CN110253020A - 一种金属电化学微增材制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属电化学微增材制造装置及制造方法，属于电化学增材制造领域。电化学喷头组件安装在Z轴精密驱动平台上，进给及压直组件中压直轮组安装在Z轴精密驱动平台上，供给轮固定于X轴运动平台，沉积旋转反应槽组件固定在电化学喷头组件正下方的横梁上，X轴运动平台、Y轴运动平台和Z轴精密驱动平台分别安装在保护外壳内。优点是结构新颖，扩大了金属的选材范围，液相打印环境使得金属原子更加稳定地沉积，提高打印精度；采用单电解池并可通过溶解金属进行原料再利用，从而大幅降低生产成本甚至实现近似零损耗生产，具有较高的实用价值。

Description

一种金属电化学微增材制造装置及制造方法

技术领域

本发明属于电化学增材制造领域，具体涉及一种金属电化学微增材制造装置及制造方法。

背景技术

3D打印是快速成形技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式来构造零部件。金属零件的3D打印方法，主要有激光选区烧结、激光选区熔化、电子速选区熔化、金属沉积成形、微滴喷射技术等。金属零部件的3D打印为解决工业装备中难加工金属构件的制造提供了一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。

电化学增材制造(ECAM)(电化学3D打印)是一种相对较新的增材制造方法，它通过还原溶液中的金属离子，将薄且高度粘附的金属层沉积到导电基材表面。采用电镀系统，一种传统用于金首饰电镀的工艺，逐层构建金属部件，而不是采用激光熔化或烧结金属粉末。通过施加外部电位将溶液中的金属离子还原成基本成分。

发明内容

本发明提供一种金属电化学微增材制造装置及制造方法，以解决传统的金属增材制造方法对加工条件的限制(如激光、高温烧结、稀有气体保护等)，避免金属零件在打印过程中内部产生残余应力和能耗较大、成本高的问题，提高打印速度、改善零件的性能。

本发明采取的技术方案是：包括保护外壳、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴精密驱动平台、电化学喷头组件、沉积反应槽组件、进给及压直组件，其中电化学喷头组件安装在Z轴精密驱动平台上，进给及压直组件中压直轮组安装在Z轴精密驱动平台上，供给轮固定于X轴运动平台，沉积旋转反应槽组件固定在电化学喷头组件正下方的横梁上，X轴运动平台、Y轴运动平台和Z轴精密驱动平台分别安装在保护外壳内。

本发明所述的Y轴运动平台，包括端头支座、丝杠电机一、固定件二、丝杠一、导轨一、导轨移动件一、移动衔接件、上层保护盖、底层导轨固定件、轴连接台、X轴固定螺栓，其中丝杠一通过丝杠电机一带动导轨移动件一沿导轨一移动、固定在底层导轨固定件和上层保护盖之间，其两端由端头支座固定，在导轨移动件一上安装移动衔接件，移动衔接件上固定轴连接台，通过X轴固定螺栓与X轴运动平台固定安装。

本发明所述的Z轴精密驱动平台，包括导轨移动件二、导轨二、丝杠二、固定件二、丝杠电机二、防尘盖、滚珠轴承、联轴器、导轨固定螺栓，其中导轨移动件二在导轨二上滑动，实现Z轴单方向的精密位移，导轨二通过导轨固定螺栓与固定件二连接，丝杠二通过滚珠轴承与固定件二连接，丝杠二顶端通过联轴器与丝杠电机二输出轴连接。

本发明所述的电化学喷头组件，包括Z轴连接件、固定板、连接螺栓、固定螺栓、封气塞、丝材插入口、单向排气口、储液器、丝材固定件、空腔、正极连接端，其中Z轴连接件通过固定螺栓与Z轴精密驱动平台连接，Z轴连接件通过连接螺栓与固定件连接；固定板上固定有储液器，储液器顶处有封气塞；正极连接端与封气塞顶部固定连接，正极连接端和封气塞上开有一丝材插入口，丝材插入口在封气塞、正极连接端两处同心连通，封气塞上还开有单向排气口，储液器底部尖端装有丝材固定件，其上部均为空腔。

本发明所述的沉积反应槽组件，包括固定块、固定块螺栓、沉积槽、旋转压电驱动、负极连接端，其中固定块通过固定块螺栓与底座支架连接，旋转压电驱动两端分别与沉积槽和固定块连接，通过旋转压电驱动的运动带动沉积槽的旋转，负极连接端安装于沉积槽底部与阴极板接触。

本发明所述的进给及压直组件，包括供料轮、旋转电机、电机固定螺栓、主动轮、皮带、4个大压直轮、防尘保护壳、2个小压直轮、电机，其中金属丝材缠绕在供料轮上，旋转电机带动供料轮旋转，电机固定螺栓将旋转电机固定在X轴运动平台上；电机带动主动轮转动，主动轮通过皮带传动大压直轮和小压直轮旋转，金属丝材穿过防尘保护壳的进料口，由大压直轮和小压直轮压紧，经出料口出料，通过皮带摩擦带动金属丝向下运动，同时金属丝材被两侧的压直轮压直。

本发明所述的储液器、丝材固定件、沉积槽采用非导电材料；如陶瓷、塑料等，如使用聚丙烯材料。

一种金属电化学微增材制造方法，包括下列步骤：

(1)金属电解液制备

常温下在烧杯中配制一定浓度的金属离子溶液，加入氯盐与一定量的酸溶液，增大离子浓度，从而达到增加溶液导电性的目的，将配制好的材料装入沉积槽和储液器中；

(2)阴极板处理

选用导电的紫铜板作为阴极材料，经物理磨平加工处理、超声波清洗后浸入到沉积槽内的电解质溶液中；

(3)阳极金属丝材处理

金属丝材经酸洗后插进进给及压直组件，从而增加其电离程度；

(4)零件模型路径制作

建立要打印的金属零件的三维模型，切片层处理形成STL格式文件，通过控制输出电压和运动平台速度，按扫描路径逐层沉积成形；

(5)金属电化学打印方法

使X轴运动平台、Y轴运动平台移动到沉积槽上方，通过Z轴精密驱动平台带动电化学喷头组件移至距导电金属基板为50微米的打印初始位置、且在沉积槽的液面之下，使之形成闭合回路，根据阳极金属丝的溶解速率，调整金属丝材进给，压直组件带动金属丝供料装置使锐化金属丝穿过丝材固定件进行限位，同时尖端与电化学喷头组件末端距离5mm；外接直流电源，正极接通正极连接端，负极接通负极连接端，通电后，在打印头下方金属离子被还原成金属原子沉积在阴极板的相应位置，随着喷嘴的逐步移动，打印出一层特有形状的微米级金属层；根据3D模型生成的路径，喷头装置上升一个打印层厚度，重复上述方法，实现逐层的微米级打印；在打印特殊构型零件时，沉积槽可由旋转压电驱动带动沉积平面的倾斜，从而适应复杂结构的沉积需求。

本发明所述的金属电化学微增材制造方法，金属种类包括Ni、Cu、Ag、Fe、Au、Zn、Al、Ti。

本发明所述的金属电化学微增材制造方法，微米级打印头的移动速度0.5-1.0mm/s，所设定的打印温度环境为室温，恒压直流电源所提供的电压为10-25V。

本发明的优点如下：

(1)本发明采用单电解池和微米级打印头装置，结合3D打印技术制备金属材料的同时成形小体积结构复杂的金属零件，该方法实现金属材料制备和结构成形一体化，减少加工工序，提高工作效率。

(2)与传统的零件减材方法(车、削等)相比，本发明能制造出结构更复杂的零件。

(3)与激光烧结金属粉末的3D打印相比，本发明节省了金属粉末的制备过程，同时避免激光加热熔融粉末过程后零件内部的残余应力，改善零件的性能减少能源消耗。

(4)本发明在常温室内条件下就可进行打印，不需要惰性气体保护装置，降低加工成本。

(5)本发明可用于微米级零件的制备，在医学领域的一些精密仪器、民用工业方面的一些微型工艺制造、国防工业方面有巨大潜力。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置不包括保护外壳1的结构示意图；

图3是本发明Y轴运动平台的结构示意图；

图4是本发明Z轴精密驱动平台的结构示意图；

图5是图4剖视图；

图6是本发明电化学喷头组件的结构示意图；

图7是本发明储液器的结构示意图；

图8是本发明丝材固定件的结构示意图；

图9是本发明喷头处的局部放大图；

图10是本发明沉积反应槽的结构示意图；

图11本发明金属丝进给及压直装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1、2，包括保护外壳1、X轴运动平台2、Y轴运动平台3、Z轴精密驱动平台4、电化学喷头组件5、沉积反应槽组件6、进给及压直组件7，其中电化学喷头组件5安装在Z轴精密驱动平台4上，进给及压直组件7中压直轮组安装在Z轴精密驱动平台4上，供给轮固定于X轴运动平台2，沉积旋转反应槽组件6固定在电化学喷头组件5正下方的横梁上，X轴运动平台2、Y轴运动平台3和Z轴精密驱动平台4分别安装在保护外壳1内。

参见图3、本发明所述的Y轴运动平台3，包括端头支座3001、丝杠电机一3002、固定件二3003、丝杠一3004、导轨一3005、导轨移动件一3006、移动衔接件3007、上层保护盖3008、底层导轨固定件3009、轴连接台3010、X轴固定螺栓3011，其中丝杠一3004通过丝杠电机一3002带动导轨移动件一3006沿导轨一3005移动、固定在底层导轨固定件3009和上层保护盖3008之间，其两端由端头支座3001固定，在导轨移动件一3006上安装移动衔接件3007，移动衔接件3007上固定轴连接台3010，通过X轴固定螺栓3011与X轴运动平台固定安装；

参见图4、5，本发明所述的Z轴精密驱动平台4，包括导轨移动件二4001、导轨二4002、丝杠二4003、固定件二4004、丝杠电机二4005、防尘盖4006、滚珠轴承4007、联轴器4008、导轨固定螺栓4009，其中导轨移动件二4001在导轨二4002上滑动，实现Z轴单方向的精密位移，导轨二4002通过导轨固定螺栓4009与固定件二4004连接，丝杠二4003通过滚珠轴承4007与固定件二4004连接，丝杠二4003顶端通过联轴器4008与丝杠电机二4005输出轴连接；

参见图6～9、本发明所述的电化学喷头组件5，包括Z轴连接件5001、固定板5002、连接螺栓5003、固定螺栓5004、封气塞5005、丝材插入口5006、单向排气口5007、储液器5008、丝材固定件5009、空腔5010、正极连接端5011，其中Z轴连接件5001通过固定螺栓5004与Z轴精密驱动平台4连接，Z轴连接件5001通过连接螺栓5003与固定件5002连接；固定板5002上固定有储液器5008，储液器5008顶处有封气塞5005；正极连接端5011与封气塞5005顶部固定连接，正极连接端5011和封气塞5005上开有一丝材插入口5006，丝材插入口5006在封气塞5005、正极连接端5011两处同心连通，在丝材插入过程中与金属丝材接触，正极连接端5011处接通直流电源正极，能使金属丝材带正电；封气塞5005上还开有单向排气口5007；储液器5008底部尖端装有丝材固定件5009，其上部均为空腔5010；

参见图10、本发明所述的沉积反应槽组件6，包括固定块6001、固定块螺栓6002、沉积槽6003、旋转压电驱动6004、负极连接端6005，其中固定块6001通过固定块螺栓6002与底座支架连接，旋转压电驱动6004两端分别与沉积槽6003和固定块6001连接，通过旋转压电驱动6004的运动带动6003沉积槽的旋转，负极连接端6005安装于沉积槽6003底部与阴极板接触，接通直流电源负极，能使阴极板带负电；

参见图11、本发明所述的进给及压直组件7，包括供料轮7001、旋转电机7002、电机固定螺栓7003、主动轮7005、皮带7006、4个大压直轮7007、防尘保护壳7010、2个小压直轮7011、电机7012，其中金属丝材7004缠绕在供料轮7001上，旋转电机7002带动供料轮7001旋转，电机固定螺栓7003将旋转电机7002固定在X轴运动平台2上；电机7012带动主动轮7005转动，主动轮7005通过皮带7006传动大压直轮7007和小压直轮7011旋转，金属丝材7004穿过防尘保护壳7010的进料口7008，由大压直轮7007和小压直轮7011压紧，经出料口7009出料，通过皮带摩擦带动金属丝向下运动，同时金属丝材被两侧的压直轮压直，从而更好地适应接下来的打印过程；

本发明所述的储液器5008、丝材固定件5009、沉积槽6003采用非导电材料；如陶瓷、塑料等，如使用聚丙烯材料。

一种金属电化学微增材制造方法，包括下列步骤：

(1)金属电解液制备

硫酸镍电解液制备：配置280g/L的硫酸镍溶液：1L烧杯洗净，加入2/3体积的去离子水；在50-60度水浴加热条件下，加入硫酸镍280g，搅拌溶解；加入5％稀盐酸，充分搅匀；加入2ml/L双氧水，继续搅拌，加热至70度；在搅拌过程中，用10％氢氧化钠调pH在4.5-5.0；加入2g/L粉末活性碳，用去离子水定容至1L，搅拌2小时，静止8小时；最后过滤装入沉积槽6003和储液器5008中；

(2)阴极板处理

选用导电的紫铜板作为阴极材料，经物理磨平加工处理、超声波清洗后浸入到沉积槽6003内的电解质溶液中；

(3)阳极金属丝材处理

金属丝材7004经酸洗后插进进给及压直组件7，从而增加其电离程度；

(4)零件模型路径制作

建立要打印的金属零件的三维模型，切片层处理形成STL格式文件，通过控制输出电压和运动平台速度，按扫描路径逐层沉积成形；

(5)金属电化学打印方法

使X轴运动平台2、Y轴运动平台3移动到沉积槽6003上方，通过Z轴精密驱动平台4带动电化学喷头组件5移至距导电金属基板为50微米的打印初始位置、且在沉积槽6003的液面之下，使之形成闭合回路，根据阳极金属丝的溶解速率，调整金属丝材进给，压直组件7带动金属丝供料装置使锐化金属丝7004穿过丝材固定件5009进行限位，同时尖端与电化学喷头组件5末端距离5mm；外接直流电源，正极接通正极连接端，负极接通负极连接端，通电后，在打印头下方金属离子被还原成金属原子沉积在阴极板的相应位置，随着喷嘴的逐步移动，打印出一层特有形状的微米级金属层；根据3D模型生成的路径，喷头装置上升一个打印层厚度，重复上述方法，实现逐层的微米级打印；在打印特殊构型零件时，沉积槽6003可由旋转压电驱动6004带动沉积平面的倾斜，从而适应复杂结构的沉积需求。

本发明所述的金属电化学微增材制造方法，金属种类包括Ni、Cu、Ag、Fe、Au、Zn、Al、Ti。

本发明所述的金属电化学微增材制造方法，微米级打印头5的移动速度0.5-1.0mm/s，所设定的打印温度环境为室温，恒压直流电源所提供的电压为10-25V。

Claims (10)

1.一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：其中电化学喷头组件安装在Z轴精密驱动平台上，进给及压直组件中压直轮组安装在Z轴精密驱动平台上，供给轮固定于X轴运动平台，沉积旋转反应槽组件固定在电化学喷头组件正下方的横梁上，X轴运动平台、Y轴运动平台和Z轴精密驱动平台分别安装在保护外壳内。

2.根据权利要求1所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的Y轴运动平台，包括端头支座、丝杠电机一、固定件二、丝杠一、导轨一、导轨移动件一、移动衔接件、上层保护盖、底层导轨固定件、轴连接台、X轴固定螺栓，其中丝杠一通过丝杠电机一带动导轨移动件一沿导轨一移动、固定在底层导轨固定件和上层保护盖之间，其两端由端头支座固定，在导轨移动件一上安装移动衔接件，移动衔接件上固定轴连接台，通过X轴固定螺栓与X轴运动平台固定安装。

3.根据权利要求1所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的Z轴精密驱动平台，包括导轨移动件二、导轨二、丝杠二、固定件二、丝杠电机二、防尘盖、滚珠轴承、联轴器、导轨固定螺栓，其中导轨移动件二在导轨二上滑动，实现Z轴单方向的精密位移，导轨二通过导轨固定螺栓与固定件二连接，丝杠二通过滚珠轴承与固定件二连接，丝杠二顶端通过联轴器与丝杠电机二输出轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的电化学喷头组件，包括Z轴连接件、固定板、连接螺栓、固定螺栓、封气塞、丝材插入口、单向排气口、储液器、丝材固定件、空腔、正极连接端，其中Z轴连接件通过固定螺栓与Z轴精密驱动平台连接，Z轴连接件通过连接螺栓与固定件连接；固定板上固定有储液器，储液器顶处有封气塞；正极连接端与封气塞顶部固定连接，正极连接端和封气塞上开有一丝材插入口，丝材插入口在封气塞、正极连接端两处同心连通，封气塞上还开有单向排气口，储液器底部尖端装有丝材固定件，其上部均为空腔。

5.根据权利要求4所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的储液器、丝材固定件采用非导电材料。

6.根据权利要求1所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的沉积反应槽组件，包括固定块、固定块螺栓、沉积槽、旋转压电驱动、负极连接端，其中固定块通过固定块螺栓与底座支架连接，旋转压电驱动两端分别与沉积槽和固定块连接，通过旋转压电驱动的运动带动沉积槽的旋转，负极连接端安装于沉积槽底部与阴极板接触。

7.根据权利要求1所述的一种金属电化学微增材制造装置，其特征在于：所述的进给及压直组件，包括供料轮、旋转电机、电机固定螺栓、主动轮、皮带、4个大压直轮、防尘保护壳、2个小压直轮、电机，其中金属丝材缠绕在供料轮上，旋转电机带动供料轮旋转，电机固定螺栓将旋转电机固定在X轴运动平台上；电机带动主动轮转动，主动轮通过皮带传动大压直轮和小压直轮旋转，金属丝材穿过防尘保护壳的进料口，由大压直轮和小压直轮压紧，经出料口出料，通过皮带摩擦带动金属丝向下运动，同时金属丝材被两侧的压直轮压直。

8.一种金属电化学微增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)金属电解液制备

常温下在烧杯中配制一定浓度的金属离子溶液，加入氯盐与一定量的酸溶液，增大离子浓度，从而达到增加溶液导电性的目的，将配制好的材料装入沉积槽和储液器中；

(2)阴极板处理

选用导电的紫铜板作为阴极材料，经物理磨平加工处理、超声波清洗后浸入到沉积槽内的电解质溶液中；

(3)阳极金属丝材处理

金属丝材经酸洗后插进进给及压直组件，从而增加其电离程度；

(4)零件模型路径制作

建立要打印的金属零件的三维模型，切片层处理形成STL格式文件，通过控制输出电压和运动平台速度，按扫描路径逐层沉积成形；

(5)金属电化学打印方法

使X轴运动平台、Y轴运动平台移动到沉积槽上方，通过Z轴精密驱动平台带动电化学喷头组件移至距导电金属基板为50微米的打印初始位置、且在沉积槽的液面之下，使之形成闭合回路，根据阳极金属丝的溶解速率，调整金属丝材进给，压直组件带动金属丝供料装置使锐化金属丝穿过丝材固定件进行限位，同时尖端与电化学喷头组件末端距离5mm；外接直流电源，正极接通正极连接端，负极接通负极连接端，通电后，在打印头下方金属离子被还原成金属原子沉积在阴极板的相应位置，随着喷嘴的逐步移动，打印出一层特有形状的微米级金属层；根据3D模型生成的路径，喷头装置上升一个打印层厚度，重复上述方法，实现逐层的微米级打印；在打印特殊构型零件时，沉积槽可由旋转压电驱动带动沉积平面的倾斜，从而适应复杂结构的沉积需求。

9.根据权利要求8所述的一种金属电化学微增材制造方法，其特征在于：所述金属包括Ni、Cu、Ag、Fe、Au、Zn、Al、Ti。

10.根据权利要求8所述的一种金属电化学微增材制造方法，其特征在于：微米级打印头的移动速度0.5-1.0mm/s，所设定的打印温度环境为室温，恒压直流电源所提供的电压为10-25V。