CN104164683A - 点阵阳极式电还原金属沉积零件3d打印装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控电化学沉积快速成型的装置，包括有计算机数控系统等，其特点在于：设有一水平x和y轴方向点阵分布状的阳极台面，每个点阵处均固定设有阳极并相互绝缘形成点阵分布式阳极台柱，所有阳极均并联的与其电化学电源连接，阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通，计算机数控系统将待成型工件的三维图像数据转换为水平x和y轴方向点阵和垂直步进的三维控制数据。本发明的最大优点是所有电极点都可以同时工作，就是并联打印，因而对厚壁或实心金属件的3D打印，数万个电极同时工作效率尤其高，能耗要少得多，本发明的另一个优势就是金属原料的输送是通过金属离子溶液来送达的，因而方便快捷，并且无孔不入。

Description

点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备

技术领域

 本发明涉及数控电化学沉积快速成型的装置

背景技术

简称为3D打印机的装备是快速成形技术的一种装置，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合堆积材料，把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来，即通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该装置常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造。其中金属零部件3D打印技术是信息化与机械化高度融合的标志性技术之一，目前较成功的有金属粉末铺粉式激光烧结技术和金属粉末同步送粉式激光烧结技术两种。金属粉末铺粉式激光烧结金属零部件时金属粉回收方便，利用率高，但在制造有内腔的零部件时金属粉末回收不易；金属粉末同步送粉式激光烧结技术较适合大型零部件的3D打印制造，但受环境和送粉质量的影响较大，保护气体耗量也较大；但是这两种技术的共同特点是用一束激光根据计算机3D图型数据进行逐点依次扫描融化金属粉末来达到3D打印制造金属零部件的目的，因而其最大的不足就是要逐点依次扫描打印，从而造成打印速度慢，并且从现有的3D打印技术打印出的零部件实样来看，激光熔融所制造的零件表面较粗糙，尺寸精度较差，离精密机械零部件制造还有相当的差距，同时激光3D打印设备价格贵，能耗也大。

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，电铸技术具有较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并获成功，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，例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。

现在已经有人研究利用电化学还原沉积原理进行金属零件3D打印，即利用了具体的电铸原理和3D打印技术结合来实现金属零件3D打印。其中有cn201310457824.7的《电解刻蚀电镀堆积3D打印机》和cn200810063195.9的《数控选区电化学沉积快速成型方法与装置》等都是采用电化学沉积方法来实现金属零件3D打印的，这些文献披露的内容尽管已经克服了电铸技术必须依赖于母模的问题，但是仍然存在快速成型效率不高的问题，特别是它们还有另一共同特点就是都只有一个阳极和阴极，运动电极随数控机械支架及其电机在X、Y、Z三个方向移动；这样设置最大的不足就是电极尺寸大了加工精度就不高，电极尺寸小了加工速度太慢，打印装备也复杂，因而在实际应用中效率并不理想。

发明内容

本发明的目的就是为克服上述现有技术存在的不足，而提供一种改进的数控点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备能实现真正的快速成型。

本发明点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备包括有：计算机数控系统、装备基座、阳极数控垂直升降机构、以及电沉积系统，该电沉积系统包括有阳极、金属离子溶液工作槽、电化学电源、循环泵、过滤器、阴极以及工作时构成导电连接的工作基板，其特点在于：设有一水平x和y轴方向点阵分布状的阳极台面，每个点阵处均固定设有阳极并相互绝缘形成点阵分布式阳极台柱，该阳极台面朝向阴极及其工作时构成导电连接的工作基板，并与之形成能让金属离子溶液流转的缝隙配合，所有阳极均并联的与其电化学电源连接，所有阳极均为非溶性阳极，阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通，计算机数控系统将待成型工件的三维图像数据转换为水平x和y轴方向点阵和垂直步进的三维控制数据，其控制信号一路与控制各阳极和电化学电源通断的电源智能控制处理器连接，控制信号另一路与控制阳极垂直升降的阳极数控升降机构的数控处理器连接。

本发明是使用由计算机数控特制的并联而且相互绝缘的精细点阵分布的点阵分布式阳极台柱，使其与金属离子溶液及阴极组成电化学还原沉积系统，该系统可以根据所要打印的零部件的尺寸大小和精度来选择设置点阵非溶性阳极组的点数精度和尺寸。例如对一般尺寸和精度的零部件可以设置直径为0.5mm的钛电极，阵列x和y轴方向长*宽为540至1080乘320至980不等的点阵；每一个阳极电极都通过电源智能控制处理器来控制和电化学电源的通断，一般来说采用在每个电路中设有一个开关二极管，当然也不仅仅局限于此，此时开关二极管的控制信号采用将计算机三维图像数据转换为也由540至1080乘320至980不等的点阵水平平面参数控制数据，计算机三维图像数据还包括转换为垂直方向适当步进参数控制数据信号，数据信号一般也经放大后用来控制。随着阳极数控垂直升降机构带动阳极在垂直方向的移动，伴随的X、Y二维平面的点阵阳极电流通断的变化即可实现三维图像的电量质量转换，因为金属比重是一定的，金属还原沉积量是由还原电量决定的，从而通过控制每个平面的金属布局并进行叠加，即可形成金属3D实体。

上述本发明所称的阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通，其中“带压的金属离子溶液输送装置连通”可以是指常规的由循环泵工作时带来压力的金属离子溶液输送装置，也可以指为了特别适合小口径阳极输液通道附加在输送链上的使金属离子溶液具有更大压强的其它溶液输送装置，比如再附加上强力增压泵等。

本发明的最大优点是所有电极点都可以同时工作，就是并联打印，因而对厚壁或实心金属件的3D打印，需要时数万个电极同时工作效率尤其高，不像单束激光打印或现有的单电极电化学还原3D打印金属件的方法效率极低；与激光熔融金属方法相比，本发明用电化学还原金属的能耗要少得多，因而也符合节能降耗的要求，本发明的另一个优势就是金属原料的输送是通过金属盐溶液来送达的，因而方便快捷，并且无孔不入，比激光熔融法的金属粉末输送要方便得多，并且可同时供数万至十几万个点阵电极同时还原工作，这也是现有的单电极电化学还原3D打印金属件的方法无法做到的。

本发明进一步的设置是处于阳极台面上的每个阳极端面周围具有扩口容腔，该扩口容腔与阳极输液通道口相互贯通。这样的设置是为了进一步克服由于点阵分布状的阳极台面上各电极间要有绝缘树脂等相隔绝缘，这就必然在各电极间相隔绝缘部位对应地形成电场断续的问题，特别是各电极间相隔距离比较大时尤其如此。如不采取有效技术措施，用电化学还原将无法得到完整的金属件。本发明的进一步设置能使相邻扩口的外口相互无缝连接，这样就可在各点阳极对应的阴极及其工作时构成导电连接的工作基板上形成可控的无缝电场点阵，这为用电化学还原法得到完整的金属件提供了更好的技术基础。

从原理来说由于本发明点阵阳极采用不溶性阳极，因而还原用的金属离子是由金属离子溶液提供的，要使金属电化学还原稳定进行，就必需不断更新阳极扩口容腔内的金属离子溶液，扩口型容腔也为金属盐溶液提供了一个缓冲区，使金属电还原沉积能持续稳定地进行。      

另外，本发明在上述进一步的设置基础上还将处于阳极台面上的阳极输液通道口其端部具有相邻扩口容腔交汇形成的挡块，扩口容腔与该阳极输液通道口的侧向出口相互贯通。这样的设置更优化了扩口容腔与阳极输液通道的配合关系。

优选的，本发明的分布在阳极台面上的各阳极之间距离不大于2mm，各阳极的端面直径不大于0.5mm，阳极输液通道的直径不大于1mm。

上述本发明的设置有助于保证打印的待成型工件的加工精度和金属离子还原沉积的可靠性。当然作为一种发明的考量，各阳极之间距离一般来说越小越有助于保证加工精度。

下面结合附图说明及本发明具体实施例来进一步阐述本发明。

附图说明

图1为本发明具体实施例结构示意图

图2为图1中的d局部放大图

图3为图1中的p局部放大图

图4为图2中的A-A剖视图也称阳极台面分布图

其中，1、点阵分布式阳极台柱，2、阴极，3、工作基板，4、阳极数控垂直升降机构，5、计算机数控系统， 6、循环泵，7、装备基座，8、过滤器，9、输送管，10、待成型工件，11，输送罐，111、罐顶盖进液法兰，12、金属离子溶液工作槽，121、金属离子溶液，13、阳极导线组，131、阳极导线， 14、阳极导线组集中法兰，15、电源智能控制处理器，151、电化学电源，16、阳极，161、扩口容腔，162、流转缝隙，17、阳极输液通道，18、绝缘树脂，181、挡块，41、阳极数控升降机构的数控处理器，42、阳极数控定位臂，51、加料斗，52、电导仪。

具体实施例

如图所示，本发明的实施例包括有计算机数控系统5、装备基座7、阳极数控垂直升降机构4、以及电沉积系统，该电沉积系统包括有阳极16、金属离子溶液工作槽12、电化学电源151、循环泵6、过滤器8、阴极2以及工作时构成导电连接的工作基板3等。其中金属离子溶液121、金属离子溶液工作槽12、金属离子溶液输送罐11、金属离子溶液循环泵6和承压输送管9及过滤器8组成的循环系统也做为带压的金属离子溶液输送装置对点阵分布的阳极输液通道17输送金属离子溶液。另外，也可以根据需要在金属离子溶液工作槽中添加搅拌器、加热器、温度传感器等。金属离子溶液工作槽12上可以根据需要附加有物料补充装置，本实施例还附加有电导仪52、加料斗51等。

本实施例的工件基板3采用精加工的石墨板，3D打印开始前将工作基板3置于阴极2上，工作基板3和阳极台面之间形成能让金属离子溶液流转的流转缝隙162，金属离子溶液采用成分为含300克/升氨基磺酸镍、30克/升硼酸和适量添加剂，由于阳极16采用不溶性的钛阳极，因而在长期工作过程中溶液的金属离子会随着金属电还原沉积量的增加而减少，因而本实施例在金属离子溶液工作槽12中设有的电导仪52来跟踪金属离子浓度的变化，当其超过一定值时即通过加料斗51缓慢加入氨基磺酸镍，使金属离子浓度稳定。当然，金属离子溶液种类较多，打印不同的金属有不同的配方，同一种金属要求不同也可有不同配方，例如还是3D打印镍也可以选择成分为含270-780克/升氨基磺酸镍、30-48克/升硼酸和适量添加剂的配方。为了更精准地控制金属还原沉积尺寸，本发明实施例采取在金属盐溶液中加入添加剂的方式来阻止除金属离子还原沉积以外的氢电还原反应的进行，从而使通过电极的电量都用于金属还原，也保证了沉积有效性。

本实施例采用纯钛丝作为阳极16材料，采用绝缘环氧树脂作为点阵阳极16间的绝缘树脂18，处于阳极台面上的每个阳极16端面周围具有阳极扩口容腔161，该阳极扩口容腔161与阳极输液通道17口相互贯通，在各点阵阳极16中心对角线的中心位置设有阳极输液通道17，阳极输液通道17一端与相邻点阵阳极16的扩口容腔相通，输液通道另一端与输液罐相接。其中阳极台面上的阳极输液通道17口其端部具有相邻阳极扩口容腔161交汇形成的挡块181，阳极扩口容腔161与阳极输液通道17口的侧向出口相互贯通。

点阵阳极16与输液罐11以及它们的点阵分布式阳极台柱1是实现本发明的关键部件之一，本实施例点阵分布式阳极台柱1的制作可以是这样的：首先将直径为0.5mm纯钛丝拉直并按尺寸要求精确切断，将电极两端冷压成带颈的头部，用专用卡具卡住电极两端颈部，两端定位模板及中段浇注模具形成一固定空腔，通过中段模具浇注口将环氧树脂浇注入模，固化后形成点阵电极中段组件；将中段组件去毛边后将其与阴极2对应的工作面朝上，用模板和定制的点阵梯形扩口容腔的水溶性模芯组装形成近端面空腔，通过模板浇注口用环氧树脂再次浇注，待固化后将模板拆下，将其置于热水中，待梯形扩口容腔的水溶性模芯完全溶于水中后即在工作面形成阳极16扩口容腔；将点阵电极顶部朝上，用数控固体光纤激光焊接机将铜芯直径为0.2mm带皮导线线头与电极上端点焊结合；然后用专用夹具将焊好的阳极导线131疏理拉直，此时将电极组件置于输液罐11的罐体底部预留方孔内，安装到位后从上部浇入环氧树脂即绝缘树脂，浇注厚度为5mm，将阳极16上端与铜芯线头的焊接部位的裸露金属全部封闭于树脂中，并且将电极组件顶与输液罐11的罐体底部浇铸为一体，形成新的完整的罐体底部。将阳极导线131进行有序疏理形成阳极导线组13，将数控紫外激光打孔机的光斑直径调整为0.5mm，在各电极的中心对角线的中心进行打孔，用控制特定激光脉冲数量的方法控制孔的深度，形成符合要求的阳极输液通道17。将所有阳极导线131导出，并将其集中封装于阳极导线组集中法兰14上，将阳极导线组集中法兰14安装在输液罐11的顶盖上，装上罐顶盖，点阵分布式阳极16台柱毛胚即形成，该点阵分布式阳极台柱1有540*320点阵平面分布，即有540*320个阳极16分布在阳极台面上。

将该点阵分布式阳极台柱1毛胚置于三维数控加工中心机床上，首先将点阵分布式阳极台柱1外定位面加工完成，装上阳极数控定位臂42，通过阳极数控定位臂42的定位，用数控加工中心的小平铣刀将各阳极16与阴极2相对的工作端面按工作精度铣平到位，使阳极工作台面与阳极数控定位臂42之间形成精密的定位尺寸数据，将形成尺寸关联的点阵分布式阳极台柱1与阳极数控定位臂42装于阳极数控垂直升降机构4的相应位置上，将金属离子溶液工作槽12装于装备基座7预定位置，将阳极导线组13与电源智能控制处理器15连接相联，将与循环泵6连接的输送管9与输液罐11的罐顶盖进液法兰111相接，将计算机数控系统5的接口与电源智能控制处理器连接15及其电化学电源151和阳极数控升降机构的数控处理器41相联，设备安装即告成。

通过上面的阐述可以知道在本实施例中，带压的金属离子溶液输送装置还包括有一输液罐11被直接设置在点阵分布式阳极台柱1中并处于点阵分布式阳极台柱1的顶端，该输液罐11具有罐顶盖进液法兰111，输液罐11的罐体与点阵分布式阳极台柱1一体设置，罐体底部和各阳极输液通道连通17，各阳极导线131集中封装于阳极导线组集中法兰14上，阳极导线组集中法兰14安装在输液罐11的顶盖上，穿过输液罐11腔体的各阳极导线131被绝缘层包裹。一般来说该绝缘层应还有不被金属离子溶液121腐蚀功能要求。将输液罐11与点阵分布式阳极台柱1一体设置并置于阳极输液通道17上 不仅仅使结构布置更紧凑合理，也还发挥了溶液缓冲均匀分配器的作用，特别有助于金属离子溶液121被均匀有序地注入到阳极16密集沉积金属处，本实施例是在阳极16扩口容腔处，如此更能保证电化学沉积的有效性。

本实施例计算机数控系统5采用定制软件将计算机中三维图像数据转换为由540*320点阵平面和0.01mm步进量叠加而成的三维控制数据，控制信号一路输给电源智能控制处理器15，经信号经放大后作为操控信号，操控与各阳极16相连的开关二极管的通断；控制信号另一路输至阳极数控垂直升降机构4的数控处理器41，控制Z轴的运动；随着Z轴的上移，X、Y二维水平面上的点阵阳极16电流通断随控制信号的变化而变化，由于金属离子溶液121中加入了抑制氢电还原反应的添加剂，因而通过电极的电量绝大多数都是用于金属还原沉积，因为金属比重是一定的，金属还原沉积量是由还原电量决定的，从而通过控制每个平面的金属布局并进行叠加，即可实现三维图像的电量质量转换，按三维图的要求实现金属有序沉积获得待成型工件19，金属有序沉积完毕后将其从石墨基板上脱下就可得到金属实体零件，即实现金属零件的电还原方式的3D打印。

Claims (6)

1.一种点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，包括有计算机数控系统、装备基座、阳极数控垂直升降机构、以及电沉积系统，该电沉积系统包括有阳极、金属离子溶液工作槽、电化学电源、循环泵、过滤器、阴极以及工作时构成导电连接的工作基板，其特征在于：设有一水平x和y轴方向点阵分布状的阳极台面，每个点阵处均固定设有阳极并相互绝缘形成点阵分布式阳极台柱，该阳极台面朝向阴极及其工作时构成导电连接的工作基板，并与之形成能让金属离子溶液流转的缝隙配合，所有阳极均并联的与其电化学电源连接，所有阳极均为非溶性阳极，阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通，计算机数控系统将待成型工件的三维图像数据转换为水平x和y轴方向点阵和垂直步进的三维控制数据，其控制信号一路与控制各阳极和电化学电源通断的电源智能控制处理器连接，控制信号另一路与控制阳极垂直升降的阳极数控升降机构的数控处理器连接。

2.按照权利要求1所述的点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，其特征在于：处于阳极台面上的每个阳极端面周围具有扩口容腔，该扩口容腔与阳极输液通道口相互贯通。

3.按照权利要求2所述的点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，其特征在于：处于阳极台面上的阳极输液通道口其端部具有相邻扩口容腔交汇形成的挡块，扩口容腔与该阳极输液通道口的侧向出口相互贯通。

4.按照权利要求1或2或3所述的点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，其特征在于：分布在阳极台面上的各阳极之间距离不大于2mm，各阳极的端面直径不大于0.5mm，阳极输液通道的直径不大于1mm。

5.按照权利要求1或2或3所述的点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，其特征在于：带压的金属离子溶液输送装置包括有一输液罐设置在点阵分布式阳极台柱中并处于点阵分布式阳极台柱的顶端，该输液罐具有罐顶盖及其罐顶盖进液法兰，输液罐的罐体与点阵分布式阳极台柱一体设置，罐体底部和各阳极输液通道连通，各阳极导线集中封装于阳极导线组集中法兰上，阳极导线组集中法兰安装在罐顶盖上，穿过输液罐腔体的各阳极导线被绝缘层包裹。

6.按照权利要求4所述的点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，其特征在于：带压的金属离子溶液输送装置包括有一输液罐设置在点阵分布式阳极台柱中并处于点阵分布式阳极台柱的顶端，该输液罐具有罐顶盖及其罐顶盖进液法兰，输液罐的罐体与点阵分布式阳极台柱一体设置，罐体底部和各阳极输液通道连通，各阳极导线集中封装于阳极导线组集中法兰上，阳极导线组集中法兰安装在罐顶盖上，穿过输液罐腔体的各阳极导线被绝缘层包裹。