點陣陽極式電還原金屬沉積零件3d列印裝備製造方法
2023-06-14 18:35:21 2
點陣陽極式電還原金屬沉積零件3d列印裝備製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及數控電化學沉積快速成型的裝置，包括有計算機數控系統等，其特點在於：設有一水平x和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極並相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，所有陽極均並聯的與其電化學電源連接，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道與帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通，計算機數控系統將待成型工件的三維圖像數據轉換為水平x和y軸方向點陣和垂直步進的三維控制數據。本實用新型的最大優點是所有電極點都可以同時工作，就是並聯列印，因而對厚壁或實心金屬件的3D列印，數萬個電極同時工作效率尤其高，能耗要少得多，本實用新型的另一個優勢就是金屬原料的輸送是通過金屬離子溶液來送達的，因而方便快捷，並且無孔不入。
【專利說明】點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及數控電化學沉積快速成型的裝置。
【背景技術】
[0002]簡稱為3D印表機的裝備是快速成形技術的一種裝置，它是一種以數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合堆積材料，把數據和原料放進3D印表機中，機器會按照程序把產品一層層造出來，即通過逐層列印的方式來構造物體的技術。該裝置常常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型或者用於一些產品的直接製造。其中金屬零部件3D列印技術是信息化與機械化高度融合的標誌性技術之一，目前較成功的有金屬粉末鋪粉式雷射燒結技術和金屬粉末同步送粉式雷射燒結技術兩種。金屬粉末鋪粉式雷射燒結金屬零部件時金屬粉回收方便，利用率高，但在製造有內腔的零部件時金屬粉末回收不易；金屬粉末同步送粉式雷射燒結技術較適合大型零部件的3D列印製造，但受環境和送粉質量的影響較大，保護氣體耗量也較大；但是這兩種技術的共同特點是用一束雷射根據計算機3D圖型數據進行逐點依次掃描融化金屬粉末來達到3D列印製造金屬零部件的目的，因而其最大的不足就是要逐點依次掃描列印，從而造成列印速度慢，並且從現有的3D列印技術列印出的零部件實樣來看，雷射熔融所製造的零件表面較粗糙，尺寸精度較差，離精密機械零部件製造還有相當的差距，同時雷射3D列印設備價格貴，能耗也大。
[0003]電鑄是一種基於金屬離子在陰極電沉積原理製取產品的現代加工技術，使溶液中的金屬正離子在電場的作用下，遷移到陰極獲得電子還原成原子，並沉積於陰極母模表面，並脫模，從而製造出與母模完全相同的產品的製造技術，電鑄技術具有較高的製造精度和表面光潔度以及可製作多組分複合材料。已經被廣泛地應用在宇航、核工業、微機械、電子業等高【技術領域】並獲成功，主要用於各種精密、異型、複雜、微細等難以用機械加工方法製得的或加工成本很高的零件，例如用於製造火箭噴氣發動機冷卻室、太陽能儲能飛輪，汽車內飾件的製造、電子工業中印刷焊膏、膠粘劑模板，雷射商標、光碟、精密齒輪、精密模具、標牌、藥型罩等方面。
[0004]現在已經有人研究利用電化學還原沉積原理進行金屬零件3D列印，即利用了具體的電鑄原理和3D列印技術結合來實現金屬零件3D列印。其中有cn201310457824.7的《電解刻蝕電鍍堆積3D印表機》和cn200810063195.9的《數控選區電化學沉積快速成型方法與裝置》等都是採用電化學沉積方法來實現金屬零件3D列印的，這些文獻披露的內容儘管已經克服了電鑄技術必須依賴於母模的問題，但是仍然存在快速成型效率不高的問題，特別是它們還有另一共同特點就是都只有一個陽極和陰極，運動電極隨數控機械支架及其電機在X、Y、Z三個方向移動；這樣設置最大的不足就是電極尺寸大了加工精度就不高，電極尺寸小了加工速度太慢，列印裝備也複雜，因而在實際應用中效率並不理想。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的就是為克服上述現有技術存在的不足，而提供一種改進的數控點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備能實現真正的快速成型。
[0006]本實用新型點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備包括有:計算機數控系統、裝備基座、陽極數控垂直升降機構、以及電沉積系統，該電沉積系統包括有陽極、金屬離子溶液工作槽、電化學電源、循環泵、過濾器、陰極以及工作時構成導電連接的工作基板，其特點在於:設有一水平X和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極並相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，該陽極臺面朝向陰極及其工作時構成導電連接的工作基板，並與之形成能讓金屬離子溶液流轉的縫隙配合，所有陽極均並聯的與其電化學電源連接，所有陽極均為非溶性陽極，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道與帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通，計算機數控系統將待成型工件的三維圖像數據轉換為水平X和y軸方向點陣和垂直步進的三維控制數據，其控制信號一路與控制各陽極和電化學電源通斷的電源智能控制處理器連接，控制信號另一路與控制陽極垂直升降的陽極數控升降機構的數控處理器連接。
[0007]本實用新型是使用由計算機數控特製的並聯而且相互絕緣的精細點陣分布的點陣分布式陽極臺柱，使其與金屬離子溶液及陰極組成電化學還原沉積系統，該系統可以根據所要列印的零部件的尺寸大小和精度來選擇設置點陣非溶性陽極組的點數精度和尺寸。例如對一般尺寸和精度的零部件可以設置直徑為0.5mm的鈦電極，陣列X和y軸方向長*寬為540至1080乘320至980不等的點陣；每一個陽極電極都通過電源智能控制處理器來控制和電化學電源的通斷，一般來說採用在每個電路中設有一個開關二極體，當然也不僅僅局限於此，此時開關二極體的控制信號採用將計算機三維圖像數據轉換為也由540至1080乘320至980不等的點陣水平平面參數控制數據，計算機三維圖像數據還包括轉換為垂直方向適當步進參數控制數據信號，數據信號一般也經放大後用來控制。隨著陽極數控垂直升降機構帶動陽極在垂直方向的移動，伴隨的X、Y 二維平面的點陣陽極電流通斷的變化即可實現三維圖像的電量質量轉換，因為金屬比重是一定的，金屬還原沉積量是由還原電量決定的，從而通過控制每個平面的金屬布局並進行疊加，即可形成金屬3D實體。
[0008]上述本實用新型所稱的陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道與帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通，其中「帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通」可以是指常規的由循環泵工作時帶來壓力的金屬離子溶液輸送裝置，也可以指為了特別適合小口徑陽極輸液通道附加在輸送鏈上的使金屬離子溶液具有更大壓強的其它溶液輸送裝置，比如再附加上強力增壓泵等。
[0009]本實用新型的最大優點是所有電極點都可以同時工作，就是並聯列印，因而對厚壁或實心金屬件的3D列印，需要時數萬個電極同時工作效率尤其高，不像單束雷射列印或現有的單電極電化學還原3D列印金屬件的方法效率極低；與雷射熔融金屬方法相比，本實用新型用電化學還原金屬的能耗要少得多，因而也符合節能降耗的要求，本實用新型的另一個優勢就是金屬原料的輸送是通過金屬鹽溶液來送達的，因而方便快捷，並且無孔不入，比雷射熔融法的金屬粉末輸送要方便得多，並且可同時供數萬至十幾萬個點陣電極同時還原工作，這也是現有的單電極電化學還原3D列印金屬件的方法無法做到的。
[0010]本實用新型進一步的設置是處於陽極檯面上的每個陽極端面周圍具有擴口容腔，該擴口容腔與陽極輸液通道口相互貫通。這樣的設置是為了進一步克服由於點陣分布狀的陽極檯面上各電極間要有絕緣樹脂等相隔絕緣，這就必然在各電極間相隔絕緣部位對應地形成電場斷續的問題，特別是各電極間相隔距離比較大時尤其如此。如不採取有效技術措施，用電化學還原將無法得到完整的金屬件。本實用新型的進一步設置能使相鄰擴口的外口相互無縫連接，這樣就可在各點陽極對應的陰極及其工作時構成導電連接的工作基板上形成可控的無縫電場點陣，這為用電化學還原法得到完整的金屬件提供了更好的技術基礎。
[0011]從原理來說由於本實用新型點陣陽極採用不溶性陽極，因而還原用的金屬離子是由金屬離子溶液提供的，要使金屬電化學還原穩定進行，就必需不斷更新陽極擴口容腔內的金屬離子溶液，擴口型容腔也為金屬鹽溶液提供了一個緩衝區，使金屬電還原沉積能持續穩定地進行。
[0012]另外，本實用新型在上述進一步的設置基礎上還將處於陽極檯面上的陽極輸液通道口其端部具有相鄰擴口容腔交匯形成的擋塊，擴口容腔與該陽極輸液通道口的側向出口相互貫通。這樣的設置更優化了擴口容腔與陽極輸液通道的配合關係。
[0013]優選的，本實用新型的分布在陽極檯面上的各陽極之間距離不大於2mm，各陽極的端面直徑不大於0.5mm,陽極輸液通道的直徑不大於1mm。
[0014]上述本實用新型的設置有助於保證列印的待成型工件的加工精度和金屬離子還原沉積的可靠性。當然作為一種發明的考量，各陽極之間距離一般來說越小越有助於保證加工精度。
[0015]下面結合【專利附圖】
【附圖說明】及本實用新型具體實施例來進一步闡述本實用新型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型具體實施例結構示意圖
[0017]圖2為圖1中的d局部放大圖
[0018]圖3為圖1中的P局部放大圖
[0019]圖4為圖2中的A-A剖視圖也稱陽極臺面分布圖
[0020]其中，1、點陣分布式陽極臺柱，2、陰極，3、工作基板，4、陽極數控垂直升降機構，5、計算機數控系統，6、循環泵，7、裝備基座，8、過濾器，9、輸送管，10、待成型工件，11，輸送罐，111、罐頂蓋進液法蘭，12、金屬離子溶液工作槽，121、金屬離子溶液，13、陽極導線組，131、陽極導線，14、陽極導線組集中法蘭，15、電源智能控制處理器，151、電化學電源，16、陽極，161、擴口容腔，162、流轉縫隙，17、陽極輸液通道，18、絕緣樹脂，181、擋塊，41、陽極數控升降機構的數控處理器，42、陽極數控定位臂，51、加料鬥，52、電導儀。
具體實施例
[0021]如圖所示，本實用新型的實施例包括有計算機數控系統5、裝備基座7、陽極數控垂直升降機構4、以及電沉積系統，該電沉積系統包括有陽極16、金屬離子溶液工作槽12、電化學電源151、循環泵6、過濾器8、陰極2以及工作時構成導電連接的工作基板3等。其中金屬離子溶液121、金屬離子溶液工作槽12、金屬離子溶液輸送罐11、金屬離子溶液循環泵6和承壓輸送管9及過濾器8組成的循環系統也做為帶壓的金屬離子溶液輸送裝置對點陣分布的陽極輸液通道17輸送金屬離子溶液。另外，也可以根據需要在金屬離子溶液工作槽中添加攪拌器、加熱器、溫度傳感器等。金屬離子溶液工作槽12上可以根據需要附加有物料補充裝置，本實施例還附加有電導儀52、加料鬥51等。
[0022]本實施例的工件基板3採用精加工的石墨板，3D列印開始前將工作基板3置於陰極2上，工作基板3和陽極臺面之間形成能讓金屬離子溶液流轉的流轉縫隙162，金屬離子溶液採用成分為含300克/升氨基磺酸鎳、30克/升硼酸和適量添加劑，由於陽極16採用不溶性的鈦陽極，因而在長期工作過程中溶液的金屬離子會隨著金屬電還原沉積量的增加而減少，因而本實施例在金屬離子溶液工作槽12中設有的電導儀52來跟蹤金屬離子濃度的變化，當其超過一定值時即通過加料鬥51緩慢加入氨基磺酸鎳，使金屬離子濃度穩定。當然，金屬離子溶液種類較多，列印不同的金屬有不同的配方，同一種金屬要求不同也可有不同配方，例如還是3D列印鎳也可以選擇成分為含270-780克/升氨基磺酸鎳、30-48克/升硼酸和適量添加劑的配方。為了更精準地控制金屬還原沉積尺寸，本實用新型實施例採取在金屬鹽溶液中加入添加劑的方式來阻止除金屬離子還原沉積以外的氫電還原反應的進行，從而使通過電極的電量都用於金屬還原，也保證了沉積有效性。
[0023]本實施例採用純鈦絲作為陽極16材料，採用絕緣環氧樹脂作為點陣陽極16間的絕緣樹脂18，處於陽極檯面上的每個陽極16端面周圍具有陽極擴口容腔161，該陽極擴口容腔161與陽極輸液通道17 口相互貫通，在各點陣陽極16中心對角線的中心位置設有陽極輸液通道17，陽極輸液通道17 —端與相鄰點陣陽極16的擴口容腔相通，輸液通道另一端與輸液罐相接。其中陽極檯面上的陽極輸液通道17 口其端部具有相鄰陽極擴口容腔161交匯形成的擋塊181，陽極擴口容腔161與陽極輸液通道17 口的側向出口相互貫通。
[0024]點陣陽極16與輸液罐11以及它們的點陣分布式陽極臺柱I是實現本實用新型的關鍵部件之一，本實施例點陣分布式陽極臺柱I的製作可以是這樣的:首先將直徑為0.5mm純鈦絲拉直並按尺寸要求精確切斷，將電極兩端冷壓成帶頸的頭部，用專用卡具卡住電極兩端頸部，兩端定位模板及中段澆注模具形成一固定空腔，通過中段模具澆注口將環氧樹脂澆注入模，固化後形成點陣電極中段組件；將中段組件去毛邊後將其與陰極2對應的工作面朝上，用模板和定製的點陣梯形擴口容腔的水溶性模芯組裝形成近端面空腔，通過模板澆注口用環氧樹脂再次澆注，待固化後將模板拆下，將其置於熱水中，待梯形擴口容腔的水溶性模芯完全溶於水中後即在工作面形成陽極16擴口容腔；將點陣電極頂部朝上，用數控固體光纖雷射焊接機將銅芯直徑為0.2mm帶皮導線線頭與電極上端點焊結合；然後用專用夾具將焊好的陽極導線131疏理拉直，此時將電極組件置於輸液罐11的罐體底部預留方孔內，安裝到位後從上部澆入環氧樹脂即絕緣樹脂，澆注厚度為5mm，將陽極16上端與銅芯線頭的焊接部位的裸露金屬全部封閉於樹脂中，並且將電極組件頂與輸液罐11的罐體底部澆鑄為一體，形成新的完整的罐體底部。將陽極導線131進行有序疏理形成陽極導線組13，將數控紫外雷射打孔機的光斑直徑調整為0.5mm,在各電極的中心對角線的中心進行打孔，用控制特定雷射脈衝數量的方法控制孔的深度，形成符合要求的陽極輸液通道17。將所有陽極導線131導出，並將其集中封裝於陽極導線組集中法蘭14上，將陽極導線組集中法蘭14安裝在輸液罐11的頂蓋上，裝上罐頂蓋，點陣分布式陽極16臺柱毛胚即形成，該點陣分布式陽極臺柱I有540*320點陣平面分布，即有540*320個陽極16分布在陽極檯面上。
[0025]將該點陣分布式陽極臺柱I毛胚置於三維數控加工中心工具機上，首先將點陣分布式陽極臺柱I外定位面加工完成，裝上陽極數控定位臂42，通過陽極數控定位臂42的定位，用數控加工中心的小平銑刀將各陽極16與陰極2相對的工作端面按工作精度銑平到位，使陽極工作檯面與陽極數控定位臂42之間形成精密的定位尺寸數據，將形成尺寸關聯的點陣分布式陽極臺柱I與陽極數控定位臂42裝於陽極數控垂直升降機構4的相應位置上，將金屬離子溶液工作槽12裝於裝備基座7預定位置，將陽極導線組13與電源智能控制處理器15連接相聯，將與循環泵6連接的輸送管9與輸液罐11的罐頂蓋進液法蘭111相接，將計算機數控系統5的接口與電源智能控制處理器連接15及其電化學電源151和陽極數控升降機構的數控處理器41相聯，設備安裝即告成。
[0026]通過上面的闡述可以知道在本實施例中，帶壓的金屬離子溶液輸送裝置還包括有一輸液罐11被直接設置在點陣分布式陽極臺柱I中並處於點陣分布式陽極臺柱I的頂端，該輸液罐11具有罐頂蓋進液法蘭111，輸液罐11的罐體與點陣分布式陽極臺柱I 一體設置，罐體底部和各陽極輸液通道連通17，各陽極導線131集中封裝於陽極導線組集中法蘭14上，陽極導線組集中法蘭14安裝在輸液罐11的頂蓋上，穿過輸液罐11腔體的各陽極導線131被絕緣層包裹。一般來說該絕緣層應還有不被金屬離子溶液121腐蝕功能要求。將輸液罐11與點陣分布式陽極臺柱I 一體設置並置於陽極輸液通道17上不僅僅使結構布置更緊湊合理，也還發揮了溶液緩衝均勻分配器的作用，特別有助於金屬離子溶液121被均勻有序地注入到陽極16密集沉積金屬處，本實施例是在陽極16擴口容腔處，如此更能保證電化學沉積的有效性。
[0027]本實施例計算機數控系統5採用定製軟體將計算機中三維圖像數據轉換為由540*320點陣平面和0.0lmm步進量疊加而成的三維控制數據，控制信號一路輸給電源智能控制處理器15，經信號經放大後作為操控信號，操控與各陽極16相連的開關二極體的通斷；控制信號另一路輸至陽極數控垂直升降機構4的數控處理器41，控制Z軸的運動；隨著Z軸的上移，X、Y 二維水平面上的點陣陽極16電流通斷隨控制信號的變化而變化，由於金屬離子溶液121中加入了抑制氫電還原反應的添加劑，因而通過電極的電量絕大多數都是用於金屬還原沉積，因為金屬比重是一定的，金屬還原沉積量是由還原電量決定的，從而通過控制每個平面的金屬布局並進行疊加，即可實現三維圖像的電量質量轉換，按三維圖的要求實現金屬有序沉積獲得待成型工件19，金屬有序沉積完畢後將其從石墨基板上脫下就可得到金屬實體零件，即實現金屬零件的電還原方式的3D列印。
【權利要求】
1.一種點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，包括有計算機數控系統、裝備基座、陽極數控垂直升降機構、以及電沉積系統，該電沉積系統包括有陽極、金屬離子溶液工作槽、電化學電源、循環泵、過濾器、陰極以及工作時構成導電連接的工作基板，其特徵在於:設有一水平X和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極並相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，該陽極臺面朝向陰極及其工作時構成導電連接的工作基板，並與之形成能讓金屬離子溶液流轉的縫隙配合，所有陽極均並聯的與其電化學電源連接，所有陽極均為非溶性陽極，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道與帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通，計算機數控系統將待成型工件的三維圖像數據轉換為水平X和I軸方向點陣和垂直步進的三維控制數據，其控制信號一路與控制各陽極和電化學電源通斷的電源智能控制處理器連接，控制信號另一路與控制陽極垂直升降的陽極數控升降機構的數控處理器連接。
2.按照權利要求1所述的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，其特徵在於:處於陽極檯面上的每個陽極端面周圍具有擴口容腔，該擴口容腔與陽極輸液通道口相互貫通。
3.按照權利要求2所述的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，其特徵在於:處於陽極檯面上的陽極輸液通道口其端部具有相鄰擴口容腔交匯形成的擋塊，擴口容腔與該陽極輸液通道口的側向出口相互貫通。
4.按照權利要求1或2或3所述的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，其特徵在於:分布在陽極檯面上的各陽極之間距離不大於2mm，各陽極的端面直徑不大於0.5mm,陽極輸液通道的直徑不大於1mm。
5.按照權利要求1或2或3所述的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，其特徵在於:帶壓的金屬離子溶液輸送裝置包括有一輸液罐設置在點陣分布式陽極臺柱中並處於點陣分布式陽極臺柱的頂端，該輸液罐具有罐頂蓋及其罐頂蓋進液法蘭，輸液罐的罐體與點陣分布式陽極臺柱一體設置，罐體底部和各陽極輸液通道連通，各陽極導線集中封裝於陽極導線組集中法蘭上，陽極導線組集中法蘭安裝在罐頂蓋上，穿過輸液罐腔體的各陽極導線被絕緣層包裹。
6.按照權利要求4所述的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D列印裝備，其特徵在於:帶壓的金屬離子溶液輸送裝置包括有一輸液罐設置在點陣分布式陽極臺柱中並處於點陣分布式陽極臺柱的頂端，該輸液罐具有罐頂蓋及其罐頂蓋進液法蘭，輸液罐的罐體與點陣分布式陽極臺柱一體設置，罐體底部和各陽極輸液通道連通，各陽極導線集中封裝於陽極導線組集中法蘭上，陽極導線組集中法蘭安裝在罐頂蓋上，穿過輸液罐腔體的各陽極導線被絕緣層包裹。
【文檔編號】C25D1/00GK204097583SQ201420478890
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】胡揚五, 孫雅峰, 夏權威, 陳年金, 賈中輝 申請人:溫州市工業科學研究院