專利名稱：數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電鑄技術(shù)及快速成型技術(shù)，尤其涉及一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積 快速成型方法與裝置。
技術(shù)背景快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping, RP)是20世紀(jì)80年代初產(chǎn)生和發(fā)展起來的 一種新型制造技術(shù)，它是將計(jì)算機(jī)、CAD/CAM、數(shù)控、激光、新材料、精密 伺服、物理和化學(xué)等多項(xiàng)工程領(lǐng)域的現(xiàn)代先進(jìn)科技成果集于一體的高新技術(shù)。 該技術(shù)采用材料累積法直接將CAD數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)的控制下， 一次性成型復(fù)雜的 零部件，依據(jù)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型分層切片得到各層截面的輪廓，將三維零件 的制作問題轉(zhuǎn)化為二維片層的制作，使得復(fù)雜零部件的加工變得非常簡單。目 前，最常用的RP技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)(SLS)、光固化成型(SLA)、熔融沉 積制造(FDM)、分層實(shí)體制造(L0M)和三維打印(3D-P)等。這些方法的加工對象 主要是非金屬材料，對于金屬零件的直接制造存在較大的困難。雖然現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些快速成型技術(shù)可以直接制作金屬零件，有激光選區(qū) 燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光近凈成形制造(LENS)、形狀沉積制造 (SDM)、電子束熔化制造(EBM)、直接金屬沉積(DMD)、直接激光制造(DLF)、 激光添加制造(LAM)、焊料微滴印刷(SDP)等，但是仍然不能在生產(chǎn)上得到廣泛 應(yīng)用，主要原因就是這些方法所產(chǎn)生的零件精度、表面光潔度、機(jī)械性能都不 能達(dá)到實(shí)際需要的水平，特別的表面光潔度，與傳統(tǒng)加工手段有相當(dāng)大的差距， 并且價錢昂貴。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(shù)，使 溶液中的金屬正離子在電場力的作用下，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(shù)， 它具有極高的制造精度和表面光潔度以及可制作多組分復(fù)合材料。已經(jīng)被廣泛 地應(yīng)用在宇航、核工業(yè)、微機(jī)械、電子業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域已獲成功，主要用于各 種精密、異型、復(fù)雜、微細(xì)等難以用機(jī)械加工方法制得的或加工成本很高的零 件，比如用于制造火箭噴氣發(fā)動機(jī)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(biāo)、光盤、精密齒輪、精密模 具、標(biāo)牌、藥型罩等方面。但電鑄技術(shù)必須依賴于母模，這大大限制了電鑄技術(shù)的發(fā)展。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法與裝置。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一、 一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法，該方法的步驟如下(1) 運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)零件畫出三維實(shí)體模型，并導(dǎo)出用三角面片描述的實(shí) 體數(shù)據(jù)文件；(2) 利用分層切片軟件，處理上述文件，得到切片輪廓數(shù)據(jù)；(3) 結(jié)合零件工藝特性，規(guī)劃填充路徑，并結(jié)合控制系統(tǒng)要求，產(chǎn)生數(shù)控加 工代碼；(4) PC機(jī)+分層軟件+控制卡合成數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積控制加工系統(tǒng)，控制 陰、陽極相對位置、運(yùn)動速度、電源的通斷、電流的大??；(5) 數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型采用了 0.05-5mm的陽極，金屬離子在陽極 頭正下方沉積，陽極做成單一沉積頭或沉積頭陣列兩種基本形式；(6) 從陰極板上脫模形成金屬零件；(7) 對沉積的金屬零件后處理。二、 一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型裝置在機(jī)床床身的工作臺上，安裝有由第一電機(jī)帶動在X方向移動的工作臺， 在第一電機(jī)帶動的X方向移動的工作臺上，安裝由第二電機(jī)帶動在Y方向移動 的工作臺，第二電機(jī)帶動的Y方向移動的工作臺上，安裝沉積槽，沉積槽內(nèi)設(shè) 置陰極板，由第三電機(jī)帶動的Z方向移動的立柱下端安裝陽極，陽極插入沉積 槽內(nèi)，電源的正極與陽極連接，負(fù)極與陰極板連接，加熱器設(shè)置在儲液槽內(nèi)， 電鑄液經(jīng)耐腐蝕泵和過濾器后、 一路經(jīng)截流閥和流量計(jì)從噴嘴中噴出至陰極板， 另一路經(jīng)溢流闊接儲液槽，儲液槽還與沉積槽連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制陰、 陽極相對位置、三個電機(jī)的運(yùn)動速度、電源的通斷、沉積電流的大小。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明旨在將電鑄的基本原理與快速成型技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮快速成型 技術(shù)與電化學(xué)沉積技術(shù)的各自特點(diǎn)，可以直接用于制造高質(zhì)量、高精度的金屬 零件產(chǎn)品。很好地解決了長期困擾快速成型技術(shù)中難以獲得高質(zhì)量金屬零件及 電鑄技術(shù)必須依賴母模的缺陷，大大拓寬了在快速成型及電鑄技術(shù)中的應(yīng)用。


圖1是沉積原理示意圖。圖2是數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，2、機(jī)床床身，3、 X方向移動的工作臺，4、Y方向移動的工作臺，5、陰極板，6、沉積槽，7、儲液槽，8、加熱器，9、耐腐蝕泵，10、過濾器，11、壓力表，12、溢流閥，13、截流閥，14、流量計(jì)，15、噴嘴，16、 Z方向移動的立柱，17、陽極，18、電源。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，陰極17與電源18正極相連接，陰極板5與電源5負(fù)極相連 接，中間0.5mm間距充満電鑄液，從而形成一個回路，根據(jù)電化學(xué)原理可知， 電鑄液中Ci^+在電場作用下，在陰極板上得到電子而還原成原子，最終沉積下 來。數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型實(shí)質(zhì)上就是利用電化學(xué)沉積原理，在沉積槽 內(nèi)循環(huán)通入濃度極高的電鑄液，為沉積提供了充足的金屬離子，然后在將極細(xì) 的陽極接入正極，陰極板接負(fù)極，這樣在極細(xì)的陰、陽極之間就有電場通過， 金屬就會在陽極正下方很小的范圍內(nèi)沉積下來。在計(jì)算機(jī)的控制下，陰、陽極 的相對位置發(fā)生變化，并在需要沉積的地方通電，不需要沉積的地方斷電，從 而就實(shí)現(xiàn)了電鑄的數(shù)控化、可選擇化。如圖2所示，本發(fā)明是在機(jī)床床身2的工作臺上，安裝有由第一電機(jī)帶動 在X方向移動的工作臺3，在第一電機(jī)帶動的X方向移動的工作臺3上，安裝 由第二電機(jī)帶動在Y方向移動的工作臺4，第二電機(jī)帶動的Y方向移動的工作 臺4上，安裝沉積槽6，沉積槽6內(nèi)設(shè)置陰極板5，由第三電機(jī)帶動的Z方向移 動的立柱16下端安裝陽極17，陽極17插入沉積槽6內(nèi)，電源18的正極與陽極 16連接，負(fù)極與陰極板5連接，加熱器8設(shè)置在儲液槽7內(nèi)，電鑄液經(jīng)耐腐蝕 泵9和過濾器10后、一路經(jīng)截流閥13和流量計(jì)14從噴嘴15中噴出至陰極板5， 另一路經(jīng)溢流閥接儲液槽7，儲液槽7還與沉積槽6連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1控 制陰、陽極相對位置、三個電機(jī)的運(yùn)動速度、電源的通斷、沉積電流的大小。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1本發(fā)明沉積過程如下電鑄液在儲液槽中加熱至一定的溫度，然后經(jīng)過耐腐蝕泵并過濾從噴嘴中 噴出為沉積提供充分的電鑄液，陽極比陰極板高出很小的距離(但要比沉積過 程中每次沉積的高度要高)，當(dāng)陰、陽都通電后，金屬陽離子在在陰極板上一 層一層的沉積，經(jīng)沉積后的略低濃度的電鑄液回流至儲液槽，經(jīng)過攪拌，再次 循環(huán)。裝機(jī)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工文件產(chǎn)生控制信號控制驅(qū)動電機(jī)，使得陰、陽極產(chǎn)生X、 Y 方向移動的工作臺的相對移動，從而實(shí)現(xiàn)對陰極表面的掃描，同時控制電源的 通斷，從而實(shí)現(xiàn)在陰極板上的沉積與否，最后控制電流進(jìn)而控制電流密度，并 且控制運(yùn)動速度，達(dá)到控制沉積厚度的目的。當(dāng)一個鑄層結(jié)束后，陽極相對于 陰極板上升一個層厚的距離并開始新的鍍層，如此循環(huán)往復(fù)，從而最終得到所 需的零件。計(jì)算機(jī)+控制卡+分層軟件的控制系統(tǒng)，陰極板固定于工作臺上的沉積槽內(nèi)， 極微細(xì)的陽極沉積頭置于陰極板上方，噴嘴在固定于陽極頭附近為沉積過程提 供充足的溶液。本發(fā)明由于采用了 0.05-5mm陽極，它的電流密度相對非常大，因而也大大 提高了沉積速度，克服了傳統(tǒng)電鑄時間長以及電場分布不均勻帶來的鑄層缺陷 等問題。尤為重要的是，由于沉積的可選擇性，該技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)技術(shù)必須依 賴的母模。因此，本發(fā)明完全符合快速成型的基本原理，并應(yīng)用電化學(xué)的基本原理，將 二者有機(jī)結(jié)合起來，形成了一種新穎的低成本、高質(zhì)量、高精度的可以直接制 備金屬零件快速成型方法。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法，其特征在于該方法的步驟如下(1)運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)零件畫出三維實(shí)體模型，并導(dǎo)出用三角面片描述的實(shí)體數(shù)據(jù)文件；(2)利用分層切片軟件，處理上述文件，得到切片輪廓數(shù)據(jù)；(3)結(jié)合零件工藝特性，規(guī)劃填充路徑，并結(jié)合控制系統(tǒng)要求，產(chǎn)生數(shù)控加工代碼；(4)PC機(jī)+分層軟件+控制卡合成數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積控制加工系統(tǒng)，控制陰、陽極相對位置、運(yùn)動速度、電源的通斷、電流的大小；(5)數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型采用了0.05-5mm的陽極頭，金屬離子在陽極頭正下方沉積，陽極沉積頭做成單一沉積頭或沉積頭陣列兩種基本形式；(6)從陰極板上脫模形成金屬零件；(7)對沉積的金屬零件后處理。
2、 用于權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法的裝置， 其特征在于在機(jī)床床身(2)的工作臺上，安裝有由第一電機(jī)帶動在X方向移動 的工作臺(3)，在第一電機(jī)帶動的X方向移動的工作臺(3)上，安裝由第二電機(jī)帶 動在Y方向移動的工作臺(4)，第二電機(jī)帶動的Y方向移動的工作臺(4)上，安裝 沉積槽(6)，沉積槽(6)內(nèi)設(shè)置陰極板(5)，由第三電機(jī)帶動的Z方向移動的立柱(16) 下端安裝陽極(17)，陽極(17)插入沉積槽(6)內(nèi)，電源(18)的正極與陽極(16)連接， 負(fù)極與陰極板(5)連接，加熱器(8)設(shè)置在儲液槽(7)內(nèi)，電鑄液經(jīng)耐腐蝕泵(9)和過 濾器(10)后、 一路經(jīng)截流閥(13)和流量計(jì)(14)從噴嘴(15)中噴出至陰極板(5)，另一 路經(jīng)溢流閥接儲液槽(7)，儲液槽(7)還與沉積槽(6)連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(l)控 制陰、陽極相對位置、三個電機(jī)的運(yùn)動速度、電源的通斷、沉積電流的大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控選區(qū)電化學(xué)沉積快速成型方法與裝置。在機(jī)床工作臺上，安裝X、Y方向移動的工作臺，Y方向的工作臺上，安裝內(nèi)有陰極板的沉積槽，Z方向移動的立柱下端安裝陽極，陽極插入沉積槽內(nèi)，電鑄液從噴嘴中噴出至陰極板，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制陰、陽極相對位置、三個電機(jī)的運(yùn)動速度、電源的通斷、沉積電流的大小。循環(huán)通入濃度極高的電鑄液，為沉積提供了充足的金屬離子，然后在將陽極接入正極，陰極板接負(fù)極，這樣在極細(xì)的陰、陽極之間就有電場通過，金屬就會在陽極正下方沉積下來。本發(fā)明將電鑄的基本原理與快速成型技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮快速成型技術(shù)與電化學(xué)沉積技術(shù)的各自特點(diǎn)，可以直接用于制造高質(zhì)量、高精度的金屬零件產(chǎn)品。
文檔編號C25D1/00GK101328599SQ20081006319
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者李湘生, 梁天長, 黎建軍 申請人:浙江理工大學(xué)