電子束電鑄快速成型方法及其設備的製作方法

2023-05-16 12:53:36

專利名稱：電子束電鑄快速成型方法及其設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子束電鑄快速成型方法及其專用設備。
背景技術：
快速成型技術(Rapid Protoyping簡稱RP)是20世紀80年代後期在製造領域發展起來 的重大突破，它綜合了機械工程、CAD、數控技術、雷射技術及材料科學技術，採用逐點或 逐層堆積材料的方法，把複雜的三維零件的製造轉化成一系列二維零件截面製造的疊加，可 以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型。PR技術種類繁多，主 要有光敏樹脂液相固化成型(SLA)、選擇性雷射粉末燒結成型(SLS)、薄片分層疊加成型 (LOM)和熔絲堆積成型(FDM)等。但這些方法主要針對非金屬材料(如光敏樹脂、ABS 或尼龍、塗覆紙、樹脂砂等)，對金屬零件的直接製造存在較大的困難。這些材料的成型性能 大多不太理想，成型零件的物理性能不能滿足功能性、半功能性要求，必須經過後處理或二 次開發才能得到令人滿意的零件。雖然SLS和FDM可以燒結或熔融金屬，直接成型金屬零 件，但得到的零件精度低，仍需要後處理工序。
直接成型高強度金屬材料的功能零件具有重要的經濟價值。電鑄是一種利用電鑄液中正 金屬離子在陰極上電沉積製取零件的工藝技術，製造精度較高，但現有的電鑄技術不能精確 控制電鑄區域，而必須使用高精度的原模，專利CN1300880A公開了一種選擇性電鑄方法， 該方法進行陽極噴射，可以選擇電鑄區域，但製造精度低，製造的零件尺寸範圍小，這些問 題大大限制了電鑄的應用範圍。電子束電鑄是利用電子槍發射的電子束提供電子形成電鑄陰 極進行電鑄的技術，電子束電鑄與RP技術相結合可以直接用於快速成型高精度金屬零件。

發明內容
為了克服現有電鑄技術不能精確控制電鑄區域，必須使用原模以及現有快速成型技術不 能直接成型金屬零件，成型零件精度不高的缺點，本發明提出一種電子束電鑄快速成型方法 及其設備。
本發明電子束電鑄快速成型方法，其特徵在於按下面的原理和方法進行利用電化學陰 極沉積進行加工製造，用電子束作為電鑄陰極，用金屬電鑄材料作為電鑄陽極，用電鑄材料 的金屬鹽溶液作電鑄液。在電流作用下，陽極上的金屬原子失去電子成為正金屬離子並進入 電鑄液。電子槍發射的電子束在電鑄液上掃描，電子束掃描到的地方，電鑄液中的正金屬離 子就獲得電子成為金屬原子並鍍復沉積在託盤上。成型開始時，託盤在電鑄液表面下的一個 確定深度，電鑄液始終處於電子束的焦點平面內，聚焦後的電子束斑在電鑄液表面上按計算 機指令逐點掃描，即逐點產生金屬鍍復沉積。當一層掃描完成後，未被電子束掃描到的地方 不發生變化。然後Z軸升降臺帶動託盤下降一層高度，進行下一層的掃描，新鍍復的一層牢 固地粘在前一鍍復層上，如此重複，直到整個零件製造完畢，得到一個三維實體原型。
本發明提供了一種完全新穎的電子束電鑄加工方法，電子束的強度和位置可以精確控制， 電鑄區可以利用電子束掃描進行選擇，電子束聚焦微細，可以實現精密細微加工。該方法拋 棄了傳統電鑄的陰極原模，在計算機的控制下實現在平面的分層電鑄再堆砌出零件，這一方法符合快速成型技術的基本原理，能夠快速成型高精度的金屬零件原型。
一種用於上述電子束電鑄快速成型方法的設備，電子槍安裝在XY工作檯上，可以實現 X-Y平面的運動，電子槍經電量計與金屬電鑄材料連接。電鑄槽裡盛有電鑄液，金屬電鑄材 料插入電鑄液中，託盤安裝在Z軸升降臺上，浸在電鑄液中，可以沿Z軸方向運動。電沉積 室安裝有攪拌器和抽真空裝置，連接有電鑄液清潔迴路和電鑄液溫度控制系統。其特徵在於 電鑄電路環路中電子束作為電鑄陰極，金屬電鑄材料作為電鑄陽極，電子槍和金屬電鑄材料 之間連結有電流計並通過電鑄液形成電路環路。
本發明電子束電鑄快速成型設備的結構特點及運動特徵是
(1) 電子槍發射電子束掃描電鑄液。
(2) 電子槍安裝在XY工作檯上，可以在X-Y平面上運動。
(3) 託盤安裝在Z軸工作檯上，上面承接加工零件，電子束掃描一個沉積層後，託盤在 Z軸方向上下降一層的高度。
(4) 計算機連接電鑄電路環路中的電量計和電子槍、XY工作檯、Z軸升降臺。電量計可 以記錄電鑄電量，計算機根據電量計反饋的電鑄電量信息，計算金屬電鑄材料的溶解量和沉 積層的厚度，根據加工文件要求控制電子槍在X-Y平面上的運動和託盤在Z軸升降臺上的運 動，達到控制沉積層厚度的目的。
(5) 電沉積室是一個封閉空間，安裝有抽真空裝置，封閉空間內是高真空環境，這樣可 以保障電子束的運動速度，穩定電子束。電沉積室的電鑄槽內盛裝電鑄液，安裝有攪拌器， 攪拌器對電鑄液進行攪拌，減少電鑄缺陷保證零件精度。電沉積室安裝有電鑄液溫度控制系 統，在加工時可以自動調節電鑄液的溫度使其保持在設定的溫度值，保證電鑄加工時溫度的 穩定性，有助於保證加工過程的穩定性。電沉積室與電鑄液清潔迴路相連，可以除去電鑄液 中的雜質，保障零件精度。


圖1是本發明電子束電鑄快速成型方法示意圖2是本發明電子束電鑄快速成型設備的結構示意圖3是XY工作檯結構示意圖4是Z軸升降臺結構示意圖。
圖中l.電鑄電路環路，11.電子槍，12.電子束，13.金屬電鑄材料，14.電量計，2.XY工 作臺，21.基板，22.X軸進步電動機，23.Y軸進步電動機，24.X軸同步帶，25.Y軸同步帶， 3.Z軸升降臺，31.託盤，32.Z軸進步電動機，33.絲杆，34.導軌，35.吊梁，36.立板，37. 基板，4.電沉積室，4L電鑄槽，42.電鑄液，43.攪拌器，44.抽真空裝置，5.零件，6.計算 機及電源，7.電鑄液溫度控制系統，71.溫度儀，72.加熱器，8.電鑄液清潔迴路，81.閥門， 82.過濾器，83.泵，84.流量計
具體實施例方式
下面結合附圖給出實施例對本發明方法及其設備進一步詳細說明。
參照圖1，本發明電子束電鑄快速成型方法，其特徵在於按下面的過程進行電子槍(U) 可以發射電子束(12)，電鑄槽(41)中盛有電鑄液(42)，託盤(31)安裝在Z軸升降臺(3)上，零件(5)承接在託盤(31)上。電鑄零件時，首先由計算機CAD系統生成零件的三維模型，再用專 用的分層切片軟體根據零件的三維CAD模型求取零件各層的截面形狀，得到電子束(12)的二 維掃描軌跡。電子槍(ll)在計算機控制下按照分層切片後生成的軌跡在X-Y平面內進行二維 掃描運動，使電子束(11)掃描點處的電鑄液(42)在託盤(31)上進行鍍復沉積，形成零件(5) 的一層截面， 一層完成後，Z軸升降臺(3)帶動託盤(31)下降一層的高度，再進行下一層的鍍 復沉積。如此重複，層層疊加，直到整個零件製造完畢，得到一個三維零件實體原型。
參照圖2， 一種用於上述電子束電鑄快速成型方法的設備，包括電鑄電路環路(l)、 XY工 作臺(2)、 Z軸升降臺(3)、電沉積室(4)、計算機及電源(6)、電鑄液溫度控制系統(7)和電鑄 液清潔循環迴路(8)組成。電鑄過程中，電子槍(11)發射電子束(12)，電子槍(ll)通過電流計 (14)與金屬電鑄材料(13)連接，經過電鑄液(42)形成電鑄電路環路(1)。金屬電鑄材料(13) 溶解，正金屬離子流向電子束(12)掃描的託盤(31)，在託盤(31)上鍍復沉積。電子槍(ll)安 裝在XY工作檯(2)上，可以實現在X-Y平面上運動。託盤(31)安裝在Z軸升降臺(3)上，上面 承接被加工的零件(5)，可以在Z軸方向的運動。
電沉積室(4)有盛裝電鑄液(42)的電鑄槽(41)，安裝有攪拌器(43)和抽真空裝置(44)，設 有電鑄液溫度控制系統(7)，並與電鑄液清潔迴路(8)相連。攪拌器(43)對電鑄液(42)進行攪 拌；抽真空裝置(44)使電沉積室(4)的空間成為真空；電鑄液溫度控制系統(7)由溫度儀(71) 和加熱器(72)組成，可以把電鑄液(42)的溫度控制在一定範圍內；清潔迴路(8)由閥門(81)、 過濾器(82)、泵(83)和流量計(84)組成，可以除去電鑄液(42)中的雜質。
在圖3中，XY工作檯(2)主要完成電子槍(11)在電鑄液(42)表面上的二維精確掃描，實 現電鑄液(42)的每一層鍍復沉積。電子槍(11)安裝在X軸同步帶(24)上，X軸同步帶(24)由X 軸進步電動機(22)驅動，而電子槍(ll)、 X軸同步帶(24)和X軸進步電動機(22)安裝在XY工 作臺(2)基板(21)的導軌上，由Y軸進步電動機(23)通過Y軸同步帶(25)驅動。X軸進步電動 機(22)和Y軸進步電動機(23)由計算機控制。
在圖4中，由計算機發出運動信號，Z軸升降臺(3)的基板(37)上固定的Z軸進步電動機 (32)開始工作，帶動絲杆(33)轉動，吊梁(35)由絲杆(33)帶動，在導軌(34)上沿Z軸方向運 動。吊梁(35)經立板(36)帶動託盤(31)作相同的Z軸方向運動。
權利要求
1. 一種電子束電鑄快速成型方法，其特徵在於按以下步驟進行(1)首先利用計算機輔助設計軟體對零件進行三維實體建模；(2)根據加工要求，利用分層切片軟體對零件的三維實體模型進行切片，得到零件的分層切片信息；(3)電子束的掃描軌跡根據分層切片信息和加工要求確定，電子束按照掃描軌跡在電鑄液上進行掃描，電鑄得到零件。
2. 根據權利要求1所述的電子束電鑄快速成型方法，其特徵在於利用電子束作為電鑄陰極， 在電鑄液中進行電化學沉積加工零件。
3. —種用於權利要求1所述的電子束電鑄快速成型方法的設備，包括電鑄電路環路(l)、 XY工 作臺(2)、 Z軸升降臺(3)、電沉積室(4)、計算機及電源(6)、電鑄液溫度控制系統(7)和電鑄液 清潔循環迴路(8)組成。其特徵在於電子槍(11)發射電子束(12)，通過電量計(14)與金屬電鑄材 料(13)相連，金屬電鑄材料(13)插入電鑄液(42)中。
4. 根據權利要求3所述的設備，電子槍(11)安裝在XY工作檯(2)上，與由X軸進步電動機(22) 驅動的X軸同步帶(24)連接，電子槍(ll)、 X軸同步帶(24)和X軸進步電動機(22)安裝在導軌 上，與由Y軸進步電動機(23)驅動的Y軸同步帶(25)連接。託盤(31)安裝在Z軸升降臺上(3)， 其上承接零件(5)， Z軸進步電動機(32)連接絲杆(33)，絲杆(33)連接吊梁(35)，吊梁(35)安裝在 導軌(34)上，通過立板(36)連接託盤(31)。
5. 根據權利要求3所述的設備，電鑄電路迴路(1)中的電量計(14)和電子槍(11)、 XY工作檯(2) 上的X軸進步電動機(22)和Y軸進步電動機(23)、Z軸升降臺(3)上的Z軸進步電動機(32)均與 計算機相連。
6. 根據權利要求3所述的設備，電沉積室(4)安裝有電鑄槽(41)、攪拌器(43)、抽真空裝置(44)， 電鑄槽(41)中盛裝電鑄液(42)，電沉積室(4)連接有電鑄液溫度控制系統(7)和電鑄液清潔迴路(8)。
全文摘要
本發明涉及電子束電鑄快速成型方法及其設備。本方法是利用電子束作為電鑄陰極，電鑄液的正金屬離子通過電子束獲得電子進行鍍復沉積製取零件的電鑄技術。先由計算機CAD系統生成零件的三維模型，再用分層切片軟體求取零件CAD模型的截面形狀，電子束根據截面信息在電鑄液上掃描，電鑄液在電子束掃描處進行電鑄獲得零件。用於上述方法的設備主要包括電子槍、金屬電鑄材料、XY工作檯、Z軸升降臺、電鑄液、計算機及電源等。本發明電子束快速成型方法可以直接、快速、自動、精確地製造金屬零件。
文檔編號C25D1/00GK101545121SQ200810084499
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月26日 優先權日2008年3月26日
發明者王慶五 申請人:王慶五