CN105239110A - 一种三维电铸加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维电铸加工方法，该方法包括：根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。本发明还公开了一种三维电铸加工系统。采用本发明能够电铸出三维结构复杂，深宽比大的电铸部件，且电铸效率高。

Description

一种三维电铸加工方法及系统

技术领域

本发明涉及电铸加工技术领域，特别涉及一种三维电铸加工方法及系统。

背景技术

电铸技术本质上是电镀的一种特殊形式，因具有高复制精度、高重复精度和工艺简单等优点已在工业制造中得以广泛应用，尤其是针对航空航天、仪器仪表、光学设备以及微机械中的某些微小零部件。但是，在复杂型面零部件的电铸过程中，流场及电场分布不均匀现象致使电铸产物出现铸层不均匀及裂纹等缺陷，严重时甚至造成铸件畸形。在微小尺寸和高深宽比零部件的电铸过程中，由于存在表面张力致使铸液难以进入电铸区，且液相传质困难，造成电铸过程难以进行。在改善电铸过程中流场和电场环境，解决高深宽比结构零部件的电铸加工难题方面，专利公开号为CN1827861A的“三维微细电铸加工方法及装置”和专利公开号为CN1827862A的“分层微细电铸加工方法及装置”，通过预制掩膜板，有效解决了高深宽比微小零部件电铸难的问题，在一定程度上提高了电铸质量，拓展了电铸技术的应用领域。

但由于所预制掩膜板形状单一，尺寸相对固定，在电铸过程中无法改变其形状及尺寸，难以实现截面积形状和尺寸均发生变化的复杂形状的零部件电铸加工，例如带有复杂型腔的薄壁零部件、腰鼓形双层薄壁零部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维电铸加工方法及系统，能够电铸出三维结构复杂，深宽比大的电铸部件，且电铸效率高。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明实施例提供了一种三维电铸加工方法，该方法包括：

根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

本发明实施例还提供了一种三维电铸加工系统，该系统包括：

铸模制备装置，用于根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

电铸装置，用于在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

数控装置，用于承载铸模制备装置和电铸装置，并通过计算机的控制以使分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件；

计算机，用于获取电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息；还用于控制铸模制备装置根据分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；还用于控制分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

由上述的技术方案可见，本发明利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层，然后在铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工，分层制备铸模绝缘材料的过程与分层电铸过程交替循环进行直至沉积出整个复杂三维电铸部件。如此，本发明所利用的增材制造技术可以形成各种复杂形状和尺寸的铸模绝缘材料层，因此，在铸模绝缘材料层的限制下就可以形成各种复杂形状和尺寸的电铸部件。而且由于是直接利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层，最后去除铸模绝缘材料层即可，不需要像现有技术那样采用预制掩膜板进行电铸，然后还形成包围电铸层的涂覆层，最后还需要将涂覆层去除，工艺复杂，因此本发明的方案大大提高了电铸效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种三维电铸加工的方法流程示意图。

图2为本发明提供的一种三维电铸加工系统的结构示意图。

图3为本发明实施例电铸部件的结构示意图。

图4a至4d为本发明实施例三维电铸加工过程中形成材料层的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种三维电铸加工的方法，其流程示意图如图1所示，该方法包括：

步骤11、根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

其中，获取电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息的方法包括：

利用计算机辅助设计软件对电铸部件进行三维实体造型；计算机辅助设计软件可以是CAD等；

根据电铸部件的三维实体造型，反求电铸模具实体造型；

将电铸模具实体造型进行网格化，并生成电铸模具实体造型的表面三角化数据格式文件；

根据所述电铸模具实体造型的表面三角化数据格式文件，利用分层软件对电铸模具实体造型进行分层切片，得到电铸模具实体造型的分层切片信息。

增材制造技术包括三维(3D)打印技术和激光熔覆技术等，这种技术可以很方便地形成各种复杂形状和尺寸的铸模绝缘材料层。

步骤12、在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

步骤13、分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

通过分层制备铸模绝缘材料的过程与分层电铸过程交替循环进行，铸模绝缘材料层将电铸部件埋在其中，所以，最后，在形成三维电铸部件之后，去除铸模绝缘材料层。

图2为本发明提供的一种三维电铸加工系统的结构示意图，该系统包括：

铸模制备装置201，用于根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

电铸装置202，用于在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

数控装置203，用于承载铸模制备装置和电铸装置，并通过计算机的控制以使分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件；

计算机204，用于获取电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息；还用于控制铸模制备装置利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；还用于控制分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

其中，电铸装置202具体包括，

电铸槽2021，安装于数控工作台水平面上，用于盛放电铸液；

阳极2022，置于电铸槽底部；

阴极基板2023，安装于Z轴悬空端上，与阳极相对；

电铸电源2024，用于连接阳极和阴极基板，进行电铸。

其中，数控装置包括机床本体2031，数控工作台2032和Z轴2033；

机床本体2031，用于支撑水平设置的数控工作台和垂直悬挂的Z轴；

数控工作台2032，用于通过计算机的控制，产生XY轴方向的运动；

Z轴2033，用于通过计算机的控制，产生垂直方向的运动。

进一步地，数控装置具体用于，

通过数控工作台2032在XY轴方向的运动，以及Z轴2033在垂直方向的运动，将阴极基板2023移动铸模制备装置201上的预定位置，以使铸模制备装置201根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上制备一层铸模绝缘材料层；

通过数控工作台2032在XY轴方向的运动，以及Z轴2033在垂直方向的运动，将制备有铸模绝缘材料层的阴极基板2023移至电铸槽2021内与阳极2022相对的预定位置，以使电铸装置202在铸模绝缘材料层的限制下进行电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

重复上面的步骤，在前层铸模绝缘材料层表面制备当层铸模绝缘材料层，同时，在前层电铸层的表面制备当层电铸层，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

为清楚说明本发明，下面列举具体实施例进行详细说明。图3为本发明实施例电铸部件的结构示意图。该电铸部件301为复杂的腰鼓形，形成于阴极基板2023上。本实施例中的增材制造技术采用3D打印技术。

1)首先，通过计算机获取该电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息。其中，分层切片信息可以包括，每层铸模绝缘材料层的尺寸和形状等信息。

2)通过计算机控制数控工作台在XY轴方向的运动，数控工作台上的3D打印机可以在XY轴所定义的平面上运动，将3D打印机水平移动至与阴极基板正对的位置，然后，通过计算机控制Z轴在垂直方向的运动，将阴极基板移至3D打印机上的预定位置。

计算机将获取的分层切片信息，发送给3D打印机，以使3D打印机确定每层铸模绝缘材料层的尺寸参数信息。

然后，3D打印机根据第一层铸模绝缘材料层的尺寸参数信息，在阴极基板上制备第一层铸模绝缘材料层。如图4a所示。阴极基板2023上制备有第一层铸模绝缘材料层401。铸模绝缘材料层可以是树脂，塑料等绝缘材质，用于限制电铸部件的轮廓。

3)通过计算机控制数控工作台在XY轴方向的运动，数控工作台上的电铸槽可以在XY轴所定义的平面上运动，将电铸槽水平移动至与制备有铸模绝缘材料层的阴极基板正对的位置，然后，通过计算机控制Z轴在垂直方向的运动，将制备有铸模绝缘材料层的阴极基板移至电铸槽内与阳极相对的预定位置。

电铸装置在第一层铸模绝缘材料层401的限制下进行电铸加工形成第一层铸模绝缘材料层包围内的第一层电铸层402。如图4b所示。当第一层电铸层402达到预定厚度时停止电铸。

4)重复步骤2)，将阴极基板移至3D打印机上，3D打印机根据第二层铸模绝缘材料层的尺寸参数信息，在第一层铸模绝缘材料层401的表面制备第二层铸模绝缘材料层403。如图4c所示。

重复步骤3)，将阴极基板移至电铸槽内，电铸装置在第二层铸模绝缘材料层403的限制下进行电铸加工形成第二层铸模绝缘材料层包围内的第二层电铸层404。如图4d所示。当第二层电铸层404达到预定厚度时停止电铸。

5)如此重复步骤2)和步骤3)，在前层铸模绝缘材料层表面制备当层铸模绝缘材料层，同时，在前层电铸层的表面制备当层电铸层，直至各个分层的电铸层堆积形成如图3所示的三维电铸部件。

由于三维电铸部件埋在用于限制三维电铸部件轮廓的铸模绝缘材料层中，所以最后将铸模绝缘材料层去除，显露出三维电铸部件即可。

需要说明的是，分层电铸时，电铸层的厚度一般通过电铸时间来控制，理想认为当层电铸层的厚度等于当层铸模绝缘材料层的厚度，但在具体实现上，可以通过控制电铸时间，使得当层电铸层的厚度略小于当层铸模绝缘材料层的厚度。

本发明的有益效果是：

1.本发明所利用的增材制造技术可以形成各种复杂形状和尺寸的铸模绝缘材料层，因此，在铸模绝缘材料层的限制下就可以形成各种复杂形状和尺寸的电铸部件。而现有技术预制的掩膜板形状比较固定，而且要事先制作很多掩膜板，进行多次更换，最终形成的电铸部件形状仍然比较单一。

2.本发明由于是直接利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层，在铸模绝缘材料层的限制下分层电铸，最后去除铸模绝缘材料层即可，不需要像现有技术那样采用预制掩膜板进行电铸，然后还形成包围电铸层的涂覆层，最后还需要将涂覆层去除，工艺复杂，因此本发明的方案大大提高了电铸效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维电铸加工方法，该方法包括：

根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息的方法包括：

利用计算机辅助设计软件对电铸部件进行三维实体造型；

根据电铸部件的三维实体造型，反求电铸模具实体造型；

将电铸模具实体造型进行网格化，并生成电铸模具实体造型的表面三角化数据格式文件；

根据所述电铸模具实体造型的表面三角化数据格式文件，利用分层软件对电铸模具实体造型进行分层切片，得到电铸模具实体造型的分层切片信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在形成三维电铸部件之后，去除铸模绝缘材料层。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增材制造技术包括三维打印技术和激光熔覆技术。

5.一种三维电铸加工系统，该系统包括：

铸模制备装置，用于根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；

电铸装置，用于在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

数控装置，用于承载铸模制备装置和电铸装置，并通过计算机的控制以使分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件；

计算机，用于获取电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息；还用于控制铸模制备装置根据分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；还用于控制分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工分别在铸模制备装置和电铸装置中交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电铸装置具体包括，

电铸槽，安装于数控工作台水平面上，用于盛放电铸液；

阳极，置于电铸槽底部；

阴极基板，安装于Z轴悬空端上，与阳极相对；

电铸电源，用于连接阳极和阴极基板，进行电铸。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数控装置包括机床本体，数控工作台和Z轴；

机床本体，用于支撑水平设置的数控工作台和垂直悬挂的Z轴；

数控工作台，用于通过计算机的控制，产生XY轴方向的运动；

Z轴，用于通过计算机的控制，产生垂直方向的运动。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数控装置具体用于，

通过数控工作台在XY轴方向的运动，以及Z轴在垂直方向的运动，将阴极基板移至铸模制备装置上的预定位置，以使铸模制备装置根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上制备一层铸模绝缘材料层；

通过数控工作台在XY轴方向的运动，以及Z轴在垂直方向的运动，将制备有铸模绝缘材料层的阴极基板移至电铸槽内与阳极相对的预定位置，以使电铸装置在铸模绝缘材料层的限制下进行电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；

重复上面的步骤，在前层铸模绝缘材料层表面制备当层铸模绝缘材料层，同时，在前层电铸层的表面制备当层电铸层，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。