CN104588798A - 电化学增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学增材制造方法及实现装置，即电化学三维打印方法和装置。本发明通过电化学沉积的方式产生所需外形尺寸和成分的部件，工艺过程中采用低电导率工作媒质，采用喷流，或采用外层有绝缘屏蔽层的工具电极以提高加工的尺寸精度。

Description

电化学增材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及电化学制造领域，尤其是采用电化学方法进行增材制造即三维打印的领域。

背景技术

增材制造方法即三维打印容易与计算机辅助设计连接，适合于小批量制造具有复杂内外表面形状的部件。电化学制造方法在减材制造中适于加工高硬度高韧性或难熔金属，在增材制造中适于沉积熔点或密度差别大难于直接形成合金的金属。电化学增材制造适于得到特殊组成的功能性材料，且在光亮剂等药剂的配合下能得到良好的表面质量。但传统上电化学减材制造方法属于尺寸精度不高的加工方法，通过对电化学减材制造方法的不断改进，采用高精度的仿形工具电极，使工具电极以较高频率震动，在电极和工件间施加大幅值的脉冲电流可以显著提高加工的尺寸精度到切削加工的同等级别。但这种方法存在工具电极加工复杂，制造周期长的缺点。电化学增材制造方法已经得到广泛应用的领域是电铸光盘母盘，电镀加厚电路板，电镀修复磨损等。但电化学增材制造方法还难于直接加工生产机械零部件。主要障碍时电化学增材制造方法的尺寸精度难于控制。电化学增材制造方法的尺寸精度差的原因是不像是三维打印中常用的激光，可以聚焦成很小的点，工具电极和工件之间的电流一般会扩散至很大的区域，难于限制电流只在工件上的一个点上，从而只精确的在该点沉积或从该点除去金属。在以下内容中，我们将把电流集中于特定区域的程度称为电流的定域性。

发明内容

本发明的目的是克服现有的在电化学加工过程中由于电流的定域性差导致尺寸精度难于控制的问题。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：

为提高电流的定域性适于采用低电导率电解液作为工作媒质，但低电导率电解液承载电流密度小会导致加工速度变慢和发热量增加。另一种方法是采用喷流。采用喷流方案时被加工的工件不浸没在电解液中。导电通路由喷喷嘴所喷出电解液液柱形成，液柱在工件上的接触点决定了加工电流区域的大小。在喷流方式下更优选的方案是电解液喷头采用同轴的双喷嘴，内部圆形喷嘴喷出高电导率的电解液用以承载加工电流，圆形喷嘴外的同心圆环喷嘴喷出绝缘或点电导率的液体。圆环喷嘴喷嘴所喷出的液体优选为内部圆形喷嘴所喷出的电解液互不混溶的液体。采用同轴双喷嘴的优点是内层喷嘴的加工电解液在于工件目标点接触完成加工过程后被外层圆环喷嘴所喷液体扫除离开，因而电流的定域性可以得到进一步的提高。此外另一种方案是采用外层有绝缘屏蔽层的工具电极以提高电流的定域性和加工的尺寸精度。工具电极和被加工件同时浸没在电解液中。工具电极的绝缘屏蔽层可以接触工件将目标点短时间密封起来从而使电流不会达到目标点以外的地方，为了加工整个工作面，工具电极可以在声波频率或超声波频率的换能器驱动下震动以使工具电极易于扫描整个加工表面。 

本发明的有益效果是：

电流的定域性增加，因而可以在加工面上形成尺寸更小的特征形貌，表面加工精度也得到提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1采用喷流方式进行电化学加工的装置示意图。

图中101.计算机，102.步进电机驱动器，103.程控电解电源，104.X轴步进电机，105.绝缘连接板，106.电解液喷嘴，107.待标记工件，108.导电垫板，109.绝缘垫板，110.机架，111.机架固定处，112.管道，113.电解液吸入口，114.电解液收集槽，115.电解液，116.过滤器，117.泄压阀，118.电解液泵，119.挡板，120.流量计，121.压力表，122. 滑台移动板，123. Y轴步进电机，124.十字滑台固定处。

具体实施方式

实施例1

在图1中，计算机（101）运行控制程序，将指令通过连接电缆发送给步进电机驱动器（102），步进电机驱动器（102）的输出分别连接到十字滑台的X轴步进电机（104）和Y轴步进电机（123）上。滑台移动板（122）通过绝缘连接板（105）和喷头（106）连接。计算机（101）运行的控制程序，同时将相应指令通过连接电缆发送给程控电源（103），程控电源（103）的负极输出连接到导电垫板（108），正极输出连接到电解液喷嘴（106）。导电垫板（108）和待标记工件（107）之间保持电接触。电解液泵（118）通过电解液吸入口（113）并经过过滤器（116）吸入电解液（115），电解液（115）经由管道到达流量计（120）。流量计（120）之后的管道上安装有压力表（121）以监控压力。在压力表（121）之后电解液（115）由管道继续输送到电解液喷嘴（106）。电解液喷嘴（106）的尖端有一小孔，电解液（115）经由小孔喷射到待标记工件（107）上。喷射出的电解液（115）由挡板（119）来收集以防止飞溅。 收集到的电解液（115）经由管道（112）返回到电解液收集槽（114）中继续循环使用。

在打标的过程中由程序通过电脑控制十字滑台带动喷嘴在待标记工件上方进行二维扫描，同时由程序通过电脑控制电源同步接通或断开输出并控制电流的大小。在电源断开时，喷嘴下方的工件表面区域不会产生电沉积，在电源接通时，喷嘴下方的工件表面区域会因为电沉积而增加金属。按照预定的速率和电流大小对工件加工面反复进行扫，即可在工件加工面上获得预定尺寸形状的曲面。

Claims (4)

1.一种电化学加工方法，通过将工件和工具电极置于电解液中，工件连接电源正极，工具电极连接负极，通过电化学反应使工件上的部分材质溶解或变疏松从而被除去，其特征是:持续测量工件和工具电极之间电解液的阻值并换算为两者之间的距离，将工具电极尖端的位置加上距离值和被加工面的目标位置相比较，得到差值用于按比例控制加工电流的大小直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。

2.一种电化学加工方法，通过将工件和工具电极置于电解液中，工件连接电源负极，工具电极连接正极，工具电极材质为在正极电位下不溶解的形状稳定材料，通过电化学反应使电解液中的部分离子沉积在工件上，其特征是:持续测量工件和工具电极之间电解液的阻值并换算为两者之间的距离，将工具电极尖端的位置加上距离值和被加工面的目标位置相比较，得到差值用于按比例控制加工电流的大小直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。

3.根据权利要求1和2所述的电化学加工方法，其特征是：所述阻值和距离值的测量是通过在工作电流上叠加小幅度的交流电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，所得电压值取绝对值然后进行平均，将电压响应与标定值进行比较以得到阻值和距离值。

4.根据权利要求1和2所述的电化学加工方法，其特征是：所述阻值和距离值的测量是通过在工作电流上叠加小幅度的阶跃电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，将所得电压阶跃值与标定值进行比较以得到阻值和距离值。