CN108914177A - 一种五轴微细液束流金属3d打印的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种五轴微细液束流金属3D打印的装置和方法，其特征是采用绝缘毛细管作为微细喷嘴，中间***微米铂丝与电源阳极链接，将电解液喷射到阴极基底表面上实现指定区域的电沉积，并且采用恒流直流电源，控制电流密度在100～800A/dm2，通过控制XYZ三轴与两个旋转轴的运动来沉积出所需的三维金属结构。本发明可与方便进行微细金属3D打印，具有设备简单，制造方便，高效快捷，加工过程足够稳定等优点。

Description

一种五轴微细液束流金属3D打印的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种电沉积加工技术，尤其是涉及喷射电沉积加工技术，具体的说是一种五轴微细液束流金属3D打印的装置和方法。
背景技术
3D打印，即快速原型制造技术的一种，它是通过三维建模软件对零部件形状进行建模，再通过软件对三维模型进行切片，最终计算机输出数字信号控制专用3D打印机进行打印得到最终产品。近几年，随着3D打印技术的快速发展，它在航空航天、汽车、生物医药和建筑等领域的应用范围逐步拓宽，其方便快捷、材料利用率高等优势不断显现.目前金属3D打印技术主要有选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EBM)、选择性激光熔化(SLM)和激光近净成形(LENS).其中选择性激光熔化为研究的热点，其使用高能激光源，可以熔融多种金属粉末。与传统加工技术相比，它完全突破了设计和传统加工技术的局限，不需模具。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。并且材料利用率高，设计交付周期短，可加工材料多，在航空航天、军事国防、能源油气、生物医疗、汽车、高端珠宝等的研发和生产领域正大放异彩。功能也从最早的展示、教学拓展到工业模具的制造，乃至零部件和产品的直接制造。然而金属3D打印主要方法是通过高温将金属粉末或丝熔融重新成型，设备昂贵，加工过程局部温度高，热量分布难以控制，制造出的零件内部可能有未融化的金属粉末，产生热应力等缺陷。
电化学沉积技术，是一种典型的常温以逐层堆积方式成形的增材式加工方法。基于水溶液的电沉积技术一般具有适用材料广泛、操作温度低(一般70℃以下)、组织-形貌-性能可协同控制、应用形式灵活等工艺优势。理论上，只需诱导经氧化还原反应而成的金属原子或晶粒按设计意图可控地堆叠起来，就能利用电沉积技术来加工或打印成任意形状的金属基结构与零件。喷射电沉积作为局部电化学沉积的一种，大大改善了电解液的流动性，具有电流密度大、电流效率高、金属结晶细化、定域性强等优点，在喷射电沉积加工过程中，电铸液以高速射流的形式喷向阴极进行电沉积，这种强烈紊流形式的流动，加快了溶液的搅拌速度，降低了扩散层的厚度，增强了电化学极化，极大地提高了极限电流密度，可以以远高于其它电沉积工艺的电流密度进行，金属沉积速度大大提高，实现更高效率的局部电沉积，从而高效的实现微细射流电沉积3D打印。
发明内容
本发明是通过成本较低的方法，使用简单的喷射电沉积工艺，在任意导体表面进行微细射流电沉积3D打印。
本发明的技术方案是：
一种五轴微细液束流金属3D打印喷射电沉积制造方法，其特征是：
首先采用绝缘毛细管(直径100～500μm)作为微细喷嘴，中间***微米铂丝与电源阳极链接，将电解液定点喷射到阴极基底表面上实现喷射电沉积，并且采用恒流直流电源，控制电流密度在100～800A/dm2，在阴极喷射点可以得到微细金属结构；
其次，金属结构的生长会使电极两端电势差降低，通过对电压的监测控制电机XYZ轴运动，控制微细喷嘴随着金属结构的生长而运动，从而实现加工间隙恒定；
通过计算机，将所需加工的3D打印物体切片，再控制电机XYZ轴以及两个旋转轴的运动实现零件的3D打印。
最后清洗干燥处理即可。
所述电解液为含Cu、Co、Ni、Ag、Au或他们各自合金的电解液。
本发明的与上述方法相适应的制造装置如下
微细射流电沉积3D打印喷射电沉积制造装置，其特征是它包括可调蠕动泵(1)、软导管(2)、XYZ三轴步进电机平台(3)、电解液缓冲腔(4)、喷嘴旋转轴步进电机(5)、微细喷嘴(6)、恒流电源(7)、电压检测装置(8)、计算机控制单元(9)、平台底座(10)、旋转滑台(11)、电解液槽(12)、阴极载物台(13)，电解液储存在电解液槽(12)中，电解液储存在电解液槽(12)中，电解液由可调蠕动泵(1)从电解液槽(12)中抽出并压入电解液缓冲腔(4)中再由微细喷嘴(6)喷射到阳极表面，电解液再由阳极表面流回电解液槽(12)中从而循环利用；微细喷嘴(6)其特征是它包括玻璃毛细管(14)、毛细管载具(15)、纯铂电级丝(16)、防水胶带(17)，将具有绝缘效果的玻璃毛细管(14)***毛细管载具(15)并用AB胶密封好，***纯铂电级丝(16)，一端沿毛细管载具(15)外边缘引出以连接电源阳极，用防水胶带(17)包裹好避免漏液。XYZ三轴步进电机平台(3)可以使得微细喷嘴(6)在空间中做三维运动，实现微细喷嘴不同位置的射流沉积成型；喷嘴旋转轴(5)和旋转滑台(11)相配合可以实现微细喷嘴不同角度的射流沉积成型，如在侧壁上进行射流电沉积3D打印。
本发明的有益效果：
1、采用喷射电沉积技术，将电解液由微细喷嘴以高速射流的形式像阴极补充金属离子，剧烈增加电解液的流动性，相比传统电沉积技术，喷射电沉积可以使电沉积速率提高几十倍乃至上百倍。
2、本发明是在常温中进行金属3D打印，不会产生热应力等缺陷。
3、本发明采用蠕动泵将电解液喷射至阴极表面进行电化学沉积，蠕动泵的低流速的特性与微细喷嘴相匹配，且即使只有少量的电解液也可以进行射流电沉积。
4、本发明通过在蠕动泵和微细喷嘴之间增加一个小型的缓冲腔，使得消除蠕动泵的脉动性，微细喷嘴电解液出口压力保持恒定，液流喷射平稳。
5、本发明采用绝缘玻璃毛细管作为微细喷嘴，结构简单，成本低廉，并且可以根据不同直径的需求，采用不同直径的玻璃毛细管作为射流电沉积的喷嘴。
6、本发明在喷嘴和阴极底座平台加有两个旋转轴，可以对物体的侧面进行射流电沉积3D打印。
7、本发明使用射流电沉积技术，采用增材制造的思想，理论上可以在任意导体表面进行微细射流电沉积3D打印。
附图说明
图1是本发明的微细射流电沉积3D打印喷射电沉积制造装置的结构示意图；
图2是微细喷嘴的结构示意图；
图中：1、可调蠕动泵；2、软导管；3、XYZ三轴步进电机平台；4、电解液缓冲腔；5、喷嘴旋转轴步进电机；6、微细喷嘴；7、恒流电源；8、电压检测装置；9、计算机控制单元；10、平台底座；11、旋转滑台；12、电解液槽；13、阴极载物台；14、玻璃毛细管；15、毛细管载具；16、纯铂电级丝；17、防水胶带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种五轴微细液束流金属3D打印制造方法，它包括以下步骤：
(1)将具有绝缘效果的玻璃毛细管(14)***毛细管载具(15)并用AB胶密封好，***纯铂电级丝(16)，一端沿毛细管载具(15)外边缘引出以连接电源阳极，用防水胶带(17)包裹好避免漏液。
(2)将喷嘴旋转轴步进电机(5)安装在XYZ三轴步进电机平台(3)的Z轴载物台上，并且在喷嘴旋转轴步进电机(5)安装微细喷嘴。在旋转滑台(11)固定电解液槽(12)。将XYZ三轴步进电机平台(3)与旋转滑台(11)水平安装在平台底座(11)上并固定，保证Z轴与旋转滑台(11)的平面垂直，且微细喷嘴的运动范围可以覆盖整个电解液槽(12)。使用软导管(2)分别连接微细喷嘴、可调蠕动泵(1)、电解液槽，实现电解液的循环利用。
(3)用阴极载物台(13)将阴极基底(待加工件)固定于电解液槽正上方。
(4)打开蠕动泵，根据微细喷嘴直径选择合适的流量，开始电解液的喷射、循环，待电解液缓冲腔中蓄有一定量的电解液且没有变化，此时微细喷嘴出口压力均匀，流量稳定，便可开始加工。
(5)打开恒流电源，控制电流密度在100～800A/dm2，开始进行电沉积；
(6)金属结构的生长会使电极两端电势差降低，通过对极间电压的采集，电压下降时，控制XYZ轴电机运动，使得微细喷嘴与工件之间距离变大，直至使电压恢复初始值，由此实现加工间隙恒定。
(7)通过切片等方法对需要加工的3D模型数字化处理，通过计算机对XYZ轴电机以及两个旋转轴的控制，当需要对侧面进行电沉积时，通过控制旋转轴直接实现喷射电沉积，从而实现五轴微细金属3D打印。
(8)最后清洗干燥处理即可
本发明未涉及部分如喷射电沉积的原理，恒流电源等与现有技术相同或可以采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种五轴微细液束流金属3D打印制造方法，其特征是：
首先采用绝缘毛细管作为微细喷嘴，中间***微米铂丝与电源阳极链接，将电解液定点喷射到阴极基底表面上实现局部电沉积，并且采用恒流直流电源，通过控制XYZ三轴和两个旋转着的运动来沉积出所需的三维金属结构；
其次，通过对极间电压的监测控制电机XYZ三轴运动，控制微细喷嘴随与三维金属结构保持恒定的加工间隙；
最后清洗干燥处理即可。
一种五轴微细射流电沉积3D打印制造装置，其特征是它包括可调蠕动泵(1)、软导管(2)、XYZ三轴步进电机平台(3)、电解液缓冲腔(4)、喷嘴旋转轴步进电机(5)、微细喷嘴(6)、恒流电源(7)、电压检测装置(8)、计算机控制单元(9)、平台底座(10)、旋转滑台(11)、电解液槽(12)、阴极载物台(13)；微细喷嘴(6)其特征是它包括玻璃毛细管(14)、毛细管载具(15)、纯铂电级丝(16)、防水胶带(17)。
2.根据权利要求1所述五轴微细射流电沉积3D打印制造方法，其特征是：所述电解液为含Cu、Co、Ni、Ag、Au或他们各自合金的电解液。
3.根据权利要求1所述五轴微细射流电沉积3D打印制造装置，微细喷嘴(6)其特征是它包括玻璃毛细管(14)、毛细管载具(15)、纯铂电级丝(16)、防水胶带(17)，将具有绝缘效果的玻璃毛细管(14)***毛细管载具(15)并用AB胶密封好，***纯铂电级丝(16)，一端沿毛细管载具(15)外边缘引出以连接电源阳极，用防水胶带(17)包裹好避免漏液。XYZ三轴步进电机平台(3)可以使得微细喷嘴(6)在空间中做三维运动，实现微细喷嘴不同位置的射流沉积成型；喷嘴旋转轴(5)和旋转滑台(11)相配合可以实现微细喷嘴不同角度的射流沉积成型，如在侧壁上进行射流电沉积3D打印。
4.根据权利要求1，五轴微细射流电沉积3D打印制造装置的电解液循环***其特征是包括可调蠕动泵(1)、软导管(2)、微细喷嘴(6)、电解液缓冲腔(4)、电解液槽(12)，由可调蠕动泵(1)提供动力，将电解液从电解液槽中吸出，喷射到阴极表面进行电沉积，电解液再回流到电解液槽中，形成电解液循环***；在蠕动泵与喷嘴出口之间设有一个小型的电解液缓冲腔(4)，可以消除蠕动泵产生的液体脉动性，使电解液均匀喷出。
5.根据权利要求1，所述恒流电源其大小在0.1mA～20mA，针对不同直径微细喷嘴(6)调节电流密度在100～800A/dm2。
6.根据权利要求3，加工过程中XYZ电机的运动速度范围在0.1mm/min～60mm/min。
7.根据权利要求3，所述毛细管直径范围为100mm～500mm，铂电极丝直径范围为20～100mm。
8.根据权利要求4，所述电解液循环***，其蠕动泵(1)的流量范围为4～34ml/min，针对不同直径微细喷嘴(6)调节不同流量。
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