CN108166023A - 一种金属件的电化学增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属件的电化学增材制造方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1：使用计算机几何建模软件构造出目标金属零件的三维实体模型，对目标金属零件的三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层处理，将目标金属零件的三维实体模型分割成多个依次叠加且具有一定厚度的二维图形；步骤S2：根据所述多个二维图形，采用光刻机切割出具有相应形状和厚度的掩膜板；步骤S3：采用电化学沉积法在导电基体上逐层沉积出与所述掩膜板相对应的金属图形层，直到形成所述目标金属零件的三维金属实体。本发明的金属零件的电化学增材制造方法可实现复杂金属零件的精密、快速增材制造。

Description

一种金属件的电化学增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种金属件的电化学增材制造方法。
背景技术
传统电沉积制备金属零件，对于大尺寸零件成形，电沉积只能简单复制沉积面信息，而且由于面积尺寸大，受电流密度影响，沉积效率低；对于复杂结构零部件，受浸镀时阴极要沉入镀液中，无法遮蔽，难以实现内部复杂零部件的直接电沉积成形。
目前国内电沉积成形主要采用有槽电镀的方式，在实际工业应用中受到渡槽限制，难以批量使用，而且想实现按需沉积需要更换镀液，难以实现。
发明内容
在本发明实施例中，提供了一种金属件的电化学增材制造方法，其包括如下步骤：
步骤S1：使用计算机几何建模软件构造出目标金属零件的三维实体模型，对目标金属零件的三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层处理，将目标金属零件的三维实体模型分割成多个依次叠加且具有一定厚度的二维图形；
步骤S2：根据所述多个二维图形，制作出具有相应形状和厚度的掩膜板；
步骤S3：采用电化学沉积法在导电基体上逐层沉积出与所述掩膜板相对应的金属图形层，直到形成所述目标金属零件的三维金属实体。
进一步地，所述方法还包括：
步骤S4：将所述目标金属零件的三维金属实体与所述掩膜板分离，最终得到金属零件。
进一步地，步骤S1中，进行切片分层处理时，非回转体零件的分层方向沿基体的法线方向，回转体零件的分层方向沿旋转的法线方向。
进一步地，步骤S1中，进行切片分层处理时，定义出每一层的零件结构尺寸信息和沉积金属材料信息。
进一步地，步骤S2中，采用光刻机切割出有机树脂掩膜板。
进一步地，步骤S3具体包括：
步骤S31：对导电基体表面进行电净处理和活化处理，获得新鲜的导电基体表面；
步骤S32：将掩膜板贴附在导电基体上，用喷头对导电基体表面喷淋电化学沉积溶液，采用电化学沉积法在导电基体的裸露区域沉积上金属，当金属沉积至掩膜板的厚度时，该次沉积结束；
步骤S33：打磨沉积层表面，去除粗糙表面，贴附下一层掩膜板继续沉积。
进一步地，步骤S32中，在同一层上可以采用多个喷头同时沉积，或是多个喷头中的单个喷头单独沉积。
进一步地，步骤S32中，在同一层上可以采用不同材料交互沉积或者在同一层的芯部和表面根据功能不同沉积不同的材料。
进一步地，步骤S32中，电化学沉积溶液主要包括铁基、镍基、钴基和铜基的单质金属或者合金离子液体。
进一步地，步骤S33中，依次使用100#、200#、600#、800#、1500#、2000#的砂纸打磨沉积层表面，然后用去离子水冲洗。
与现有技术相比较，本发明的金属件的电化学增材制造方法，可通过选用不同金属离子的沉积液，优化电沉积工艺可以获得高致密度的多种性能的多层复合金属零件，实现复杂金属零件的精密、快速增材制造，制造的金属零件具有致密的组织结构和良好使役性能。
附图说明
图1是本发明实施例的金属件的电化学增材制造方法的工艺流程图。
图2是图1中的步骤S3的具体流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种金属件的电化学增材制造方法，其包括步骤S1-S4。下面分别进行说明。
步骤S1：使用计算机几何建模软件构造出目标金属零件的三维实体模型，对目标金属零件的三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层处理，将目标金属零件的三维实体模型分割成多个依次叠加且具有一定厚度的二维图形。
需要说明的是，步骤S1中，进行切片分层处理时，非回转体零件的分层方向沿基体的法线方向，回转体零件的分层方向沿旋转的法线方向，以便于达到分层清晰明确的效果。进行切片分层处理时，定义出每一层的零件结构尺寸信息和沉积金属材料信息，以便于后续步骤中掩膜板的制作和零件的制作。
步骤S2：根据所述多个二维图形，制作出具有相应形状和厚度的掩膜板。
需要说明的是，步骤S2中，可采用光刻机切割出有机树脂掩膜板。
步骤S3：采用电化学沉积法在导电基体上逐层沉积出与所述掩膜板相对应的金属图形层，直到形成所述目标金属零件的三维金属实体。
如图2所示，具体地，步骤S3包括：
步骤S31：对导电基体表面进行电净处理和活化处理，获得新鲜的导电基体表面；
步骤S32：将掩膜板贴附在导电基体上，用喷头对导电基体表面喷淋电化学沉积溶液，采用电化学沉积法在导电基体的裸露区域沉积上金属，当金属沉积至掩膜板的厚度时，该次沉积结束；
步骤S33：打磨沉积层表面，去除粗糙表面，贴附下一层掩膜板继续沉积。
需要说明的是，步骤S32中，采用电化学沉积法沉积时，将导电基体与电源的负极相连作为阴极，石墨或者镍板为阳极，与电源的正极相连，当电源接通时，阳极在阴极表面往复运动，施加在极板之间的电场作用下，基体表面裸露区域会沉积上金属，而膜板覆盖区域则因为遮蔽而不发生沉积。
进一步地，步骤S32中，可在同一层上可以采用多个喷头同时沉积，还可采用多个喷头中的单个喷头单独沉积；在同一层上可以采用不同材料交互沉积或者在同一层的芯部和表面根据功能不同沉积不同的材料；电化学沉积溶液主要包括铁基、镍基、钴基和铜基的单质金属或者合金离子液体。
步骤S33中，依次使用100#、200#、600#、800#、1500#、2000#的砂纸打磨沉积层表面，然后用去离子水冲洗。
步骤S4：将所述目标金属零件的三维金属实体与所述掩膜板分离，最终得到金属零件。
实施例2
本实施例中，提供了一种金属件的电化学增材制造方法，具体过程如下：
使用计算机几何建模软件构造出目标实体的三维实体模型，切片分层软件对模型按照一定的厚度切片分层处理，分层厚度为0.2mm/层生成切片文件即将零件的三维信息转换成一系列的二维图形信息。
光刻机读入相应的切片文件，切割出反映二维轮廓信息的掩膜板。
依次使用100#、200#、600#、800#、1500#、2000#的砂纸将基体表面打磨，然后用去离子水冲洗；通过电净处理对基体表面进行处理，去除表面锈迹和油污以及氧化物，通过沉积打底层提高沉积层与基体结合强度。电净处理过程中，电净电压为10v，往复运动速度8～18m/min，电净时间30s，电净液配方为：氢氧化钠25～40g/L，碳酸钠20～40g/L，磷酸钠40～160g/L，氯化钠2～5g/L，pH＝11～13。沉积打底层的过程中，电沉积电压为12v，往复运动速度6～8m/min，电沉积时间1min。打底镍配方为：硫酸镍390～400g/L，氯化镍15～25g/L，盐酸19～22ml/L，冰醋酸68～70ml/L，pH＝0.3～1，温度30～50℃。
按照如下配方配置电沉积液：硫酸镍220g/L，氯化镍20g/L，柠檬酸氨40g/L，乙酸氨40g/L，用23％的氨水调节pH7.5～8.0，搅拌，直至盐类完全溶解。
将掩膜板按顺序逐次贴附在导电的基体上。电沉积过程中采用合适的电源，基体连接电源负极做阴极，沉积电压10V，阳极为用涤纶包裹的镍板，沉积过程中镍板沾取电沉积液在工件表面反复移动，移动速率10～14m/min，使金属离子在阴极表面发生沉积。
沉积20-30分钟，打磨沉积层表面，去除粗糙表面，增加次层掩膜板继续沉积。
将金属实体与辅助的掩膜板分离，最终得到金属零件。
综上所述，本发明的金属件的电化学增材制造方法，可通过选用不同金属离子的沉积液，优化电沉积工艺可以获得高致密度的多种性能的多层复合金属零件，实现复杂金属零件的精密、快速增材制造，制造的金属零件具有致密的组织结构和良好使役性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：使用计算机几何建模软件构造出目标金属零件的三维实体模型，对目标金属零件的三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层处理，将目标金属零件的三维实体模型分割成多个依次叠加且具有一定厚度的二维图形；
步骤S2：根据所述多个二维图形，制作出具有相应形状和厚度的掩膜板；
步骤S3：采用电化学沉积法在导电基体上逐层沉积出与所述掩膜板相对应的金属图形层，直到形成所述目标金属零件的三维金属实体。
2.根据权利要求1所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S4：将所述目标金属零件的三维金属实体与所述掩膜板分离，最终得到金属零件。
3.根据权利要求1所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，进行切片分层处理时，非回转体零件的分层方向沿基体的法线方向，回转体零件的分层方向沿旋转的法线方向。
4.根据权利要求1所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，进行切片分层处理时，定义出每一层的零件结构尺寸信息和沉积金属材料信息。
5.根据权利要求1所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S2中，采用光刻机切割出有机树脂掩膜板。
6.根据权利要求1所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
步骤S31：对导电基体表面进行电净处理和活化处理，获得新鲜的导电基体表面；
步骤S32：将掩膜板贴附在导电基体上，用喷头对导电基体表面喷淋电化学沉积溶液，采用电化学沉积法在导电基体的裸露区域沉积上金属，当金属沉积至掩膜板的厚度时，该次沉积结束；
步骤S33：打磨沉积层表面，去除粗糙表面，贴附下一层掩膜板继续沉积。
7.根据权利要求6所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S32中，在同一层上可以采用多个喷头同时沉积，或是多个喷头中的单个喷头单独沉积。
8.根据权利要求6所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S32中，在同一层上可以采用不同材料交互沉积或者在同一层的芯部和表面根据功能不同沉积不同的材料。
9.根据权利要求6所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S32中，电化学沉积溶液主要包括铁基、镍基、钴基和铜基的单质金属或者合金离子液体。
10.根据权利要求6所述的金属件的电化学增材制造方法，其特征在于，步骤S33中，依次使用100#、200#、600#、800#、1500#、2000#的砂纸打磨沉积层表面，然后用去离子水冲洗。
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