CN109750327B - 一种多金属电化学3d打印装置及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多金属电化学3D打印装置及方法，所述的打印装置由计算机、电机、供电控制器及设置在立式框架上的X‑Y轴支架、原料盒、Z轴导电基板、打印基板等组成，通过利用计算机控制X‑Y轴支架和Z轴导电基板的移动，并通过供电控制器对储有不同金属离子溶液的多个原料盒进行选择和切换来实现多金属3D打印。本发明能够降低金属3D打印的能耗和打印机的成本，打印过程中对空气污染小，可以一次打印含有多种金属的混合件。本发明中的多金属电化学3D打印的实现装置在打印时打印头与工件是点接触，不存在电流扩散的情况，极大地提高了电化学3D打印的打印精度。
Description
技术领域
本发明属于电化学制造技术领域，涉及一种多金属电化学3D打印装置，还涉及一种采用该打印装置制作金属工件的多金属电化学3D打印方法。
背景技术
3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统的对原材料去除、切削、组装的加工制造模式不同，3D打印是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有，这使得过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能。目前对金属进行3D打印几乎都采用的SLS、EBM等方式，这些方法均需要消耗大量的能量将金属熔化，并且还面临着金属在高温下被氧化、加工过程中产生对人体有害的气体、打印机及耗材价格昂贵无法进入消费级领域以及无法一次打印多种金属混合件等诸多问题，由此而言，传统的3D打印机限制了3D打印机在打印金属时的应用。近年来，本领域已出现了通过使用电化学金属沉积方式进行3D打印的金属打印技术，但是由于目前采用的这种电化学金属沉积打印技术的电解质溶液与所打印的工件接触面积很大，电流不会集中在一个点，而是会随着金属离子溶液扩散至一个很大的区域，以致该电化学3D打印方法的打印精度很低。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种多金属电化学3D打印装置，同时提供一种利用该装置制作金属工件的多金属电化学3D打印方法，采用本发明所述的打印装置和打印方法能够一次打印多种金属的混合件，其制作成本以及耗材成本低、功耗低、工作过程中不产生有害气体、打印精度高，可有效改善或减少金属在打印过程中被氧化的情况。
为实现上述发明目的而采用的技术方案如下所述。
一种多金属电化学3D打印装置，包括工件制作架以及由计算机控制的电机和供电控制器，所述的工件制作架具有一个立式框架，在立式框架的上部连装有一副可在电机驱动下做交叉平向运动的X-Y轴支架，在X-Y轴支架的下部连装有多个原料盒，除一个原料盒内储有导电非金属涂料外,其余各原料盒内分别储有不同的金属离子溶液,原料盒的下端带有可滚动的涂布溶液用圆珠，供电控制器为具有正负极电压控制的供电控制器，在每个原料盒内部均接有与供电控制器阳极连接的电极，在立式框架的下部设置有一个可在电机驱动下做上下升降运动并与供电控制器阴极连接的Z轴导电基板,在Z轴导电基板支架上放置有可导电的打印基板,当某个原料盒的下端的圆珠与打印基板接触后，滚动的圆珠将该原料盒内的金属离子溶液涂布在打印基板上，并在正负极电压作用下使金属离子获得电子还原成金属沉积在打印基板上。
上述多金属电化学3D打印装置中，供电控制器采用单片机的DA模块控制电压(根据计算机的命令在其阳极端和阴极端加上合适的电压)，其阳极端通过相应电极分别连接至各原料盒中，其阴极端与Z轴导电基板相连接。
上述多金属电化学3D打印装置中，原料盒内所储金属离子溶液为金属的电解质溶液，电解质溶液内包含金属离子，并且金属离子参与打印基板上的电沉积，金属离子获得电子后被还原成金属单质。
采用上述打印装置该装置制作金属工件的多金属电化学3D打印方法包括以下步骤：
[1]、在计算机中绘制三维金属工件实体模型；
[2]、利用分层软件对三维实体进行分层处理，获得截面信息,并将获得的截面信息转化为电信号；
[3]、利用电机控制X-Y轴支架与Z轴导电基板运动，使内储有当前所打印金属的金属离子溶液之原料盒的圆珠与打印基板接触并处于正确的初始打印位置，此时圆珠由于滚动，已经将金属离子溶液从原料盒内带出并涂在与打印基板的接触点处；
[4]、供电控制器为储有当前所打印金属的金属离子溶液的原料盒接通正电极，同时为Z轴导电基板接通负电极并控制输出的电压和电流以控制金属的沉积速度；金属离子在电场的作用下向打印基板移动并在打印基板上获得电子被还原成金属单质沉积在打印基板上；
[5]、通过电机使X-Y轴支架带动原料盒按照当前层的分层截面的轨迹移动，并通过步骤[4]所述的方法将当前层的截面打印出来；当需要更换所打印的金属时，供电控制器断开之前打印所使用的原料盒并接通当前参与打印的原料盒，再将储有该金属的原料盒移动到上一种金属打印结束的位置完成接下来的打印；
[6]、通过电机2使Z轴导电基板向下移动一个层厚的距离，然后重复步骤[3]至步骤[5]，直到完成整个工件的打印过程。
上述多金属电化学3D打印方法中，在步骤[5]的打印过程中如果需要更换所打印的金属，若当前需打印的金属的活泼性低于之前所打印金属的活泼性时，由X-Y轴支架带动储有导电非金属涂料的原料盒到位，先将接下来要打印的金属的轨迹涂覆一层导电非金属涂料，再在导电非金属涂料层上打印更换后的金属；若当前需打印的金属的活泼性高于之前所打印金属的活泼性时，则无需进行涂布导电非金属涂料的过程。
与现有的同类技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明在打印金属过程中不需要像传统的金属3D打印机一样将金属加热到接近熔点，解决了传统金属3D打印耗能高的问题；
二、本发明采用电化学沉积的方法进行金属3D打印，减小了金属3D打印机的成本和体积，可以制作出桌面级的金属3D打印机；
三、本发明中由于采用圆珠与打印基板成点接触的工作方式，打印过程中不存在电流扩散的情况，因此解决了传统电化学金属沉积3D打印精度低的问题；
四、本发明可以一次打印含有多种金属的混合件，解决了传统金属3D打印只能打印单种金属的弊端；
五、由于本发明打印过程中不需要对金属加热，且不需要粉末状金属，因此解决了传统金属3D打印中金属被高温氧化以及金属粉末容易漂浮在空气中影响人体健康等问题。
附图说明
图1为本发明所述多金属电化学3D打印装置的结构示意图。
图中各数字标号的名称分别是：1－计算机，2－电机，3－X-Y轴支架，4－原料盒电极，5－金属离子溶液，6－圆珠，7－金属工件，8－打印基板,9－Z轴导电基板,10－原料盒,11－供电控制器,12－导电非金属涂料，13－立式框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见附图，本发明所述的多金属电化学3D打印装置由计算机1、(步进)电机2、供电控制器11、立式框架13以及设置在立式框架13上的X-Y轴支架3、原料盒10、Z轴导电基板9、打印基板8等构件组成。由电机2控制的X-Y轴支架3和Z轴导电基板9分别设在立式框架13的上部和下部，在X-Y轴支架3的下部并排连装有多个原料盒10，除一个原料盒10内储有导电非金属涂料12外,其余各原料盒10内分别储有不同的金属离子溶液5，原料盒10的下端带有可滚动的涂布溶液用圆珠6，可导电的打印基板放置在Z轴导电基板9上。工作中由计算机1控制电机2带动X-Y轴支架3和Z轴导电基板9使原料盒10相对于打印基板8做三维运动，使圆珠6与打印基板8直接接触。供电控制器11采用单片机的DA模块控制电压(根据计算机的命令在其阳极端和阴极端加上合适的电压)，其阳极端通过相应电极分别接至各原料盒10内部，其阴极端与Z轴导电基板相连接。当需要打印某一种金属时，供电控制器11在计算机1操控下仅接通储存该金属离子溶液5的原料盒10，以避免并排的含有其它金属离子溶液5的原料盒10在移动过程中与工件7接触，使不需要的金属打印在当前的打印层上，X-Y轴支架3将储有该金属离子溶液5的原料盒10移动到待打印位置；原料盒10下端是可滚动的圆珠6，圆珠6与打印基板8直接接触，并且含有当前打印金属的离子溶液的原料盒10和打印基板8之间由供电控制器11加上电压，圆珠6滚动时将原料盒10内部的金属离子溶液5带出并按照当前所打印的分层截面涂布在打印基板8上。打印基板8由供电控制器11提供负电荷，原料盒10下端圆珠上的金属离子在打印基板8上获得的电子被还原成金属并沉积在打印基板8上，原料盒10在打印基板5上做平面运动并按照当前所打印的分层截面形状将金属沉积在打印基板5上，从而实现电化学沉积3D打印。
本发明在做多金属工件打印时，由于X-Y轴支架3下有多个原料盒10，并且每一个原料盒10内储有不同金属的金属离子溶液5，储有各当前需打印金属的金属离子溶液5的原料盒10在X-Y轴支架3的带动下依次移动到待打印位置进而进行打印，最后实现多金属工件的打印。另外在本发明装置中，X-Y轴支架3下还接有内储导电非金属涂料12的原料盒，当打印过程中更换所打印的金属，若当前需打印的金属的活泼性低于之前所打印金属的活泼性时，由X-Y轴支架3带动该原料盒按照当前需打印的金属在该层所打印的路径涂覆一层导电非金属涂料12后，再进行接下来的打印过程，以避免发生置换反应。
本发明所述的多金属电化学3D打印方法包括以下步骤。
[1]、在计算机1中绘制三维金属工件7的实体模型。
[2]、利用分层软件对三维实体进行分层处理，获得截面信息,并将获得的截面信息转化为电信号。
[3]、利用计算机1控制电机2的运转，电机2带动X-Y轴支架3在水平向的X-Y平面上运动，并将储有当前需打印金属的金属离子溶液5的原料盒10移动到待打印位置；计算机1控制供电控制器2为该原料盒2与Z轴导电基板9供电，使放置在Z轴导电基板9上的可导电的打印基板8与内储有当前所打印金属的金属离子溶液5的原料盒10下端的圆珠6直接接触，此时圆珠6由于滚动，已经将金属离子溶液5从原料盒10内带出并涂在与打印基板8的接触点处。
[4]、供电控制器11为储有当前所打印金属的金属离子溶液5的原料盒10接通正电极，同时为Z轴导电基板9接通负电极并控制输出的电压和电流以控制金属的沉积速度；金属离子在电压的作用下向打印基板8移动，并在打印基板8上获得电子被还原成金属单质沉积在带有负电荷的打印基板8上。
[5]、计算机1根据当前需要打印的分层截面形状控制电机2带动X-Y轴支架3使原料盒10按照截面形状在X-Y平面运动，并通过步骤[4]所述的方法将当前层的截面打印出来；当需要更换所打印的金属时，供电控制器11断开之前打印所使用的原料盒10并接通当前参与打印的原料盒10，再将储有该金属的原料盒10移动到上一种金属打印结束的位置完成接下来的打印。在上述打印的过程中，如果需要更换成另一种金属，而当前需打印的金属的活泼性低于之前所打印金属的活泼性时，由计算机1操控电机2带动X-Y轴支架3，使涂布导电非金属涂料12的原料盒先将接下来要打印的金属的轨迹涂覆一层导电非金属涂料，再由计算机1控制电机2带动X-Y轴支架3使储有接下来需打印金属的金属离子溶液5的原料盒10移动到上一种金属打印结束的位置；如果当前需打印的金属的活泼性高于之前所打印金属的活泼性时，则无需进行涂覆导电非金属涂料12的过程。
[6]、当该层打印完后，由计算机1驱使电机2带动Z轴导电基板9向下移动一个层厚的距离，然后重复步骤[3]至步骤[5]，直到完成整个工件的打印过程。
Claims (5)
1.一种多金属电化学3D打印装置，其特征在于：包括工件制作架，以及由计算机(1)控制的电机(2)和供电控制器(11)，所述的工件制作架具有一个立式框架(13)，在立式框架(13)的上部连装有一副可在电机(2)驱动下做交叉平向运动的X-Y轴支架(3)，在X-Y轴支架(3)的下部连装有多个原料盒(10)，除一个原料盒(10)内储有导电非金属涂料(12)外,其余各原料盒(10)内分别储有不同的金属离子溶液(5),原料盒(10)的下端带有可滚动的涂布溶液用圆珠(6)，供电控制器(11)为具有正负极电压控制的供电控制器，在每个原料盒(10)内部均接有与供电控制器(11)阳极连接的电极，在立式框架(13)的下部设置有一个可在电机(2)驱动下做上下升降运动并与供电控制器(11)阴极连接的Z轴导电基板(9),在Z轴导电基板支架(9)上放置有可导电的打印基板(8),当某个内储有金属离子溶液(5)的原料盒(10)的下端的圆珠(6)与打印基板(8)接触后，滚动的圆珠(6)将该原料盒(10)内的金属离子溶液(5)涂布在打印基板(8)上，并在正负极电压作用下使金属离子获得电子还原成金属沉积在打印基板(8)上。
2.根据权利要求1所述的多金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述的供电控制器(11)采用单片机的DA模块控制电压，其阳极端通过相应电极分别连接至各原料盒(10)中，其阴极端与Z轴导电基板(9)相连接。
3.根据权利要求1所述的多金属电化学3D打印装置，其特征在于：原料盒(10)内所储金属离子溶液(5)为金属的电解质溶液。
4.一种采用权利要求1所述打印装置的多金属电化学3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
[1]、在计算机(1)中绘制三维金属工件(7)的实体模型；
[2]、利用分层软件对三维实体进行分层处理，获得截面信息,并将获得的截面信息转化为电信号；
[3]、利用电机(2)控制X-Y轴支架(3)与Z轴导电基板(9)运动，使内储有当前所打印金属的金属离子溶液(5)之原料盒(10)的圆珠(6)与打印基板(8)接触并处于正确的初始打印位置，此时圆珠(6)由于滚动，已经将金属离子溶液(5)从原料盒(10)内带出并涂在与打印基板(8)的接触点处；
[4]、供电控制器(11)为储有当前所打印金属的金属离子溶液(5)的原料盒(10)接通正电极，同时为Z轴导电基板(9)接通负电极并控制输出的电压和电流以控制金属的沉积速度；金属离子在电场的作用下向打印基板(8)移动并在打印基板(8)上获得电子被还原成金属单质沉积在打印基板(8)上；
[5]、通过电机(2)使X-Y轴支架(3)带动原料盒(10)按照当前层的分层截面的轨迹移动，并通过步骤[4]所述的方法将当前层的截面打印出来；当需要更换所打印的金属时，供电控制器(11)断开之前打印所使用的原料盒(10)并接通当前参与打印的原料盒(10)，再将储有该金属的原料盒(10)移动到上一种金属打印结束的位置完成接下来的打印；
[6]、通过电机(2)使Z轴导电基板(9)向下移动一个层厚的距离，然后重复步骤[3]至步骤[5]，直到完成整个工件的打印过程。
5.根据权利要求4所述的多金属电化学3D打印方法，其特征在于：在步骤[5]的打印过程中如果需要更换所打印的金属，若当前需打印的金属的活泼性低于之前所打印金属的活泼性时，由X-Y轴支架(3)带动储有导电非金属涂料(12)的原料盒到位，先将接下来要打印的金属的轨迹涂覆一层导电非金属涂料，再在导电非金属涂料层上打印更换后的金属。
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