碳化鈦TiC)，都是導電性材料、但不是純金屬材料。

可選地：所述的刀具為機械加工設備或機械加工裝置在切、削、銑、磨、鉆加工時所使用的各種工具。例如：銑刀、磨頭、鉆頭。

可選地：所述的累積熔化或軟化且可流動的金屬的過程，即累積金屬甲的過程，是在已有的零件的基礎上累積。例如：在其它生產設備生產出的金屬零件的基礎上累積金屬甲(例如在發生局部損傷的航空發動機葉片上累積)，這可以實現對現有金屬零件進行修復。

可選地：所述的使用刀具對部分打印區域內的金屬乙進行加工或者對所有的金屬乙進行加工，是在完成三維打印之后再使用刀具對三維打印成型的零件進行加工。

進一步地，本發明提供了一種運用上述的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法打印金屬零件的整合機加工技術的金屬三維打印設備，技術方案為：一種整合機加工技術的金屬三維打印設備，其特征在于：其包括用于產生熔化或軟化且可流動的金屬的加熱單元、用于控制熔化或軟化且可流動的金屬與已打印成型的金屬之間的相互接觸位置的位置驅動機構、用于在熔化或軟化且可流動的金屬與已打印成型的金屬之間施加電流以實現電阻發熱的發熱電流發生電路、金屬原料輸送單元、用于驅動刀具的機加工單元、以計算機為核心的控制單元；其中：所述的加熱單元、位置驅動機構、發熱電流發生電路、機加工單元、金屬原料輸送單元分別與控制單元連接，并受到控制單元的控制；控制單元接受使用者輸入三維打印所需的文件、參數及控制指令；所述的金屬原料輸送單元將三維打印所需的金屬原料輸送到所述的加熱單元內；

所述的已打印成型的金屬即金屬乙；從加熱單元產生的熔化或軟化且可流動的金屬即金屬甲。

可選地：所述的加熱單元設置有出口，金屬原料在加熱單元中被加熱后從加熱單元的出口輸出形成金屬甲；加熱單元的數量至少為一個。

可選地：所述的加熱單元的數量為多個，每個加熱單元的出口的大小可以不相同。例如：加熱單元的數量為兩個，兩個加熱單元共用部分結構，但被分別獨立控制；一個加熱單元的出口的內徑為50微米，另一個加熱單元的出口的內徑為1毫米，出口內徑為1毫米的加熱單元用于粗打印，出口內徑為50微米的加熱單元用于精細打印；兩個加熱單元在打印過程中協同工作，可以實現高速打印。

可選地：所述的加熱單元主要由加熱腔體、電磁感應線圈、蓋帽組成，其中：加熱腔體內設置有空腔，加熱腔體的下方有出口，加熱腔體的上端與蓋帽連接；蓋帽設置有冷卻結構，冷卻結構用于對蓋帽進行冷卻或散熱；蓋帽設置有與金屬原料輸送單元連接的通孔，金屬原料輸送單元經過該通孔將金屬原料送入加熱腔體內；在加熱腔體外圍設置電磁感應線圈，電磁感應線圈與控制單元連接，通過電磁感應線圈耦合作用而在加熱腔體和/或加熱腔體內的金屬原料產生感應電流并發熱。

可選地：還包括攪拌單元，用于對加熱腔體內的金屬原料進行攪拌，排除混在金屬原料內的氣泡；所述的攪拌單元采用機械攪拌或磁力攪拌方式。

上述的機械攪拌方式采用攪拌桿對加熱腔體內的金屬原料進行攪拌；上述的磁力攪拌方式通過在加熱腔體周圍設置產生旋轉磁場或震蕩磁場的磁場發生裝置，并對加熱腔體內的金屬原料通電，利用安培力實現對加熱腔體內的金屬原料進行攪拌。

可選地：所述的位置驅動機構為多軸運動機構，例如：XYZ三軸運動機構、六軸聯動機械臂。

可選地：所述的發熱電流發生電路與金屬甲、金屬乙連接；金屬甲、金屬乙與發熱電流發生電路的連接狀態受到控制單元的控制，和/或發熱電流發生電路的工作狀態受到控制單元的控制。

可選地：所述的控制單元主要由計算機、驅動電路、傳感電路組成，其中：計算機為通用計算機，或嵌入式計算機，或工控機，或通用計算機與嵌入式計算機構成的復合計算機系統，或工控機與嵌入式計算機構成的復合計算機系統，或通用計算機、工控機、嵌入式計算機構成的復合計算機系統；驅動電路驅動包括加熱單元、位置驅動機構、發熱電流發生電路、金屬原料輸送單元在內的執行機構，為執行機構提供驅動電流和/或驅動信號；計算機通過傳感電路獲取三維打印所需的各種狀態信息。

可選地：所述的金屬原料輸送單元主要由金屬原料倉、金屬原料輸送驅動機構、金屬原料輸送管路組成，其中：金屬原料輸送管路將金屬原料倉、金屬原料輸送驅動機構、加熱單元連接在一起，金屬原料倉存儲金屬原料，金屬原料在金屬原料輸送驅動機構的作用下在金屬原料輸送管路中穿行并到達加熱單元內。金屬原料可以采用金屬粉或金屬線的形式。

可選地：還包括冷卻單元，用于對受到高溫影響但不能承受高溫和/或不需要被加熱的位置進行冷卻，例如冷卻電磁感應線圈、加熱單元與其它組件連接的部位、位置驅動機構、甚至設備的機殼；冷卻單元受到控制單元的控制。

可選地：所述的用于驅動刀具的機加工單元，主要由用于固定刀具的夾持裝置、用于驅動刀具旋轉的刀具動力裝置、用于驅動刀具移動的刀具位置驅動裝置組成，其中：夾持裝置與刀具動力裝置連接，刀具動力裝置通過夾持裝置將動力傳輸給刀具，刀具動力裝置與刀具位置驅動裝置連接。

可選地：上述的機加工單元，還設置有刀具架和刀具更換裝置。

可選地：上述的機加工單元的刀具位置驅動裝置采用多軸機械臂。例如：六軸聯動機械臂。

可選地：上述的機加工單元設置有獨立的冷卻裝置，用于對機加工單元進行冷卻和/或對刀具加工金屬乙(已打印成型的金屬)的過程進行冷卻。

可選地：上述的機加工單元，還設置有噴氣裝置，用于吹走機加工過程產生的碎屑。

可選地：上述的機加工單元，還設置有夾具，用于夾持被加工的零件和/或輔助固定所要打印的金屬零件。

可選地：還包括保護氣體輸送單元，其所輸送的保護氣體主要用于保護被加熱的金屬和/或推動金屬甲的流動；保護氣體輸送單元受到控制單元的控制；保護氣體來源于其它系統(例如使用高壓氣瓶作為所述的整合機加工技術的金屬三維打印設備的保護氣體源，高壓氣瓶存儲來自其它系統制造的惰性氣體)，或者由保護氣體輸送單元制造產生(例如使用分子篩將空氣中的氧氣慮除，將剩下的氣體作為保護氣體，用于某些與氮氣不發生反應的金屬的打印)。

上述的保護氣體輸送單元，主要由保護氣體源、輸送管路、電磁閥、壓力傳感模塊組成；在輸送管路上設置電磁閥、壓力傳感模塊；電磁閥控制保護氣體源往輸送管路輸出的氣體量及持續時間；壓力傳感模塊監測輸送管路內的電磁閥兩側的氣壓；輸送管路將保護氣體源提供的氣體引導至三維打印成型所發生的空間以形成保護氣氛，以及引導至加熱單元以推動金屬甲的流動。

可選地：還包括成型腔，打印成型的過程在成型腔內進行，成型腔將打印成型的過程與大氣隔離開來。

可選地：還包括激光加工單元，受到控制單元的控制，用于在三維成型的過程中對金屬乙進行加工。

本發明的有益效果如下：

(1)本發明通過在像素點成型的過程中施加電流，利用電阻發熱的原理(有別于現有的一些金屬三維打印技術使用的電弧發熱、高溫等離子體加熱原理)，以單個像素點的空間解析度將已成型金屬體與當前正在成型像素點的交界面熔化或者提高交界面的溫度，提高打印產生的金屬體的層間結合力；尤其是在當前正在成型像素點仍處于熔化的狀態下(該熔化狀態維持時間極短)，使用電流將該交界面的已成型金屬體的一側瞬間熔化，在已成型金屬體一側產生貼近該交界面的微型“熔池”，可以實現將兩者以“熔融”的方式連接，該連接的過程類似于“電阻焊”，相當于每個像素點都是被精確焊接到已成型金屬體上；因此，使用本發明的技術打印產生的零件強度高。

本發明通過使用熔化或軟化的金屬(尤其是使用熔化的金屬)與已成型的金屬體接觸，并且該接觸過程存在機械作用力，像素點之間以及正在成型的層與之前已成型的層之間的氣體被驅趕走、縫隙被填充，像素點之間以及層間的“縫隙網絡”少(“縫隙網絡”結構在現有的使用鋪金屬粉層方式的SLS/SLM和EBM中普遍存在，尤其是SLS/SLM，需要在打印后進行高溫熱處理來提高材料密度)；因此，使用本發明的技術打印產生的金屬零件密度高。

本發明將金屬原料加熱熔化或軟化后(尤其是熔化后)，在擠出壓力的作用下從加熱單元的微型噴嘴(或出口)輸出，可以通過使用小口徑的噴嘴(例如50微米的內徑)產生小直徑的像素點；由于噴嘴的位置是被精確控制的，所擠出的液態金屬的位置也被精確控制(有別于現有的一些使用“噴金屬粉”方式的金屬三維打印技術)，并且使用“電阻發熱”的方式來連接像素點與已成型的金屬體，“電阻發熱”的能量作用范圍小且可控性高(有別于現有的一些金屬三維打印技術使用的電弧發熱、高溫等離子體加熱方式)，因此，本發明的成型精度高。

本發明通過在單個像素點成型的過程中，使用電路監測每個像素點的金屬原料與已成型金屬體之間是否實現電氣連接(即兩者是否接觸)，實現對每個像素點成型過程的實時監控，確保每個像素點都能有效地與已成型金屬體連接。

(2)本發明通過將機加工技術(例如基于CNC的數控加工技術)整合到金屬三維打印的過程中，在上述通過“電阻發熱”增強所打印零件強度和精度的基礎上進一步提高所打印零件的外形精度，使本發明所產生的零件的適用性獲得提升，甚至所打印的零件可直接應用于對外形表面精密度和結構強度要求高的情形，例如軸承，而不需要在三維打印成型之后拋光處理。還可以實現對現有的損傷的金屬零件進行修復。

(3)本發明由于在三維成型過程中所累積的像素點的體積小且電阻發熱方式能量作用集中，在經過機加工處理的已打印成型的金屬的基礎上累積像素點過程中，不會破壞此前已被機加工處理過的已打印成型的金屬，因此本發明能實現機加工與三維打印的有機結合。

(4)本發明通過控制特定區域的像素點與已打印成型的金屬體之間的電流通斷或電流的強弱，在打印高強度層間結合力的金屬零件的同時，同步產生層間結合力低的金屬體作為支架，在打印結束之后拆除支架；本發明還可以通過使用多個噴嘴(或者使用多個金屬液化單元)，一個或一些噴嘴輸出較高熔點的金屬材料用于打印目標零件，另一個或另一些噴嘴輸出較低熔點的金屬材料用于打印輔助性支架體，在打印結束后將低熔點金屬熔化和清除；因此本發明可以同步產生輔助性的支架/支架體，以實現打印復雜零件，例如內部存在復雜腔體和管道的金屬零件。

(5)本發明采用簡單的運動驅動機構控制微型金屬液化單元(即加熱單元)的位置和采用電阻發熱方式增強層間結合力，打印的幅面取決于運動驅動機構的運動控制范圍，如果采用大型多軸運動機構，例如大型XYZ三軸運動控制機構，就可以打印大型金屬結構件。

本發明采用簡單的運動驅動機構，采用微型加熱單元產生液態或軟化金屬、僅有微型加熱單元保持高溫狀態，采用簡單的金屬原料輸送方式；因此，設備結構可以做得簡單。本發明的實施成本低廉，即生產成本和使用成本低。

綜上所述，本發明的有益效果：產生的金屬零件強度高且密度高、成型精度高、每個像素點的打印過程都受到監控、可同步產生可拆卸的輔助性支架、可打印大型零件、可用于修復金屬零件、設備結構簡單、成本低廉，可推動金屬三維打印技術在工業生產、原型設計、創意設計等領域普及。本發明具有實質性進步。

附圖說明

圖1是三維立體透視圖，用于說明本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印設備的一個較佳具體實施例的整體結構；

圖2是示意圖，用于說明圖1所示的本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印設備的較佳具體實施例的組成原理；

圖3至圖8都是示意圖，用于說明本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法的一個較佳具體實施例的成型原理；其中：

圖3用于說明該較佳具體實施例的三維打印成型原理，其中的箭頭D1表示移動方向；

圖4用于說明該較佳具體實施例的三維打印成型原理，其中的箭頭D2表示移動方向；

圖5是圖4中虛線圓圈所包圍的局部的放大圖，用于說明該較佳具體實施例的三維打印成型原理；

圖6用于說明該較佳具體實施例的使用刀具對剛打印成型的金屬層進行進一步加工的情形；

圖7和圖8用于說明該較佳具體實施例在打印所需金屬零件的同時，同步打印可拆卸的輔助性支架；

圖9和圖10是流程圖，用于說明圖3至圖8所示的本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法的較佳具體實施例的三維打印成型過程，其中圖9的標號S101至S110和圖10的標號S201至S210用于標示流程的具體步驟；

其中的標號：1-用于產生熔化可流動金屬的金屬液化單元，2–六軸機械臂一，3-打印支撐平臺，4-成型腔，5-金屬原料輸送管路，6-保護氣體源，7-殼體,8-發熱電流發生電路，9-導通探測電路，10-支撐層，11-金屬原料倉，12-金屬原料輸送驅動機構，13-電磁閥和壓力傳感模塊一，14-加熱腔體，15-蓋帽，16-電磁感應線圈，17-保溫層，18-加熱腔的噴嘴，19-冷卻模塊一，20-電磁感應加熱驅動模塊，21-冷卻模塊二，22-電磁閥和壓力傳感模塊二，23-熔化的金屬原料，24-從加熱腔體流出的熔化的金屬，25-已打印成型的金屬二，26-已打印成型的金屬一，27–六軸機械臂二，28–刀具，29-零件一，30-支架一，31-零件二，32–夾具。

具體實施方式

下面列舉本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法的一個較佳具體實施例和本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印設備的一個較佳具體實施例，并結合附圖對本發明進行詳細描述。

如附圖3至附圖10所示的本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法的一個較佳具體實施例：一種整合機加工技術的金屬三維打印方法，其主要過程為：將熔化或軟化且可流動的金屬放置到三維打印設備所使用的成型區(對應附圖1和附圖2所示的成型腔4)，熔化或軟化且可流動的金屬在不具備流動性之后轉變為已打印成型的金屬，熔化或軟化且可流動的金屬在已打印成型的金屬的基礎上累積、直至所要打印的物體成型，由累積的已打印成型的金屬構成所要打印的物體；其中：在累積熔化或軟化且可流動的金屬的過程中，熔化或軟化且可流動的金屬所被放置的位置由所要打印的物體的形狀和結構決定；所述的三維打印設備所使用的成型區，是指三維打印設備在打印物體時所使用的空間；所述的熔化或軟化且可流動的金屬即金屬甲，所述的已打印成型的金屬即金屬乙；

在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間施加電流，采用電阻發熱的方式，使金屬乙與金屬甲相接觸的部位熔化，從而使金屬甲與金屬乙之間通過熔融的方式實現連接；在部分打印區域，在累積金屬甲的過程中，在金屬甲與金屬乙之間不施加電流；使用刀具對所有的金屬乙的每層邊緣進行加工，以進一步提高最終打印成型的金屬零件的外形的精度；刀具的切削點的移動路徑就是每層整層金屬乙的邊界線(刀具的旋轉中心的行走路徑與金屬乙的邊界線的偏移距離為刀具在加工時所使用的刀刃部位的半徑)。

所述的部分打印區域，是指在打印物體的過程中金屬甲和金屬乙所要占據的空間當中的一部分。所述的部分打印區域，也可以被理解為：所要打印的物體被映射到三維打印設備所使用的成型區形成的映射空間當中的一部分。所述的部分打印區域，也可以被理解為：所要打印的物體在未來占據的空間被提前劃分出來，形成與所要打印的物體呈映射關系的虛擬物體，將該虛擬物體逐步轉變成最終打印成型的真實物體；由虛擬物體轉變成真實物體的過程就是三維打印成型的過程；將該虛擬物體劃分成多個區域，其中的部分區域就是所述的部分打印區域。

本具體實施例中，所要打印的物體包括目標零件和輔助性支架，這在后面有闡述。

本具體實施例中，金屬甲與金屬乙相互接觸的位置受到計算機控制；在金屬甲與金屬乙之間所施加的電流受到計算機的控制；所要打印的物體采用層疊加的方式產生，即所要打印的物體以層的形式進行疊加產生，并且層的數量為多層；每一層由像素點組成，像素點之間互相連接；每層都由單層像素點組成；金屬甲是可流動的，并且金屬甲是否流動受到計算機的控制。在打印過程中，金屬甲以金屬流的形式存在；金屬流的前部在與金屬乙接觸并連接之后，金屬流的前部的溫度降低而自動轉變為金屬乙并形成像素點；金屬流的數量為一路。金屬流的前部的溫度降低，是由于金屬流的前部的熱量被媒介導走，例如：之前所累積的金屬乙、三維打印設備的打印支撐平臺、環境中的保護氣體也會導走一部分熱量。

本具體實施例中，金屬甲與金屬乙之間的接觸方式為拖拽；所述的拖拽，在打印過程中金屬甲以液態實體金屬流的形式存在(不是粉末態的松散金屬流)，金屬流在需要打印的區域內作相對于金屬乙的移動的同時保持與金屬乙接觸，金屬流的前部在與金屬乙接觸并連接之后自動轉變為金屬乙，然后形成像素點，后續的金屬流與待打印的像素點所對應的位置接觸并且不斷轉變為金屬乙，直至打印結束或打印暫停。使用拖拽方式可以實現高速打印，且設備系統的控制難度更低、使用壽命更長。

金屬乙被支撐層10支撐，即在打印過程中打印成型的金屬被支撐層10固定住，以支撐層10作為打印第一層的基礎；支撐層10是被固定在打印支撐平臺3上的金屬板，該金屬板與打印使用的金屬原料是同種材料，也可以使用材料不同但能與目標零件相互焊接在一起的金屬板；如附圖5所示的從加熱腔體流出的熔化的金屬24屬于金屬甲，附圖5中的已打印成型的金屬二25和已打印成型的金屬一26都屬于金屬乙。

本具體實施例中，在開始三維成型之前，需要先做準備性工作，例如：在打印支撐平臺3上固定一塊金屬板作為支撐層10，導入STL格式的三維圖形文件、設定實際打印零件與三維圖形的縮放比例、打印精度，產生保護氣氛，產生預設溫度的熔化的金屬原料23。

在準備性工作就緒之后，從第一層至最后一層的打印成型步驟如下：

步驟S1，開始打印第一層，在計算機的控制下，金屬甲與支撐層10上的與計算機產生的第一層待打印像素隊列當中的第一個像素點所對應的位置進行接觸；支撐層10的上表面與第一層的底面共面；本具體實施例中，在確保金屬甲的發生裝置的出口與支撐層10之間的距離以及金屬甲的流出速度都可控的情況下，通過監測金屬甲與支撐層10之間是否建立電氣連接以及電阻值來判斷金屬甲與支撐層10是否接觸，即：將金屬甲與支撐層10都引入一個探測電路里(對應附圖2中的導通探測電路9)，探測電路的一極與金屬甲連接，探測電路的另一極與支撐層10連接，如果金屬甲與支撐層10相互接觸，該探測電路就形成一個回路；同時還監測金屬甲與支撐層10之間的電阻值。

步驟S2，計算機根據用戶設定和計算產生的參數，在金屬甲與支撐層10之間施加電流或者不施加電流；如果需要在金屬甲與支撐層10之間施加電流，電流的強度受到計算機控制；本具體實施例中，在打印生成輔助性支架(如附圖8所示的支架一30)的時候不需要施加電流；在打印生成目標零件(如附圖7和附圖8所示的零件一29)的時候，如果正在打印的像素點是作為該零件與支撐層10之間的強化連接點，則需要施加電流，并且電流的強度足以在設定的單個像素點生成時間內(例如五萬分之一秒)熔化支撐層10與金屬甲的接觸面，其它像素點的成型則不需要施加電流。所施加的電流強度是經驗值，經過多次測試獲得。在本具體實施例中，支架(如附圖8所示的支架一30)在打印結束后被拆除，支架的層與層之間不需要高的結合強度。

步驟S3，計算機判斷第一層的打印是否完成，如果沒完成，金屬甲與支撐層10相接觸的位置被設置為與下一個像素點相對應的位置，金屬甲與支撐層10相接觸，然后重復步驟S2至步驟S3；如果已完成第一層的打印，計算機控制刀具對整層的金屬乙的邊界線(邊緣)進行加工，以提高外形精度；如果需要打印下一層，就進入步驟S4；如果不需要打印下一層，打印就結束；本具體實施例中，打印一個零件(如附圖7和附圖8所示的零件一29)，需要打印多層，并且每層由多個像素點組成。

步驟S4，開始打印新的一層，在計算機的控制下，金屬甲與之前已打印成型的那一層上的與計算機產生的當前層待打印像素隊列當中的第一個像素點所對應的位置進行接觸；之前已打印成型的那一層的上表面與正在打印的當前層的底面共面；本具體實施例中，金屬乙通過支撐層10接入探測電路(對應附圖2中的導通探測電路9)，即通過該探測電路監測金屬甲與之前已打印成型的那一層之間是否接觸。

步驟S5，計算機根據用戶設定和計算產生的參數，控制是否在金屬甲與金屬乙之間施加電流；如果施加電流，電流的強度受到計算機的控制；本具體實施例中，在打印生成支架(如附圖8所示的支架一30)的時候不需要施加電流，在打印生成零件(如附圖7和附圖8所示的零件一29)的時候需要施加電流，并且電流的強度足以在設定的單個像素點生成時間內(例如五萬分之一秒)熔化金屬乙與金屬甲的接觸面。所施加的電流強度是經驗值，經過多次測試獲得。

步驟S6，計算機判斷當前層的打印是否完成，如果沒完成，金屬甲與金屬乙相接觸的位置被設置為與下一個像素點相對應的位置，金屬甲與金屬乙接觸，然后重復步驟S5至步驟S6；如果已完成，計算機控制刀具對最新成型的整層的金屬乙的邊界線(邊緣)進行加工，以提高外形精度；如果需要打印下一層，就進入步驟S7；如果不需要打印下一層，打印就結束。

步驟S7，重復步驟S4至步驟S6，直至打印結束。

本具體實施例中，所述的從第一層至最后一層的三維成型步驟當中的步驟S2和步驟S5，所述的計算產生的參數，由計算機生成，分兩種情況：情況一，計算機根據目標零件(即將要打印的零件)的形狀、結構，自動生成可拆卸的輔助性打印體(例如與目標零件同步生成的輔助性支架)，為了方便拆卸，可拆卸的輔助性打印體的多數像素點的成型過程不需要通過電阻發熱來增強其結構強度；可拆卸的輔助性打印體的所有不需要通過電阻發熱來增強其結構強度的像素點都被標記上不需要施加電流的參數；情況二，目標零件的實體區的所有像素點的成型過程需要通過電阻發熱來增強其結構強度，目標零件的實體區的所有像素點都被標記上需要施加電流的參數。

本具體實施例中，所述的部分打印區域，主要由所要打印的零件的形狀決定，以及由計算機優化的算法決定。在打印第一層時，為了便于將所打印的零件固定在支撐層10上、但又為了便于將打印好的零件從支撐層10上拆卸，只選擇在所打印的零件第一層的輪廓線上的四個等分點與支撐層10接觸的部位、以及第一層的輪廓中心點與支撐層10接觸的部位施加電流以增強這些部位的連接，而在第一層的其它區域不需要在金屬甲與支撐層10之間施加電流以免導致所打印的零件與支撐層10之間的結合力過強而難以拆卸。

本具體實施例中，所述的部分打印區域，也可以分為高成型強度的區域和低成型強度的區域。例如：把目標零件的所有層設定為高成型強度的區域，高成型強度的區域以熔融的方式連接成型；把支架體這類輔助性結構的所有層設定為低成型強度的區域，低成型強度的區域的成型過程不需施加電流。輔助性的支架/支架體(如附圖8所示的支架一30)，在打印完成后將支架拆除。

本具體實施例中，所述的金屬甲，其熔化程度可調，通過調節金屬甲的溫度高低來實現，并受計算機的控制；計算機通過傳感器獲取加熱腔體14和加熱腔體14所處的保護氣氛環境的溫度來估算出熔化的金屬原料23的溫度，也可以在加熱腔體14內部腔體放置超高溫熱電偶來探測金屬原料23的溫度；通過調節熔化的金屬原料23的溫度和控制金屬甲的噴出速度來控制金屬甲溫度的高低，這些參數是經驗值，通過多次測試獲得這些經驗值；這些經驗值被存儲為數據表，計算機在打印過程中根據用戶設定的打印模式調用對應的經驗值作為控制參數。金屬甲的流動速度及單位流量可調，通過調節金屬甲受到的擠出壓力大小來實現，并受計算機的控制；在加熱腔的噴嘴18的內徑為固定值的情況下，熔化的金屬原料23的溫度和擠出壓力決定金屬甲的流動速度及單位時間內的流量，這也是通過多次測試獲得經驗值，并形成經驗值數據表，計算機在打印過程中根據用戶設定的打印模式調用對應的經驗值作為控制參數。

本具體實施例中，在金屬甲與金屬乙接觸之前，金屬乙的即將與金屬甲接觸的區域被預熱，使用電磁感應加熱的方式預熱：在加熱腔體14的外圍設置一個電磁感應線圈16，電磁感應線圈16的最下端與加熱腔的噴嘴18的最下端齊平，并且在加熱腔體14被移動的過程中確保電磁感應線圈16的最下端不碰到已打印成型的金屬(即金屬乙)；電磁感應線圈16在加熱金屬原料的同時，電磁感應線圈16的下端的磁力線會使其正下方的金屬乙感生渦流而發熱，但由于電磁感應線圈16的下端的磁力線弱于電磁感應線圈16的螺旋中心中段、且金屬乙的體積較大(相對于金屬甲)以及金屬乙的熱量被導走(例如保護氣氛和支撐層10、打印支撐平臺3都會將金屬乙的熱量導走)、電磁感應線圈16始終跟隨加熱腔體14移動導致金屬乙被加熱時間短，因此，電磁感應線圈16對金屬乙僅起到預熱作用而無法達到能熔化金屬乙的溫度。當金屬甲與金屬乙之間被施加電流的時候，電磁感應線圈16的電源被切斷，以避免金屬甲被安倍力推動或擾動，但金屬甲與金屬乙之間的電流的方向與電磁感應線圈16內部的磁力線平行，產生的安倍力在正常情況下可以忽略。

本具體實施例中，所述的在金屬甲與金屬乙之間施加電流，是在監測到金屬甲與金屬乙相互接觸之后才施加電流的，即發熱電流發生電路8在金屬甲與金屬乙相互接觸之后才輸出電壓；如果在金屬甲與金屬乙相互接觸之前，發熱電流發生電路8處于輸出電壓的狀態，在金屬甲與金屬乙相互接觸的瞬間會產生電火花。

具體應用方案：

如附圖3至附圖5所示。附圖中的箭頭D1和D2代表加熱腔體14的移動方向。加熱腔體14內的熔化的金屬原料23通過高頻電磁感應加熱使溫度高于金屬原料的熔點而獲得。加熱腔體14的下端是加熱腔的噴嘴18，加熱腔的噴嘴18帶有50微米內徑的通孔。如附圖3所示，正在打印第一層，在擠出壓力的作用下，從加熱腔體流出的熔化的金屬24(屬于金屬甲)與支撐層10接觸，所接觸的位置與正在打印的像素點的位置對應。如附圖4和附圖5所示，正在打印第二層。通過控制加熱腔體14的位置來實現對從加熱腔體流出的熔化的金屬24(即金屬甲)的位置控制。發熱電流發生電路8的輸出電極分別與熔化的金屬原料23、支撐層10連接。

由于金屬的電阻隨著溫度升高而升高，金屬乙與金屬甲發生接觸的部位被電流加熱后電阻值變大，而電流傾向于往電阻值低的部位流動；金屬甲的表面是曲面/非平面，金屬甲是流動的，金屬甲與金屬乙的接觸是一個動態的過程，導致了在形成單個像素點的過程中金屬甲與金屬乙接觸的過程是由非常小的局部擴展為像素點的金屬甲與金屬乙接觸的整個曲面，也就是說先發生接觸的局部被電流加熱溫度升高、電阻值升高，后發生接觸的局部的溫度相對較低、電阻值較低，電流往后發生接觸的部位流動、引起后發生接觸部位的溫度升高，最終導致整個像素點金屬甲與金屬乙的交界面全部被電流加熱，該電流加熱過程是在極短時間內完成的(例如短于五萬分之一秒的時間)；如果在足夠短的時間內(例如十萬分之秒)，所施加的電流強度足夠大(例如200安培)，像素點金屬甲與金屬乙交界面的升溫速度遠超過其熱量擴散速度，導致該交界面的金屬乙一側的緊貼該交界面的位置產生微型熔池。

如圖6所示，在三維打印形成零件二31的第N層金屬乙之后(N代表任意非零整數)，六軸機械臂二27移動刀具28對第N層金屬乙的邊緣進行加工，以進一步提高零件二31的外形精度。刀具的切削點的移動路徑就是第N層整層金屬乙的邊界線(刀具的旋轉中心的行走路徑與金屬乙的邊界線的偏移距離為刀具在加工時所使用的刀刃部位的半徑)，將邊界線外的金屬乙切削去除(由于金屬甲是可流動和可變形的，金屬甲在三維打印成型過程中位于邊界線上的像素點在固化前有可能往邊界線外擴展少量體積，導致金屬乙的邊界線可能不完全與所對應的CAD數據模型的邊界線保持一致)。刀具28在加工過程中被電動機驅動而高速旋轉，通過旋轉獲得切削力。支撐層10被夾具32固定到打印支撐平臺3上。

附圖7和附圖8所示的零件一29是一個不規則的異形零件(截面圖)，零件一29是目標零件，打印該零件需要支架的輔助，如附圖8所示的支架一30作為輔助性支架。支架一30是計算機自動生成的，可以設定：當目標零件(即所要打印的去除輔助性支架之后的零件)某處曲面的切線與水平面(在本具體實施例中，支撐層10上表面為水平面)之間的夾角小于預設的角度時，該處的曲面下方垂直方向產生輔助性支架，這種通過輔助性支架來輔助打印的方式在現有的FDM(熔融沉積制造)技術中很常用。

附圖9是打印第一層的流程：

步驟S101，準備性工作就緒，準備開始打印金屬物體(包括零件一29和支架一30)的第一層；以支撐層10作為打印第一層的基礎；計算機調整加熱腔的噴嘴18與支撐層10之間的距離以滿足打印第一層的需要；該距離值是經驗值，經過多次測試獲得，該經驗值在后面有闡述。

步驟S102，金屬甲在計算機的控制下，加熱腔的噴嘴18在需要打印的區域內移動并輸送出熔化的可流動的金屬(即金屬甲，如附圖3所示)，金屬甲與支撐層10上表面的與計算機產生的第一層待打印像素隊列當中的第一個像素點對應的位置進行接觸。上述需要打印的區域包括零件一29的第一層和支架一30的第一層；計算機產生的第一層待打印像素隊列包括零件一29的第一層和支架一30的第一層的所有像素點，并且對所有像素點排序，以打印整層金屬所需的時間最少為排序原則(在此原則下，加熱腔的噴嘴18移動路徑的總長度為最短)。

步驟S103，計算機判斷金屬甲與支撐層10是否已經接觸，如果已經接觸，就進入步驟S106；如果未接觸，就進入步驟S104。在此步驟，如果金屬甲不連續(例如金屬甲在生成過程中被氣泡阻斷，或者金屬甲局部被氣化)，會被監測到。

步驟S104，金屬甲與支撐層10之間不被施加電流，即發熱電流發生電路8不輸出電壓。

步驟S105，加熱腔的噴嘴18暫停移動，等待金屬甲與支撐層10接觸，進入步驟S103。

步驟S106，計算機判斷當前所在位置的打印成型(即正在打印的像素點)是否需要通過電阻發熱來提高連接強度，如果需要提高連接強度，就進入步驟S107；如果不需要提高連接強度，就進入步驟S108。在本具體實施例中，支架一30的第一層的所有像素點不需要通過電阻發熱來提高連接強度；零件一29的第一層的輪廓線上的四個等分點與支撐層10接觸的部位、以及第一層的輪廓中心點與支撐層10接觸的部位施加電流以增強這些部位的連接，而在第一層的其它區域不需要在金屬甲與支撐層10之間施加電流以免導致所打印的零件與支撐層之間的結合力過強而難以拆卸。

步驟S107，計算機控制發熱電流發生電路8輸出電壓，在金屬甲與支撐層10之間產生強電流，在五萬分之一秒的時間內使當前位置的金屬甲(即正在打印的像素點)與支撐層10交界面的位于支撐層10一側產生微型熔池(此時的金屬甲仍處于熔化狀態)，之后計算機控制發熱電流發生電路8停止輸出電壓。所施加的電流強度是經驗值，經過多次測試獲得。金屬甲的體積極小，熱容量極小，熔融狀態的維持時間極短，因為支撐層10和保護氣氛等媒介會在極短時間內將金屬甲的熱量導走。

步驟S108，計算機判斷第一層是否已經打印結束，如果還沒結束，就進入步驟S109；如果第一層打印結束，就進入S110。

步驟S109，加熱腔的噴嘴18移動至下一個像素點對應的位置(加熱腔的噴嘴18的移動是以支撐層10為參照物)，然后返回步驟S103。

步驟S110，第一層打印結束。計算機控制刀具對整層的金屬乙的邊界線(邊緣)進行加工，以進一步提高外形精度。

附圖10是打印第二層以及之后的其它層的流程(其中n代表2以及大于2的數)：

步驟S201，準備開始打印金屬物體(包括零件一29和支架一30)的第n層；計算機調整加熱腔的噴嘴18與之前已打印完成的第n-1層之間的距離以滿足打印第n層的需要；該距離值是經驗值，經過多次測試獲得，該經驗值在后面有闡述。

步驟S202，金屬甲在計算機的控制下，加熱腔的噴嘴18在需要打印的區域內移動并輸送出熔化的可流動的金屬(即金屬甲，如附圖5所示的從加熱腔體流出的熔化的金屬24)，金屬甲與第n-1層上的與計算機產生的第n層待打印像素隊列當中的第一個像素點對應的位置進行接觸。上述需要打印的區域包括零件一29的第n層和支架一30的第n層；計算機產生的第n層待打印像素隊列包括零件一29的第n層和支架一30的第n層的所有像素點，并且對所有像素點排序，以打印整層金屬所需的時間最少為排序原則(在此原則下，加熱腔的噴嘴18移動路徑的總長度為最短)。

步驟S203，計算機判斷金屬甲與第n-1層是否已經接觸，如果已經接觸，就進入步驟S206；如果未接觸，就進入步驟S204。在此步驟，如果金屬甲不連續(例如金屬甲在生成過程中被氣泡阻斷，或者金屬甲局部被氣化)，會被監測到。

步驟S204，金屬甲與金屬乙(如附圖5所示的已打印成型的金屬二25、已打印成型的金屬一26)之間不被施加電流，即發熱電流發生電路8不輸出電壓。在此步驟，包括已打印成型的第n-1層金屬在內的金屬乙實際上是通過支撐層10接入發熱電流發生電路8的，也可以理解為在金屬甲與支撐層10之間不施加電流，或者金屬甲與已打印成型的第n-1層金屬之間不被施加電流。

步驟S205，加熱腔的噴嘴18暫停移動，等待金屬甲與第n-1層金屬(屬于金屬乙)接觸，進入步驟S203。

步驟S206，計算機判斷當前所在位置的打印成型(即正在打印的像素點)是否需要通過電阻發熱來提高連接強度，如果需要提高連接強度，就進入步驟S207；如果不需要提高連接強度，就進入步驟S208。支架一30的第n層的所有像素點不需要通過電阻發熱來提高連接強度；零件一29的第n層的所有像素點都需要通過電阻發熱來提高連接強度。

步驟S207，計算機控制發熱電流發生電路8輸出電壓，在金屬甲與金屬乙之間產生強電流，在五萬分之一秒的時間內使當前位置的金屬甲(即正在打印的像素點)與金屬乙交界面的位于金屬乙一側產生微型熔池(此時的金屬甲仍處于熔融狀態)，之后計算機控制發熱電流發生電路8停止輸出電壓。所施加的電流強度是經驗值，經過多次測試獲得。在此步驟，包括已打印成型的第n-1層金屬在內的金屬乙實際上是通過支撐層10接入發熱電流發生電路8的，也可以理解為在金屬甲與支撐層10之間施加電流，或者金屬甲與已打印成型的第n-1層金屬之間被施加電流。金屬甲的體積極小，熱容量極小，熔融狀態的維持時間極短，因為已打印成型的金屬(即金屬乙)和保護氣氛等媒介會在極短時間內將金屬甲的熱量導走，金屬甲攜帶的熱量無法將金屬甲與金屬乙接觸面的金屬乙一側熔化；如果不通過電阻發熱的方式將金屬甲與金屬乙交界面的位于金屬乙的一側熔化，金屬甲與金屬乙的連接強度就不高。

步驟S208，計算機判斷第n層是否已經打印結束，如果還沒結束，就進入步驟S209；如果第n層打印結束，就進入S210。

步驟S209，加熱腔的噴嘴18移動至下一個像素點對應的位置，然后返回步驟S203。

步驟S210，第n層打印結束。計算機控制刀具對最新成型的第n層整層的金屬乙的邊界線(邊緣)進行加工，以進一步提高外形精度。

由于在金屬原料熔化過程中，金屬原料內可能混有氣體，并且本具體實施例在非真空環境下實施，導致熔化的金屬原料23內可能存在氣泡。在擠出壓力的作用下，氣泡可能會跟隨熔化的金屬原料23從加熱腔的噴嘴18流出，導致從加熱腔體流出的熔化的金屬24(即金屬甲)可能是不連貫的。所以，需要一個實時監測金屬甲是否與金屬乙接觸的電路，即導通探測電路9(屬于控制單元的一部分)。通過實時監測金屬甲是否與金屬乙接觸來判斷當前正在打印的像素點是否有效，即：是否有金屬甲填充該像素點所在的位置點。并且，在監測到金屬甲與金屬乙已經接觸之后，才對金屬甲和金屬乙施加電流，可以避免兩者之間產生電火花，進而避免電火花產生的微型爆炸將金屬甲推走甚至炸飛。在本具體實施例中，導通探測電路9的響應速度極高，采樣頻率為100MHz，在五千萬分之一秒的時間內做出響應。

如附圖1和附圖2所示的本發明的一種整合機加工技術的金屬三維打印設備的一個較佳具體實施例，該較佳具體實施例是一種應用上述的一種整合機加工技術的金屬三維打印方法較佳具體實施例的設備。該較佳具體實施例，包括用于產生熔化的金屬的加熱單元(對應附圖1中的用于產生熔化可流動金屬的金屬液化單元1)、用于控制熔化的金屬與已打印成型的金屬之間的相互接觸位置的位置驅動機構(對應附圖1中的六軸機械臂一2、打印支撐平臺3)、用于在熔化的金屬與已打印成型的金屬之間施加電流以實現電阻發熱的發熱電流發生電路8、用于驅動刀具的機加工單元、以計算機為核心的控制單元(未在附圖中完整示出)、金屬原料輸送單元(對應附圖2中的金屬原料倉11、金屬原料輸送驅動機構12、金屬原料輸送管路5)、保護氣體輸送單元(包括保護氣體源6、電磁閥和壓力傳感模塊一13、電磁閥和壓力傳感模塊二22及對應的管路)、冷卻單元(包括冷卻模塊一19和冷卻模塊二21)、成型腔4；其中：所述的加熱單元、位置驅動機構、發熱電流發生電路8、機加工單元、金屬原料輸送單元、保護氣體輸送單元、冷卻單元分別與控制單元連接，并受到控制單元的控制；控制單元接受使用者輸入三維打印所需的文件、參數及控制指令；加熱單元、位置驅動機構、發熱電流發生電路8、機加工單元、金屬原料輸送單元、保護氣體輸送單元、冷卻單元分別設置于或部分設置于殼體7內部空間；殼體7內部的空間作為成型腔4，并被保護氣體填充，在成型腔4形成保護氣氛。

所述的已打印成型的金屬即金屬乙；從加熱單元流出的熔化的金屬即金屬甲(對應附圖5中的從加熱腔體流出的熔化的金屬24)。

本具體實施例中，所述的加熱單元(對應附圖1中的用于產生熔化可流動金屬的金屬液化單元1)主要由加熱腔體14、電磁感應線圈16、蓋帽15組成，其中：加熱腔體14內有空腔，加熱腔體14的下端是加熱腔的噴嘴18并且有出口，加熱腔體14的上端與蓋帽15連接，蓋帽15和電磁感應線圈16都與六軸機械臂一2連接；蓋帽15內部設置有冷卻通路作為冷卻結構，冷卻通路與外界的冷卻模塊二21連接，將蓋帽15與六軸機械臂一2連接處的溫度控制在50℃左右；蓋帽15上有一個與金屬原料輸送單元的金屬原料輸送管路5相互連接的通孔，金屬原料輸送單元經過該通孔將金屬原料送入加熱腔體14內；電磁感應線圈16采用金屬管制成，金屬管內部的通路與外界的冷卻模塊一19連接，電磁感應線圈16與電磁感應加熱驅動模塊20連接(電磁感應加熱驅動模塊20屬于控制單元的一部分)；通過電磁感應線圈16耦合作用而在加熱腔體14和加熱腔體14內的金屬原料產生感應電流并發熱，在加熱腔體14內產生熔化的金屬原料23；熔化的金屬原料23從加熱腔的噴嘴18流出產生金屬甲(對應附圖5的從加熱腔體流出的熔化的金屬24)；加熱腔體14的下段被保溫層17包裹，保溫層17介于加熱腔體14、電磁感應線圈16之間，但保溫層17不接觸電磁感應線圈16。加熱單元的數量為一個。

本具體實施例中，機加工單元主要由用于固定刀具的夾持裝置、用于驅動刀具旋轉的刀具動力裝置、用于驅動刀具移動的刀具位置驅動裝置(如圖1、圖2和圖6中的六軸機械臂二27所示)組成，其中：夾持裝置與刀具動力裝置連接，刀具動力裝置通過夾持裝置將動力傳輸給刀具，刀具動力裝置與刀具位置驅動裝置連接，刀具位置驅動裝置控制刀具動力裝置的位置、進而控制刀具28的位置；刀具動力裝置采用電動機，電動機采用水冷方式降溫(電動機通過管路與外設的水泵和水缸連接)。刀具28為機加工單元在對已打印成型的金屬(金屬乙)進行切、削、銑、磨、鉆等類型加工時所使用的各種工具(例如：銑刀、磨頭、鉆頭、雕刻刀)，屬于耗材。

本具體實施例中，所述的冷卻單元(包括冷卻模塊一19和冷卻模塊二21)，采用水冷方式，對受到高溫影響但不能承受高溫和不需要被加熱的位置進行冷卻，例如對電磁感應線圈16和加熱腔體14上端的蓋帽15進行冷卻。

本具體實施例中，所述的位置驅動機構為多軸運動機構，采用XYZ三軸運動機構；X軸和Y軸驅動加熱單元(對應附圖1中的用于產生熔化可流動金屬的金屬液化單元1)的移動，Z軸驅動打印支撐平臺3的升降(在垂直方向的移動)。

本具體實施例中，所述的控制單元主要由計算機、驅動電路、傳感電路組成，其中：計算機為通用計算機與嵌入式計算機構成的復合計算機系統，通用計算機作為上位機，嵌入式計算機(例如以ARM11為內核的MCU)作為下位機；驅動電路驅動包括加熱單元、位置驅動機構、發熱電流發生電路8、金屬原料輸送單元、保護氣體輸送單元、冷卻單元在內的執行機構，為執行機構提供驅動電流和/或驅動信號；計算機通過傳感電路獲取三維打印所需的各種狀態信息，例如位置、壓強、溫度、電流強度、氣體成分、轉速、磁場強度、電容、電阻、濕度、紅外線、圖像等信息。附圖2中的電磁感應加熱驅動模塊20和導通探測電路9都屬于控制單元的一部分。

本具體實施例中，所述的發熱電流發生電路8通過熔化的金屬原料23與金屬甲連接、通過支撐層10與金屬乙連接；發熱電流發生電路8的工作狀態受到控制單元的控制。

本具體實施例中，金屬原料采用金屬絲/金屬線的形態；所述的金屬原料輸送單元主要由金屬原料倉11、金屬原料輸送驅動機構12、金屬原料輸送管路5組成，其中：金屬原料輸送管路5將金屬原料倉11、金屬原料輸送驅動機構12、加熱單元的蓋帽15連接在一起；金屬原料倉11存儲金屬絲，金屬絲被纏繞在金屬原料倉11內的一個可旋轉的線盤上；金屬原料輸送驅動機構12采用送絲輪結構；金屬絲在金屬原料輸送驅動機構12的拉動/推動下在金屬原料輸送管路5中穿行并到達加熱單元的加熱腔體14內部。

本具體實施例中，所述的保護氣體輸送單元所輸送的保護氣體為氬氣，用于保護被加熱的金屬，例如保護熔化的金屬原料23、從加熱腔體流出的熔化的金屬24、被加熱的已成型的金屬，避免與空氣中的成分發生反應；保護氣體來源于高壓氣瓶(對應附圖中的保護氣體源6)；保護氣體輸送單元主要由保護氣體源6、輸送管路、電磁閥和壓力傳感模塊一13、電磁閥和壓力傳感模塊二22組成；控制單元根據設定的壓強、氣體濃度等參數，比對從壓力傳感器、氣體傳感器(例如氧氣濃度傳感器)等傳感器獲得的實際數據，控制電磁閥的通斷及通斷頻率以實現對成型腔4內的壓強、保護氣體濃度的調節，以及對加熱腔體14內壓強的調節；本具體實施例中采用的電磁閥是高速電磁閥。

本具體實施例中，通過對加熱腔體14內氬氣的壓強的調節來實現對施加于熔化的金屬原料23的擠出壓力的調節。使用氣體推動熔化的金屬原料23流出以生成金屬甲(對應附圖5中的從加熱腔體流出的熔化的金屬24)，很容易實現高溫隔離，具有可實施性。

本具體實施例中，加熱腔體14采用耐高溫材料制造，例如特種鎢合金；與加熱腔體14上端連接的蓋帽15采用鎳基高溫合金制造；保溫層17采用鋯陶瓷制造；金屬原料為鎳鈦合金。在加熱腔體14內的金屬原料被加熱至2000℃左右，在1個大氣壓以上的擠出壓力推動下產生金屬甲(對應附圖5中的從加熱腔體流出的熔化的金屬24)。

本具體實施例中，如附圖3所示，在打印第一層時，加熱腔的噴嘴18下端與支撐層10的距離為加熱腔的噴嘴18內徑的1.5至2倍(即75-100μm)；如附圖4和附圖5所示，在打印其它層時，加熱腔的噴嘴18下端與已打印成型的前一層的距離為加熱腔的噴嘴18內徑的1.5至2倍；在2個標準大氣壓的擠出壓力作用下，以及鎳鈦合金液體的溫度為2000℃左右或者316不銹鋼液體的溫度為1800℃左右時，在加熱腔的噴嘴18的移動速度為1米/秒的情況下，能確保液態金屬與支撐層10或已打印成型的前一層金屬層正常接觸，并且已成型的像素帶(單條)的寬度基本保持在加熱腔的噴嘴18內徑尺寸。

在上述的打印成型過程中，在打印第二層及之后的其它金屬層時，金屬甲的體積極小，熱容量極小，熔融狀態的維持時間極短，因為已打印成型的金屬(即金屬乙)和保護氣氛等媒介會在極短時間內將金屬甲的熱量導走，金屬甲攜帶的熱量無法將金屬甲與金屬乙接觸面的金屬乙一側熔化；如果不通過電阻發熱的方式將金屬甲與金屬乙交界面的位于金屬乙的一側熔化，金屬甲與金屬乙的連接強度就不高，在外力(如折彎力)作用下容易使層與層之間、像素點與像素點之間發生分離；同樣道理，在打印第一層金屬時，也面臨相同的問題。

以上所述，僅作為本發明的較佳具體實施例，不能以此限定本發明的實施范圍，即依據本發明權利要求書及說明書內容所做的等效變換與修飾，皆仍屬于本發明涵蓋的范圍。