数字化模型技术助力的并联电铸3D打印金属零件技术创新

专利号为ZL201420478890.2的“点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备”和专利号为ZL201410417757.0的“电还原金属沉积点阵分布式阳极台柱”的专利，这两个配套的发明涉及数控电化学沉积快速成型的装置。

简称为3D打印机的装备是快速成型技术的一种装置，其中常规的金属零部件3D打印技术是信息化与机械化高度融合的标志性技术之一，目前较成功的有金属粉末铺粉式激光烧结技术和金属粉末同步送粉式激光烧结技术两种。金属粉末铺粉式激光烧结金属零部件时金属粉回收方便，利用率高，但在制造有内腔的零部件时金属粉末回收不易；金属粉末同步送粉式激光烧结技术较适合大型零部件的3D打印制造，但受环境和送粉质量的影响较大，保护气体耗量也较大；但是这两种技术的共同特点是用一束激光根据计算机3D图型数据进行逐点依次扫描融化金属粉末来达到3D打印制造金属零部件的目的，因而其最大的不足就是要逐点依次扫描打印，从而造成打印速度慢，并且从现有的3D打印技术打印出的零部件实样来看，激光熔融所制造的零件表面较粗糙，尺寸精度较差，离精密机械零部件制造还有相当大的差距。同时激光3D打印设备价格贵，能耗也大。

电铸是一种基于金属离子在阴极电沉积原理制取产品的现代加工技术，使溶液中的金属正离子在电场的作用下，迁移到阴极获得电子还原成原子，并沉积于阴极母模表面，并脱模，从而制造出与母模完全相同的产品的制造技术。电铸技术具有较高的制造精度和表面光洁度以及可制作多组分复合材料，已经被广泛地应用在宇航、核工业、微机械、电子业等高技术领域并获成功，主要用于各种精密、异型、复杂、微细等难以用机械加工方法制得或加工成本很高的零件，例如用于制造火箭喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，汽车内饰件的制造、电子工业中印刷焊膏、胶黏剂模板，激光商标、光盘、精密齿轮、精密模具、标牌、药型罩等。

现在已经有人研究利用电化学还原沉积原理进行金属零件3D打印，即利用具体的电铸原理和3D打印技术结合来实现金属零件3D打印。其中CN201310457824.7的《电解刻蚀电镀堆积3D打印机》和CN200810063195.9的《数控选区电化学沉积快速成型方法与装置》等都是采用电化学沉积方法来实现金属零件3D打印的。这些文献披露的内容尽管已经克服了电铸技术必须依赖于母模的问题，但是仍然存在快速成型效率不高的问题，特别是它们还有另一共同特点就是只有一个阳极和一个阴极，运动电极随数控机械支架及其电机在X、Y、Z三个方向移动；这样设置最大的不足就是电极尺寸一大加工精度就不高，电极尺寸一小加工速度太慢，打印装备也复杂，因而在实际应用中效率并不理想。

本发明的目的就是为克服上述现有技术存在的不足，而提供一种改进的数控点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，从而实现真正的快速成型。

本发明点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备包括有：计算机数控系统、装备基座、阳极数控垂直升降机构以及电沉积系统。该电沉积系统包括有阳极、金属离子溶液工作槽、电化学电源、循环泵、过滤器、阴极以及工作时构成导电连接的工作基板。其特点在于：设有一水平x和y轴方向点阵分布状的阳极台面，每个点阵处均固定设有阳极并相互绝缘形成点阵分布式阳极台柱。该阳极台面朝向阴极及其工作时构成导电连接的工作基板，并与之形成能让金属离子溶液流转的缝隙配合，所有阳极均并联地与其电化学电源连接，所有阳极均为非溶性阳极，阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通。计算机数控系统将待成型工件的三维图像数据转换为水平x和y轴方向点阵和垂直步进的三维控制数据，其控制信号一路与控制各阳极和电化学电源通断的电源智能控制处理器连接，控制信号另一路与控制阳极垂直升降的阳极数控升降机构的数控处理器连接。

本发明是使用由计算机数控特制的并联而且相互绝缘的精细点阵分布的点阵分布式阳极台柱，使其与金属离子溶液及阴极组成电化学还原沉积系统。该系统可以根据所要打印的零部件的尺寸大小和精度来选择设置点阵非溶性阳极组的点数精度和尺寸。例如，对一般尺寸和精度的零部件可以设置直径为0.5mm的钛电极，阵列x和y轴方向长×宽为（540—1080）×（320—980）不等的点阵；每一个阳极电极都通过电源智能控制处理器来控制和电化学电源的通断，一般来说采用在每个电路中设有一个开关二极管的方法，当然也不仅仅局限于此，此时开关二极管的控制信号采用将计算机三维图像数据转换为也由（540—1080）×（320—980）不等的点阵水平平面参数控制数据，计算机三维图像数据还包括转换为垂直方向适当步进参数控制数据信号，数据信号一般经放大后用来控制。随着阳极数控垂直升降机构带动阳极在垂直方向的移动，伴随的X、Y二维平面的点阵阳极电流通断的变化即可实现三维图像的电量质量转换。因为金属比重是一定的，金属还原沉积量是由还原电量决定的，从而通过控制每个平面的金属布局并进行叠加，即可形成金属3D实体。(www.xing528.com)

本发明所称的阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通。其中“带压的金属离子溶液输送装置连通”可以是指常规的由循环泵工作时带来压力的金属离子溶液输送装置，也可以指为了特别适合小口径阳极输液通道附加在输送链上的使金属离子溶液具有更大压强的其他溶液输送装置，比如再附加上强力增压泵等。

本发明的最大优点是所有电极点都可以同时工作，就是并联打印，因而对厚壁或实心金属件的3D打印，需要时数万个电极同时工作，效率尤其高，不像单束激光打印或现有的单电极电化学还原3D打印金属件的方法效率极低；与激光熔融金属方法相比，本实用新型用电化学还原金属的能耗要少得多，因而也符合节能降耗的要求。本发明的另一个优势就是金属原料的输送是通过金属盐溶液来完成的，因而方便快捷，并且无孔不入，比激光熔融法的金属粉末输送要方便得多，并且可供数万至十几万个点阵电极同时还原工作，这也是现有的单电极电化学还原3D打印金属件的方法无法做到的。

本发明进一步的设置是处于阳极台面上的每个阳极端面周围具有扩口容腔，该扩口容腔与阳极输液通道口相互贯通。这样的设置是为了进一步克服因为点阵分布状的阳极台面上各电极间要有绝缘树脂等相隔绝缘，这就必然在各电极间相隔绝缘部位对应地形成电场断续的问题，特别是各电极间相隔距离比较大时尤其如此。如不采取有效技术措施，用电化学还原将无法得到完整的金属件。本发明的进一步设置能使相邻扩口的外口相互无缝连接，这样就可在各点阳极对应的阴极及其工作时构成导电连接的工作基板上形成可控的无缝电场点阵，这为用电化学还原法得到完整的金属件提供了更好的技术基础。

从原理来说，由于本发明点阵阳极采用不溶性阳极，因而还原用的金属离子是由金属离子溶液提供的，要使金属电化学还原稳定进行，就必须不断更新阳极扩口容腔内的金属离子溶液。扩口型容腔为金属盐溶液提供了一个缓冲区，使金属电还原沉积能持续稳定地进行。

另外，本发明在上述进一步的设置基础上，还将处于阳极台面上的阳极输液通道口其端部具有相邻扩口容腔交汇形成的挡块，扩口容腔与该阳极输液通道口的侧向出口相互贯通。这样的设置更优化了扩口容腔与阳极输液通道的配合关系。优选的设置是，本发明的分布在阳极台面上的各阳极之间距离不大于2 mm，各阳极的端面直径不大于0.5 mm，阳极输液通道的直径不大于1 mm。本发明上述的设置有助于保证打印的待成型工件的加工精度和金属离子还原沉积的可靠性。当然作为一种发明，各阳极之间距离一般来说越小越有助于保证加工精度。