電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及數(shù)控電化學沉積快速成型裝置中的陽極組件，包括有非溶性陽極，其特點在于：設有一水平x和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極并相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，所有陽極均會并聯(lián)的與其電化學電源連接，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道，處于陽極臺面上的每個陽極端面周圍具有擴口容腔，該擴口容腔與陽極輸液通道口相互貫通。本實用新型的最大優(yōu)點是所有電極點都可以同時工作，就是并聯(lián)打印同時工作效率尤其高，能耗也少。另外，擴口容腔等的設置能克服由于點陣分布狀的陽極臺面上各電極間要有絕緣樹脂等相隔絕緣，這就必然在各電極間相隔絕緣部位對應地形成電場斷續(xù)的問題，也為金屬離子溶液提供了一個緩沖區(qū)，使金屬電還原沉積能持續(xù)穩(wěn)定地進行。
【專利說明】電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及數(shù)控電化學沉積快速成型裝置中的專用陽極組件。

【背景技術】
[0002]簡稱為3D打印機的裝備是快速成形技術的一種裝置，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金麗或塑M等可粘合堆積材料，把數(shù)據(jù)和原料放進3DHYPERLINK "http://baike.baidu.com/view/4117826, htm"打印坑中，坑器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來，即通過逐層打印的方式來構造物體的技術。該裝置常常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型或者用于一些產(chǎn)品的直接制造。其中金屬零部件3D打印技術是信息化與機械化高度融合的標志性技術之一，目前較成功的有金屬粉末鋪粉式激光燒結技術和金屬粉末同步送粉式激光燒結技術兩種。金屬粉末鋪粉式激光燒結金屬零部件時金屬粉回收方便，利用率高，但在制造有內(nèi)腔的零部件時金屬粉末回收不易；金屬粉末同步送粉式激光燒結技術較適合大型零部件的3D打印制造，但受環(huán)境和送粉質(zhì)量的影響較大，保護氣體耗量也較大；但是這兩種技術的共同特點是用一束激光根據(jù)計算機3D圖型數(shù)據(jù)進行逐點依次掃描融化金屬粉末來達到3D打印制造金屬零部件的目的，因而其最大的不足就是要逐點依次掃描打印，從而造成打印速度慢，并且從現(xiàn)有的3D打印技術打印出的零部件實樣來看，激光熔融所制造的零件表面較粗糙，尺寸精度較差，離精密機械零部件制造還有相當?shù)牟罹啵瑫r激光3D打印設備價格貴，能耗也大。
[0003]電鑄是一種基于金屬離子在陰極電沉積原理制取產(chǎn)品的現(xiàn)代加工技術，使溶液中的金屬正離子在電場的作用下，遷移到陰極獲得電子還原成原子，并沉積于陰極母模表面，并脫模，從而制造出與母模完全相同的產(chǎn)品的制造技術，電鑄技術具有較高的制造精度和表面光潔度以及可制作多組分復合材料。已經(jīng)被廣泛地應用在宇航、核工業(yè)、微機械、電子業(yè)等高【技術領域】并獲成功，主要用于各種精密、異型、復雜、微細等難以用機械加工方法制得的或加工成本很高的零件，例如用于制造火箭噴氣發(fā)動機冷卻室、太陽能儲能飛輪，汽車內(nèi)飾件的制造、電子工業(yè)中印刷焊膏、膠粘劑模板，激光商標、光盤、精密齒輪、精密模具、標牌、藥型罩等方面。
[0004]現(xiàn)在已經(jīng)有人研究利用電化學還原沉積原理進行金屬零件3D打印，即利用了具體的電鑄原理和3D打印技術結合來實現(xiàn)金屬零件3D打印。其中有cn201310457824.7的《電解刻蝕電鍍堆積3D打印機》和cn200810063195.9的《數(shù)控選區(qū)電化學沉積快速成型方法與裝置》等都是采用電化學沉積方法來實現(xiàn)金屬零件3D打印的，這些文獻披露的內(nèi)容盡管已經(jīng)克服了電鑄技術必須依賴于母模的問題，但是仍然存在快速成型效率不高的問題，特別是它們還有另一共同特點就是都只有一個陽極和陰極，運動電極必須隨數(shù)控機械支架及其電機在X、Y、Z三個方向移動；這樣設置最大的不足就是電極尺寸大了加工精度就不高，電極尺寸小了加工速度太慢，打印裝備也復雜，因而在實際應用中效率并不理想。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的就是為克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，而提供一種改進的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱應用于數(shù)控點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備能實現(xiàn)真正的快速成型。
[0006]本實用新型所述的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱包括有非溶性陽極，其特點在于:設有一水平X和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極并相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，所有陽極均會并聯(lián)的與其電化學電源連接，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道，處于陽極臺面上的每個陽極端面周圍具有擴口容腔，該擴口容腔與陽極輸液通道口相互貫通。
[0007]所述對應的點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備則還包括有:計算機數(shù)控系統(tǒng)、裝備基座、陽極數(shù)控垂直升降機構、以及電沉積系統(tǒng)，該電沉積系統(tǒng)包括有陽極、金屬離子溶液工作槽、電化學電源、循環(huán)泵、過濾器、陰極和工作時構成導電連接的工作基板，以及本實用新型的點陣分布式陽極臺柱等。
[0008]本實用新型的點陣分布式陽極臺柱其陽極臺工作時面朝向陰極及其導電連接的工作基板，并與它們構成能讓金屬離子溶液流轉(zhuǎn)的縫隙配合，計算機數(shù)控系統(tǒng)將待成型工件的三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水平X和y軸方向點陣和垂直步進的三維控制數(shù)據(jù)，其控制信號一路與控制各陽極和電化學電源通斷的電源智能控制處理器連接，控制信號另一路與控制陽極垂直升降的陽極數(shù)控升降機構的數(shù)控處理器連接。
[0009]上述點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備充分利用了本實用新型點陣分布式陽極臺柱特點，在計算機數(shù)控特制的并聯(lián)而且相互絕緣的精細點陣分布的點陣分布式陽極臺柱，使其與金屬離子溶液及陰極組成電化學還原沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)所要打印的零部件的尺寸大小和精度來選擇設置點陣非溶性陽極組的點數(shù)精度和尺寸。例如對一般尺寸和精度的零部件可以設置直徑為0.5mm的鈦電極，陣列X和y軸方向長*寬為540至1080乘320至980不等的點陣；每一個陽極電極都通過電源智能控制處理器來控制和電化學電源的通斷，一般來說采用在每個電路中設有一個開關二極管，當然也不僅僅局限于此，此時開關二極管的控制信號采用將計算機三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為也由540至1080乘320至980不等的點陣水平平面參數(shù)控制數(shù)據(jù)，計算機三維圖像數(shù)據(jù)還包括轉(zhuǎn)換為垂直方向適當步進參數(shù)控制數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號一般也經(jīng)放大后用來控制。隨著陽極數(shù)控垂直升降機構帶動陽極在垂直方向的移動，伴隨的X、Y 二維平面的點陣陽極電流通斷的變化即可實現(xiàn)三維圖像的電量質(zhì)量轉(zhuǎn)換，因為金屬比重是一定的，金屬還原沉積量是由還原電量決定的，從而通過控制每個平面的金屬布局并進行疊加，即可形成金屬3D實體。
[0010]本實用新型的最大優(yōu)點是所有電極點都可以同時工作，就是并聯(lián)打印，因而對厚壁或?qū)嵭慕饘偌?D打印，需要時數(shù)萬個電極同時工作效率尤其高，不像單束激光打印或現(xiàn)有的單電極電化學還原3D打印金屬件的方法效率極低；與激光熔融金屬方法相比，本實用新型用電化學還原金屬的能耗要少得多，因而也符合節(jié)能降耗的要求。另外，擴口容腔等的設置能克服由于點陣分布狀的陽極臺面上各電極間要有絕緣樹脂等相隔絕緣，這就必然在各電極間相隔絕緣部位對應地形成電場斷續(xù)的問題，特別是各電極間相隔距離比較大時尤其如此。如不采取有效技術措施，用電化學還原將無法得到完整的金屬件。該設置能使相鄰擴口的外口相互無縫連接，這樣就可在各點陽極對應的陰極及其工作時構成導電連接的工作基板上形成可控的無縫電場點陣，這為用電化學還原法得到完整的金屬件提供了更好的技術基礎。擴口型容腔也為金屬離子溶液提供了一個緩沖區(qū)，使金屬電還原沉積能持續(xù)穩(wěn)定地進行。
[0011]本實用新型的進一步設置是處于陽極臺面上的陽極輸液通道口其端部具有相鄰擴口容腔交匯形成的擋塊，擴口容腔與該陽極輸液通道口的側向出口相互貫通。這樣的設置更優(yōu)化了擴口容腔與陽極輸液通道的配合關系。
[0012]本實用新型中設有的點陣分布陽極輸液通道一般會與帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通，所謂的“帶壓的金屬離子溶液輸送裝置連通”可以是指常規(guī)的由循環(huán)泵工作時帶來壓力的金屬離子溶液輸送裝置，也可以指為了特別適合小口徑陽極輸液通道附加在輸送鏈上的使金屬離子溶液具有更大壓強的其它溶液輸送裝置，比如再附加上強力增壓泵等。
[0013]為此，本實用新型的進一步設置是包括有一輸液罐設置在點陣分布式陽極臺柱中并處于點陣分布式陽極臺柱的頂端，該輸液罐具有罐頂蓋及其罐頂蓋進液法蘭，輸液罐的罐體與點陣分布式陽極臺柱一體設置，罐體底部直接和各陽極輸液通道連通，各陽極導線集中封裝于陽極導線組集中法蘭上，陽極導線組集中法蘭安裝在罐頂蓋上，穿過輸液罐腔體的各陽極導線被絕緣層包裹。
[0014]本實用新型將輸液罐與點陣分布式陽極臺柱一體設置并置于陽極輸液通道上不僅僅使結構布置更緊湊合理，也使輸液罐發(fā)揮了溶液緩沖均勻分配器的作用，特別有助于金屬離子溶液被均勻有序地注入到陽極密集沉積金屬處，特別是在陽極擴口容腔處，如此更能保證電化學沉積的有效性。
[0015]另外優(yōu)選的，本實用新型的分布在陽極臺面上的各陽極之間距離不大于2mm，各陽極的端面直徑不大于0.5mm,陽極輸液通道的直徑不大于1mm。
[0016]上述本實用新型的設置有助于保證打印的待成型工件的加工精度和金屬離子還原沉積的可靠性。當然作為一種發(fā)明的考量，各陽極之間距離一般來說越小越有助于保證加工精度。
[0017]下面結合【專利附圖】

【附圖說明】及本實用新型具體實施例來進一步闡述本實用新型。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型具體實施例在點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備中應用的結構示意圖
[0019]圖2為圖1中的d局部放大圖
[0020]圖3為圖1中的P局部放大圖
[0021]圖4為圖2中的A-A剖視圖也稱陽極臺面分布圖
[0022]其中，1、點陣分布式陽極臺柱，2、陰極，3、工作基板，4、陽極數(shù)控垂直升降機構，5、計算機數(shù)控系統(tǒng)，6、循環(huán)泵，7、裝備基座，8、過濾器，9、輸送管，10、待成型工件，11，輸送罐，111、罐頂蓋進液法蘭，12、金屬離子溶液工作槽，121、金屬離子溶液，13、陽極導線組，131、陽極導線，14、陽極導線組集中法蘭，15、電源智能控制處理器，151、電化學電源，16、陽極，161、陽極擴口容腔，162、流轉(zhuǎn)縫隙，17、陽極輸液通道，18、絕緣樹脂，181、擋塊，41、陽極數(shù)控升降機構的數(shù)控處理器，42、陽極數(shù)控定位臂，51、加料斗，52、電導儀。
具體實施例
[0023]如圖所示，本實用新型實施例相關的應用裝備即點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備包括有計算機數(shù)控系統(tǒng)5、裝備基座7、陽極數(shù)控垂直升降機構4、以及電沉積系統(tǒng)，該電沉積系統(tǒng)包括有陽極16、金屬離子溶液工作槽12、電化學電源151、循環(huán)泵6、過濾器8、陰極2以及工作時構成導電連接的工作基板3等。其中金屬離子溶液121、金屬離子溶液工作槽12、金屬離子溶液輸送罐11、金屬離子溶液循環(huán)泵6和承壓輸送管9及過濾器8組成的循環(huán)系統(tǒng)也做為帶壓的金屬離子溶液輸送裝置對點陣分布的陽極輸液通道17輸送金屬離子溶液。另外，也可以根據(jù)需要在金屬離子溶液工作槽中添加攪拌器、加熱器、溫度傳感器等。金屬離子溶液工作槽12上可以根據(jù)需要附加有物料補充裝置，本實施例還附加有電導儀52、加料斗51等。
[0024]本實施例相關的工件基板3采用精加工的石墨板，3D打印開始前將工作基板3置于陰極2上，工作基板3和陽極臺面之間形成能讓金屬離子溶液流轉(zhuǎn)的流轉(zhuǎn)縫隙162，金屬離子溶液采用成分為含300克/升氨基磺酸鎳、30克/升硼酸和適量添加劑，由于陽極16采用不溶性的鈦陽極，因而在長期工作過程中溶液的金屬離子會隨著金屬電還原沉積量的增加而減少，因而本實施例在金屬離子溶液工作槽12中設有的電導儀52來跟蹤金屬離子濃度的變化，當其超過一定值時即通過加料斗51緩慢加入氨基磺酸鎳，使金屬離子濃度穩(wěn)定。當然，金屬離子溶液種類較多，打印不同的金屬有不同的配方，同一種金屬要求不同也可有不同配方，例如還是3D打印鎳也可以選擇成分為含270-780克/升氨基磺酸鎳、30-48克/升硼酸和適量添加劑的配方。為了更精準地控制金屬還原沉積尺寸，本實用新型實施例采取在金屬鹽溶液中加入添加劑的方式來阻止除金屬離子還原沉積以外的氫電還原反應的進行，從而使通過電極的電量都用于金屬還原，也保證了沉積有效性。
[0025]本實用新型實施例采用純鈦絲作為陽極16材料，采用絕緣環(huán)氧樹脂作為點陣陽極16間的絕緣樹脂18，處于陽極臺面上的每個陽極16端面周圍具有陽極擴口容腔161，該陽極擴口容腔161與陽極輸液通道17 口相互貫通，在各點陣陽極16中心對角線的中心位置設有陽極輸液通道17，陽極輸液通道17—端與相鄰點陣陽極16的擴口容腔相通，輸液通道另一端與輸液罐相接。其中陽極臺面上的陽極輸液通道17 口其端部具有相鄰陽極擴口容腔161交匯形成的擋塊181，陽極擴口容腔161與陽極輸液通道17 口的側向出口相互貫通。
[0026]點陣陽極16與輸液罐11以及它們的點陣分布構成的點陣分布式陽極臺柱I是實現(xiàn)點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備及其功能的關鍵部件，本實用新型實施例點陣分布式陽極臺柱I的制作可以是這樣的:首先將直徑為0.5_純鈦絲拉直并按尺寸要求精確切斷，將電極兩端冷壓成帶頸的頭部，用專用卡具卡住電極兩端頸部，兩端定位模板及中段澆注模具形成一固定空腔，通過中段模具澆注口將環(huán)氧樹脂澆注入模，固化后形成點陣電極中段組件；將中段組件去毛邊后將其與陰極2對應的工作面朝上，用模板和定制的點陣梯形擴口容腔的水溶性模芯組裝形成近端面空腔，通過模板澆注口用環(huán)氧樹脂再次澆注，待固化后將模板拆下，將其置于熱水中，待梯形擴口容腔的水溶性模芯完全溶于水中后即在工作面形成陽極16擴口容腔；將點陣電極頂部朝上，用數(shù)控固體光纖激光焊接機將銅芯直徑為0.2_帶皮導線線頭與電極上端點焊結合；然后用專用夾具將焊好的陽極導線131疏理拉直，此時將電極組件置于輸液罐11的罐體底部預留方孔內(nèi)，安裝到位后從上部澆入環(huán)氧樹脂即絕緣樹脂，澆注厚度為5_，將陽極16上端與銅芯線頭的焊接部位的裸露金屬全部封閉于樹脂中，并且將電極組件頂與輸液罐11的罐體底部澆鑄為一體，形成新的完整的罐體底部。將陽極導線131進行有序疏理形成陽極導線組13，將數(shù)控紫外激光打孔機的光斑直徑調(diào)整為0.5mm，在各電極的中心對角線的中心進行打孔，用控制特定激光脈沖數(shù)量的方法控制孔的深度，形成符合要求的陽極輸液通道17。將所有陽極導線131導出，并將其集中封裝于陽極導線組集中法蘭14上，將陽極導線組集中法蘭14安裝在輸液罐11的頂蓋上，裝上罐頂蓋，點陣分布式陽極16臺柱毛胚即形成，該點陣分布式陽極臺柱I有540*320點陣平面分布，即有540*320個陽極16分布在陽極臺面上。
[0027]將該點陣分布式陽極臺柱I毛胚置于三維數(shù)控加工中心機床上，首先將點陣分布式陽極臺柱I外定位面加工完成，裝上陽極數(shù)控定位臂42，通過陽極數(shù)控定位臂42的定位，用數(shù)控加工中心的小平銑刀將各陽極16與陰極2相對的工作端面按工作精度銑平到位，使陽極工作臺面與陽極數(shù)控定位臂42之間形成精密的定位尺寸數(shù)據(jù)，將形成尺寸關聯(lián)的點陣分布式陽極臺柱I與陽極數(shù)控定位臂42裝于陽極數(shù)控垂直升降機構4的相應位置上，將金屬離子溶液工作槽12裝于裝備基座7預定位置，將陽極導線組13與電源智能控制處理器15連接相聯(lián)，將與循環(huán)泵6連接的輸送管9與輸液罐11的罐頂蓋進液法蘭111相接，將計算機數(shù)控系統(tǒng)5的接口與電源智能控制處理器連接15及其電化學電源151和陽極數(shù)控升降機構的數(shù)控處理器41相聯(lián)，設備安裝即告成。
[0028]通過上面的闡述可以知道在本實施例中，帶壓的金屬離子溶液輸送裝置還包括有一輸液罐11被直接設置在本實用新型實施例即點陣分布式陽極臺柱I中并處于點陣分布式陽極臺柱I的頂端，該輸液罐11具有罐頂蓋進液法蘭111，輸液罐11的罐體與點陣分布式陽極臺柱I 一體設置，罐體底部和各陽極輸液通道連通17，各陽極導線131集中封裝于陽極導線組集中法蘭14上，陽極導線組集中法蘭14安裝在輸液罐11的頂蓋上，穿過輸液罐11腔體的各陽極導線131被絕緣層包裹。一般來說該絕緣層應還有不被金屬離子溶液121腐蝕功能要求。將輸液罐11與點陣分布式陽極臺柱I 一體設置并置于陽極輸液通道17上不僅僅使結構布置更緊湊合理，也還發(fā)揮了溶液緩沖均勻分配器的作用，特別有助于金屬離子溶液121被均勻有序地注入到陽極16密集沉積金屬處，本實施例是在陽極16擴口容腔處，如此更能保證電化學沉積的有效性。
[0029]本實施例在點陣陽極式電還原金屬沉積零件3D打印裝備應用中，該3D打印裝備的計算機數(shù)控系統(tǒng)5采用定制軟件將計算機中三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由540*320點陣平面和0.0lmm步進量疊加而成的三維控制數(shù)據(jù)，控制信號一路輸給電源智能控制處理器15，經(jīng)信號經(jīng)放大后作為操控信號，操控與各陽極16相連的開關二極管的通斷；控制信號另一路輸至陽極數(shù)控垂直升降機構4的數(shù)控處理器41，控制Z軸的運動；隨著Z軸的上移，X、Y 二維水平面上的點陣陽極16電流通斷隨控制信號的變化而變化，由于金屬離子溶液121中加入了抑制氫電還原反應的添加劑，因而通過電極的電量絕大多數(shù)都是用于金屬還原沉積，因為金屬比重是一定的，金屬還原沉積量是由還原電量決定的，從而通過控制每個平面的金屬布局并進行疊加，即可實現(xiàn)三維圖像的電量質(zhì)量轉(zhuǎn)換，按三維圖的要求實現(xiàn)金屬有序沉積獲得待成型工件19，金屬有序沉積完畢后將其從石墨基板上脫下就可得到金屬實體零件，即實現(xiàn)金屬零件的電還原方式的3D打印。
【權利要求】
1.一種電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱，包括有非溶性陽極，其特征在于:設有一水平X和y軸方向點陣分布狀的陽極臺面，每個點陣處均固定設有陽極并相互絕緣形成點陣分布式陽極臺柱，所有陽極均會并聯(lián)的與其電化學電源連接，陽極臺柱中還設有點陣分布的陽極輸液通道，處于陽極臺面上的每個陽極端面周圍具有擴口容腔，該擴口容腔與陽極輸液通道口相互貫通。
2.按照權利要求1所述的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱，其特征在于:處于陽極臺面上的陽極輸液通道口其端部具有相鄰擴口容腔交匯形成的擋塊，擴口容腔與該陽極輸液通道口的側向出口相互貫通。
3.按照權利要求1或2所述的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱，其特征在于:包括有一輸液罐設置在點陣分布式陽極臺柱中并處于點陣分布式陽極臺柱的頂端，該輸液罐具有罐頂蓋及其罐頂蓋進液法蘭，輸液罐的罐體與點陣分布式陽極臺柱一體設置，罐體底部和各陽極輸液通道連通，各陽極導線集中封裝于陽極導線組集中法蘭上，陽極導線組集中法蘭安裝在罐頂蓋上，穿過輸液罐腔體的各陽極導線被絕緣層包裹。
4.按照權利要求1或2所述的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱，其特征在于:分布在陽極臺面上的各陽極之間距離不大于2mm，各陽極的直徑不大于0.5mm,陽極輸液通道的直徑不大于1mm。
5.按照權利要求3所述的電還原金屬沉積點陣分布式陽極臺柱，其特征在于:分布在陽極臺面上的各陽極之間距離不大于2mm，各陽極的直徑不大于0.5mm,陽極輸液通道的直徑不大于1mm。
【文檔編號】C25C7/02GK204097582SQ201420477697
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】胡揚五, 賈中輝, 夏權威, 陳年金, 孫雅峰 申請人:溫州市工業(yè)科學研究院