CN101328599A - 数控选区电化学沉积快速成型方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数控选区电化学沉积快速成型方法与装置。在机床工作台上，安装X、Y方向移动的工作台，Y方向的工作台上，安装内有阴极板的沉积槽，Z方向移动的立柱下端安装阳极，阳极插入沉积槽内，电铸液从喷嘴中喷出至阴极板，计算机控制系统控制阴、阳极相对位置、三个电机的运动速度、电源的通断、沉积电流的大小。循环通入浓度极高的电铸液，为沉积提供了充足的金属离子，然后在将阳极接入正极，阴极板接负极，这样在极细的阴、阳极之间就有电场通过，金属就会在阳极正下方沉积下来。本发明将电铸的基本原理与快速成型技术相结合，充分发挥快速成型技术与电化学沉积技术的各自特点，可以直接用于制造高质量、高精度的金属零件产品。
Description
技术领域
本发明涉及电铸技术及快速成型技术，尤其涉及一种数控选区电化学沉积快速成型方法与装置。
背景技术
快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)是20世纪80年代初产生和发展起来的一种新型制造技术，它是将计算机、CAD/CAM、数控、激光、新材料、精密伺服、物理和化学等多项工程领域的现代先进科技成果集于一体的高新技术。该技术采用材料累积法直接将CAD数据在计算机的控制下，一次性成型复杂的零部件，依据产品的三维设计模型分层切片得到各层截面的轮廓，将三维零件的制作问题转化为二维片层的制作，使得复杂零部件的加工变得非常简单。目前，最常用的RP技术主要有选择性激光烧结(SLS)、光固化成型(SLA)、熔融沉积制造(FDM)、分层实体制造(LOM)和三维打印(3D-P)等。这些方法的加工对象主要是非金属材料，对于金属零件的直接制造存在较大的困难。
虽然现在也出现了一些快速成型技术可以直接制作金属零件，有激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光近净成形制造(LENS)、形状沉积制造(SDM)、电子束熔化制造(EBM)、直接金属沉积(DMD)、直接激光制造(DLF)、激光添加制造(LAM)、焊料微滴印刷(SDP)等，但是仍然不能在生产上得到广泛应用，主要原因就是这些方法所产生的零件精度、表面光洁度、机械性能都不能达到实际需要的水平，特别的表面光洁度，与传统加工手段有相当大的差距，并且价钱昂贵。
电铸是一种基于金属离子在阴极电沉积原理制取产品的现代加工技术，使溶液中的金属正离子在电场力的作用下，迁移到阴极获得电子还原成原子，并沉积于阴极母模表面，并脱模，从而制造出与母模完全相同的产品的制造技术，它具有极高的制造精度和表面光洁度以及可制作多组分复合材料。已经被广泛地应用在宇航、核工业、微机械、电子业等高技术领域已获成功，主要用于各种精密、异型、复杂、微细等难以用机械加工方法制得的或加工成本很高的零件，比如用于制造火箭喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，汽车内饰件的制造、电子工业中印刷焊膏、胶粘剂模板，激光商标、光盘、精密齿轮、精密模具、标牌、药型罩等方面。但电铸技术必须依赖于母模，这大大限制了电铸技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控选区电化学沉积快速成型方法与装置。
本发明采用的技术方案是：
一、一种数控选区电化学沉积快速成型方法，该方法的步骤如下：
(1)运用CAD软件设计零件画出三维实体模型，并导出用三角面片描述的实体数据文件；
(2)利用分层切片软件，处理上述文件，得到切片轮廓数据；
(3)结合零件工艺特性，规划填充路径，并结合控制系统要求，产生数控加工代码；
(4)PC机+分层软件+控制卡合成数控选区电化学沉积控制加工系统，控制阴、阳极相对位置、运动速度、电源的通断、电流的大小；
(5)数控选区电化学沉积快速成型采用了0.05-5mm的阳极，金属离子在阳极头正下方沉积，阳极做成单一沉积头或沉积头阵列两种基本形式；
(6)从阴极板上脱模形成金属零件；
(7)对沉积的金属零件后处理。
二、一种数控选区电化学沉积快速成型装置：
在机床床身的工作台上，安装有由第一电机带动在X方向移动的工作台，在第一电机带动的X方向移动的工作台上，安装由第二电机带动在Y方向移动的工作台，第二电机带动的Y方向移动的工作台上，安装沉积槽，沉积槽内设置阴极板，由第三电机带动的Z方向移动的立柱下端安装阳极，阳极插入沉积槽内，电源的正极与阳极连接，负极与阴极板连接，加热器设置在储液槽内，电铸液经耐腐蚀泵和过滤器后、一路经截流阀和流量计从喷嘴中喷出至阴极板，另一路经溢流阀接储液槽，储液槽还与沉积槽连接，计算机控制系统控制阴、阳极相对位置、三个电机的运动速度、电源的通断、沉积电流的大小。
本发明具有的有益效果是：
本发明旨在将电铸的基本原理与快速成型技术相结合，充分发挥快速成型技术与电化学沉积技术的各自特点，可以直接用于制造高质量、高精度的金属零件产品。很好地解决了长期困扰快速成型技术中难以获得高质量金属零件及电铸技术必须依赖母模的缺陷，大大拓宽了在快速成型及电铸技术中的应用。
附图说明
图1是沉积原理示意图。
图2是数控选区电化学沉积快速成型装置结构原理示意图。
图中：1、计算机控制系统，2、机床床身，3、X方向移动的工作台，4、Y方向移动的工作台，5、阴极板，6、沉积槽，7、储液槽，8、加热器，9、耐腐蚀泵，10、过滤器，11、压力表，12、溢流阀，13、截流阀，14、流量计，15、喷嘴，16、Z方向移动的立柱，17、阳极，18、电源。
具体实施方式
如图1所示，阴极17与电源18正极相连接，阴极板5与电源5负极相连接，中间0.5mm间距充満电铸液，从而形成一个回路，根据电化学原理可知，电铸液中Cu2+在电场作用下，在阴极板上得到电子而还原成原子，最终沉积下来。数控选区电化学沉积快速成型实质上就是利用电化学沉积原理，在沉积槽内循环通入浓度极高的电铸液，为沉积提供了充足的金属离子，然后在将极细的阳极接入正极，阴极板接负极，这样在极细的阴、阳极之间就有电场通过，金属就会在阳极正下方很小的范围内沉积下来。在计算机的控制下，阴、阳极的相对位置发生变化，并在需要沉积的地方通电，不需要沉积的地方断电，从而就实现了电铸的数控化、可选择化。
如图2所示，本发明是在机床床身2的工作台上，安装有由第一电机带动在X方向移动的工作台3，在第一电机带动的X方向移动的工作台3上，安装由第二电机带动在Y方向移动的工作台4，第二电机带动的Y方向移动的工作台4上，安装沉积槽6，沉积槽6内设置阴极板5，由第三电机带动的Z方向移动的立柱16下端安装阳极17，阳极17插入沉积槽6内，电源18的正极与阳极16连接，负极与阴极板5连接，加热器8设置在储液槽7内，电铸液经耐腐蚀泵9和过滤器10后、一路经截流阀13和流量计14从喷嘴15中喷出至阴极板5，另一路经溢流阀接储液槽7，储液槽7还与沉积槽6连接，计算机控制系统1控制阴、阳极相对位置、三个电机的运动速度、电源的通断、沉积电流的大小。
计算机控制系统1
本发明沉积过程如下：
电铸液在储液槽中加热至一定的温度，然后经过耐腐蚀泵并过滤从喷嘴中喷出为沉积提供充分的电铸液，阳极比阴极板高出很小的距离(但要比沉积过程中每次沉积的高度要高)，当阴、阳都通电后，金属阳离子在在阴极板上一层一层的沉积，经沉积后的略低浓度的电铸液回流至储液槽，经过搅拌，再次循环。装置运动机构通过三个电机和传动机构，实现阳极在垂直(Z轴)方向的移动，阴极板在工作台上作水平(X、Y轴)方向移动，从而实现数控化。计算机系统根据数控加工文件产生控制信号控制驱动电机，使得阴、阳极产生X、Y方向移动的工作台的相对移动，从而实现对阴极表面的扫描，同时控制电源的通断，从而实现在阴极板上的沉积与否，最后控制电流进而控制电流密度，并且控制运动速度，达到控制沉积厚度的目的。当一个铸层结束后，阳极相对于阴极板上升一个层厚的距离并开始新的镀层，如此循环往复，从而最终得到所需的零件。
计算机+控制卡+分层软件的控制系统，阴极板固定于工作台上的沉积槽内，极微细的阳极沉积头置于阴极板上方，喷嘴在固定于阳极头附近为沉积过程提供充足的溶液。
本发明由于采用了0.05-5mm阳极，它的电流密度相对非常大，因而也大大提高了沉积速度，克服了传统电铸时间长以及电场分布不均匀带来的铸层缺陷等问题。尤为重要的是，由于沉积的可选择性，该技术抛弃了传统技术必须依赖的母模。
因此，本发明完全符合快速成型的基本原理，并应用电化学的基本原理，将二者有机结合起来，形成了一种新颖的低成本、高质量、高精度的可以直接制备金属零件快速成型方法。
Claims (2)
1、一种数控选区电化学沉积快速成型方法，其特征在于该方法的步骤如下：
(1)运用CAD软件设计零件画出三维实体模型，并导出用三角面片描述的实体数据文件；
(2)利用分层切片软件，处理上述文件，得到切片轮廓数据；
(3)结合零件工艺特性，规划填充路径，并结合控制系统要求，产生数控加工代码；
(4)PC机+分层软件+控制卡合成数控选区电化学沉积控制加工系统，控制阴、阳极相对位置、运动速度、电源的通断、电流的大小；
(5)数控选区电化学沉积快速成型采用了0.05-5mm的阳极头，金属离子在阳极头正下方沉积，阳极沉积头做成单一沉积头或沉积头阵列两种基本形式；
(6)从阴极板上脱模形成金属零件；
(7)对沉积的金属零件后处理。
2、用于权利要求1所述的一种数控选区电化学沉积快速成型方法的装置，其特征在于：在机床床身(2)的工作台上，安装有由第一电机带动在X方向移动的工作台(3)，在第一电机带动的X方向移动的工作台(3)上，安装由第二电机带动在Y方向移动的工作台(4)，第二电机带动的Y方向移动的工作台(4)上，安装沉积槽(6)，沉积槽(6)内设置阴极板(5)，由第三电机带动的Z方向移动的立柱(16)下端安装阳极(17)，阳极(17)插入沉积槽(6)内，电源(18)的正极与阳极(16)连接，负极与阴极板(5)连接，加热器(8)设置在储液槽(7)内，电铸液经耐腐蚀泵(9)和过滤器(10)后、一路经截流阀(13)和流量计(14)从喷嘴(15)中喷出至阴极板(5)，另一路经溢流阀接储液槽(7)，储液槽(7)还与沉积槽(6)连接，计算机控制系统(1)控制阴、阳极相对位置、三个电机的运动速度、电源的通断、沉积电流的大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081224 |