CN110306219B - 一种基于电化学反应的金属3d打印机及其打印方法 - Google Patents

一种基于电化学反应的金属3d打印机及其打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电化学反应的金属3D打印机，包括：打印基台、控制终端、电解液池、输液管道、液压控制阀、打印头部件、阳极料棒、电源输出器、打印头运动控制支架及电解液。本发明的金属3D打印机的加工过程完全是通过电化学反应方式得以实现，无需高温，且整个过程无需将打印加工零件浸泡在电解液中，而是利用电解液的表面张力作用将电解液层附着在零件的当前加工层表面，形成电解液薄膜，通过电化学反应，完成当前加工层的金属打印。

Description

一种基于电化学反应的金属3D打印机及其打印方法
技术领域
本发明涉及金属3D打印技术领域，特别涉及一种基于电化学反应的金属3D打印机及其打印方法。
背景技术
3D打印技术近些年得到了高速发展，在各个行业都得到了广泛的应用，金属3D打印技术尤其是在模具制造、艺术品加工、高端零部件加工等领域具有深广意义，目前，行业内普遍使用的激光3D打印技术，无论是SLS、SLM、LENS等，机理本质基本相同，就是通过激光产生的高温，将目标区域金属粉料融化，逐层堆积，最终完成零件的打印加工工作，这个过程由于加工点区域是在高温下完成，难以避免会产生气孔、裂隙、质地不均、曲翘变形、应力集中等加工缺陷，尤其是较大尺寸零件，加工缺陷尤其明显。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种基于电化学反应的金属3D打印机及其打印方法，整个打印过程是通过电化学反应令电解液中的金属阳离子还原为金属，并按所加工零件构造进行逐层堆积，最终完成金属零件的打印加工工作，本发明的加工过程完全是通过电化学反应方式得以实现，无需高温，且整个过程无需将打印加工零件浸泡在电解液中，而是利用电解液的表面张力作用将电解液层附着在零件的当前加工层表面，形成电解液薄膜，通过电化学反应，完成当前加工层的金属打印，可以有效避免零件在打印过程中，由于零件浸泡在电解液中的，随着时间的推移，电解液中的金属阳离子在已打印区域被还原，使得最终完成的打印零件与原设计发生偏离。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种基于电化学反应的金属3D打印机，包括：打印基台、控制终端、电解液池、输液管道、液压控制阀、打印头部件、阳极料棒、电源输出器、打印头运动控制支架及电解液；所述打印基台与电源输出器的阴极相连，并为打印零件提出基础打印平台，控制终端用于对打印数据进行处理并控制打印头运动控制支架的三维运动，以及通过对液压控制阀的控制来维持电解液供给的稳定，电解液池用于存储电解液，输液管道的一端与电解液池连通，输液管道的另一端与液压控制阀连通，液压控制阀与打印头部件相连，液压控制阀用于在控制终端的控制下维持打印头部件稳定的电解液供给，打印头部件固定于打印头运动控制支架上用于在打印过程中，为打印零件提供供给量稳定的电解液，阳极料棒设于打印头部件内且与电源输出器的阳极相连，阳极料棒用于在电化学反应作用下，为电解液提供充足的金属阳离子，使电解液中的金属阳离子始终处于饱和状态，打印头运动控制支架为三维运动部件用于在控制终端的控制下，带动固定在其上的打印头部件按预设做出三维运动，电源输出器的阴阳两极分别与打印机的打印基台和阳极料棒连接，构成电化学反应的反应电场，并提供反应过程中的能源损耗；
本发明的基于电化学反应的金属3D打印机的工作原理为：打印头部件通过液压控制阀控制电解液供给压力，在打印头部件的喷嘴口形成连续电解液液珠，随着打印头运动控制支架对打印头部件的走位控制，打印头部件的喷嘴将电解液均匀涂抹在零件当前层打印区域，并在其表面形成电解液薄膜，此电解液薄膜在电化学反应的作用下，其内的金属阳离子会被迅速还原为金属，并与打印零件的已打印层结合，如此逐层堆积，最终完成零件的打印加工工作。
进一步地，所述打印头部件内设有电解液储盒，所述阳极棒料整体或部分浸泡在所述电解液储盒内，从而补充电化学反应过程中，电解液中的金属阳离子的损耗，并使电解液中的金属阳离子始终保持饱和状态。
进一步地，所述打印零件倒挂于打印基台上，其目的是防止电解液局部因堆积过多而流落到打印零件已打好部分上，在电化学反应作用下，造成打印零件局部发生与原设计不符的变化。
进一步地，所述打印基台表面设有若干防脱微孔，从而防止打印零件因为重力的逐渐增加而发生脱落现象。
进一步地，所述打印头部件与电解液直接接触的部分是由绝缘材料制成，其目的是防止打印头部件金属部分参与电化学反应。
进一步地，所述绝缘材料为玻璃、陶瓷或高分子化合物。
进一步地，所述电解液为挥发性电解液，其挥发速度慢于电化学反应速度，具体的，电解液为水溶液电解液或非水溶液电解液，在打印整体过程中，其浓度始终保持饱和状态，从而加快电化学反应速度。
进一步地，所述阳极棒料的材料为与打印零件相同的金属或合金材料。
进一步地，所述控制终端为计算机，实际中还可由其他智能设备实现，其主要作用是对3D打印的数据进行处理，并在打印过程中对打印头运动控制支架的三维运动及电解液的供给进行控制，且控制终端可外接或内置在本发明的3D打印机里。
同时，本发明还公开了一种基于电化学反应的金属3D打印方法，由上述的一种基于电化学反应的金属3D打印机实现，包括以下步骤：
A.控制终端控制打印头运动控制支架开始动作，使打印头运动控制支架带动打印头部靠近打印基台；
B.在打印头部件上的喷嘴头部与打印基台上的打印起始点x、y坐标吻合，且z坐标距离该打印起始点一定距离时，控制终端控制液压控制阀，使液压控制阀对打印头部件内的电解液施压，使电解液通过打印部件内的供料管道涌入打印部件的喷嘴开口处，并在开口处形成一微小电解液珠；
C.打印头部件在打印头运动控制支架的带动下，继续在z方向上靠近打印基台，直至喷嘴开口上的电解液珠与打印基台接触；
D.打印头运动控制支架在控制终端的控制下，带动打印头部件按打印零件的此层构架开始进行x、y方向移动；
E.打印头部件上的喷嘴开始持续供应电解液，电解液的供应量在控制终端与液压控制阀的共同控制下，保持稳定，使电解液在自身表面张力的作用下形成一液态薄膜，该薄膜内的金属阳离子在电场的作用下，迅速被还原为金属，并附着在打印基台表面，直至打印零件该层打印完成；
F.打印头运动控制支架在控制终端的控制下，开始带动打印头部件z方向下移，进行打印零件的第二层打印，以此循环，直至完成打印零件的整体打印。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
一种基于电化学反应的金属3D打印机及其打印方法，其整个打印过程是通过电化学反应令电解液中的金属阳离子还原为金属，并按所加工零件构造进行逐层堆积，最终完成金属零件的打印加工工作，本发明的方案中，加工过程完全是通过电化学反应方式得以实现，无需高温，可以有效避免产生气孔、裂隙、质地不均、曲翘变形、应力集中等加工缺陷；
且整个过程无需将打印加工零件浸泡在电解液中，而是利用电解液的表面张力作用将电解液层附着在零件的当前加工层表面，形成电解液薄膜，通过电化学反应，完成当前加工层的金属打印，这样做的目的是避免零件在打印过程中，出现由于零件是浸泡在电解液中的，而随着时间的推移，电解液中的金属阳离子在已打印区域被还原，导致最终完成的打印零件与原设计发生偏离。
附图说明
图1是本发明的基于电化学反应的金属3D打印机的示意图。
图2是图1中A部的放大示意图。
图3是本发明的打印基台的防脱微孔设计的示意图
附图标记：1-打印基台，2-控制终端，3-电解液池，4-输液管道，5-液压控制阀，6-打印头部件，7-阳极料棒，8-电源输出器，9-电解液，10-打印头运动控制支架，11-打印零件，101-防脱微孔，601-打印头喷嘴，901-电解液薄膜。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
实施例一：
如图1所示，一种基于电化学反应的金属3D打印机，包括：打印基台1、控制终端2、电解液池3、输液管道4、液压控制阀5、打印头部件6、阳极料棒7、电源输出器8、打印头运动控制支架10及电解液9。
具体的，打印基台1与电源输出器8的阴极相连，打印基台1作为位置固定件用于为打印零件11提出基础打印平台，控制终端2用于对打印数据进行处理并控制打印头运动控制支架10的x、y、z方向的三维运动，以及通过对液压控制阀5的控制来维持电解液9供给的稳定。
电解液池3用于存储电解液9，可维持补充打印机整个打印工作过程对电解液9的消耗量，电解液9则可是为电化学反应提供基础环境，输液管道4的一端与电解液池3连通，输液管道4的另一端与液压控制阀5连通，其作用是提供电解液9从电解液池3进入打印头部件6的通道，液压控制阀5与打印头部件6相连，液压控制阀5用于在控制终端2的控制下维持打印头部件6稳定的电解液9供给。
打印头部件6固定于打印头运动控制支架10上用于在打印过程中，为打印零件11提供供给量稳定的电解液9，阳极料棒7设于打印头部件6内且与电源输出器8的阳极相连，阳极料棒7用于在电化学反应作用下，为电解液9提供充足的金属阳离子，使电解液9中的金属阳离子始终处于饱和状态，打印头运动控制支架10为三维运动部件用于在控制终端2的控制下，带动固定在其上的打印头部件6按预设做出x、y、z方向的三维运动，电源输出器8的阴阳两极分别与打印机的打印基台1和阳极料棒7连接，构成电化学反应的反应电场，并提供反应过程中的能源损耗。
具体的，本实施例中，阳极棒料的材料为与打印零件11相同的金属或合金材料，在打印头部件6内设有电解液9储盒，阳极棒料整体或部分浸泡在电解液9储盒内，从而补充电化学反应过程中，电解液9中的金属阳离子的损耗，并使电解液9中的金属阳离子始终保持饱和状态。
具体的，如图2所示，打印零件11倒挂于打印基台1上，其目的是防止电解液9局部因堆积过多而流落到打印零件11已打好部分上，在电化学反应作用下，造成打印零件11局部发生与原设计不符的变化，同时，为了防止打印零件11因为重力的逐渐增加而发生脱落现象，如图3所示，本实施例中，打印基台1表面设有若干防脱微孔101。
具体的，本实施例中，打印头部件6与电解液9直接接触的部分是由绝缘材料制成，如玻璃、陶瓷或高分子化合物等，其目的是防止打印头部件6金属部分参与电化学反应。
本实施例中，电解液9为挥发性电解液9，且其挥发速度慢于电化学反应速度，具体的，电解液9为水溶液电解液9或非水溶液电解液9，在打印整体过程中，其浓度始终保持饱和状态，从而加快电化学反应速度。
本实施例中，控制终端2为计算机，实际中还可由其他智能设备实现，其主要作用是对3D打印的数据进行处理，并在打印过程中对打印头运动控制支架10的三维运动及电解液9的供给进行控制，且控制终端2可外接或内置在本发明的3D打印机里。
本实施例的基于电化学反应的金属3D打印机的工作原理为：打印头部件6通过液压控制阀5控制电解液9供给压力，在打印头喷嘴601口形成连续电解液9液珠，随着打印头运动控制支架10对打印头部件6的走位控制，打印头喷嘴601将电解液9均匀涂抹在零件当前层打印区域，并在其表面形成电解液薄膜901，此电解液薄膜901在电化学反应的作用下，其内的金属阳离子会被迅速还原为金属，并与打印零件11的已打印层结合，如此逐层堆积，最终完成零件的打印加工工作。
实施例二
一种基于电化学反应的金属3D打印方法，由上述的一种基于电化学反应的金属3D打印机实现，包括以下步骤：
步骤一：控制终端2控制打印头运动控制支架10开始动作，使打印头运动控制支架10带动打印头部靠近打印基台1；
步骤二：在打印头部件6上的喷嘴头部与打印基台1上的打印起始点x、y坐标吻合，且z坐标距离该打印起始点一定距离时，控制终端2控制液压控制阀5，使液压控制阀5对打印头部件6内的电解液9施压，使电解液9通过打印部件内的供料管道涌入打印部件的打印头喷嘴601开口处，并在开口处形成一微小电解液9珠；
步骤三：打印头部件6在打印头运动控制支架10的带动下，继续在z方向上靠近打印基台1，直至打印头喷嘴601开口上的电解液9珠与打印基台1接触；
步骤四：打印头运动控制支架10在控制终端2的控制下，带动打印头部件6按打印零件11的此层构架开始进行x、y方向移动；
步骤五：打印头部件6上的打印头喷嘴601开始持续供应电解液9，电解液9的供应量在控制终端2与液压控制阀5的共同控制下，保持稳定，使电解液9在自身表面张力的作用下形成电解液薄膜901，该薄膜内的金属阳离子在电场的作用下，迅速被还原为金属，并附着在打印基台1表面，直至打印零件11该层打印完成；
步骤六：打印头运动控制支架10在控制终端2的控制下，开始带动打印头部件6向z方向下移，进行打印零件11的第二层打印，以此循环，直至完成打印零件11的整体打印。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，包括：打印基台、控制终端、电解液池、输液管道、液压控制阀、打印头部件、阳极料棒、电源输出器、打印头运动控制支架及电解液；
所述打印基台与电源输出器的阴极相连，打印基台用于为打印零件提出基础打印平台，控制终端用于对打印数据进行处理并控制打印头运动控制支架的三维运动，以及通过对液压控制阀的控制来维持电解液供给的稳定，电解液池用于存储电解液，输液管道的一端与电解液池连通，输液管道的另一端与液压控制阀连通，液压控制阀与打印头部件相连，液压控制阀用于在控制终端的控制下维持打印头部件稳定的电解液供给，打印头部件固定于打印头运动控制支架上用于在打印过程中，为打印零件提供供给量稳定的电解液，阳极料棒设于打印头部件内且与电源输出器的阳极相连，阳极料棒用于在电化学反应作用下，为电解液提供充足的金属阳离子，使电解液中的金属阳离子始终处于饱和状态，打印头运动控制支架用于在控制终端的控制下，带动固定在其上的打印头部件按预设做出三维运动；所述打印零件倒挂于打印基台上；所述打印基台表面设有若干防脱微孔；所述电解液为挥发性电解液，其挥发速度慢于电化学反应速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，所述打印头部件内设有电解液储盒，所述阳极料棒 整体或部分浸泡在所述电解液储盒内。
3.根据权利要求1所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，所述打印头部件与电解液直接接触的部分是由绝缘材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，所述绝缘材料为玻璃、陶瓷或高分子化合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，所述阳极料棒 的材料为与打印零件相同的金属或合金材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机，其特征在于，所述控制终端为计算机。
7.一种基于电化学反应的金属3D打印方法，其特征在于，由权利要求1至6中任一所述的一种基于电化学反应的金属3D打印机实现，包括以下步骤：
A.控制终端控制打印头运动控制支架开始动作，使打印头运动控制支架带动打印头部靠近打印基台；
B.在打印头部件上的喷嘴头部与打印基台上的打印起始点x、y坐标吻合，且z坐标距离该打印起始点一定距离时，控制终端控制液压控制阀，使液压控制阀对打印头部件内的电解液施压，使电解液通过打印部件内的供料管道涌入打印部件的喷嘴开口处，并在开口处形成一微小电解液珠；
C.打印头部件在打印头运动控制支架的带动下，继续在z方向上靠近打印基台，直至喷嘴开口上的电解液珠与打印基台接触；
D.打印头运动控制支架在控制终端的控制下，带动打印头部件按打印零件的此层构架开始进行x、y方向移动；
E.打印头部件上的喷嘴开始持续供应电解液，电解液的供应量在控制终端与液压控制阀的共同控制下，保持稳定，使电解液在自身表面张力的作用下形成一液态薄膜，该薄膜内的金属阳离子在电场的作用下，迅速被还原为金属，并附着在打印基台表面，直至打印零件该层打印完成；
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