一种金属零件3D打印机及打印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于湿法冶金原理的金属材料3D打印机及其打印方法。打印机包括一个置于容器底部的阴极底板,通过导线连接于直流电源的负极，以及一个或多个固定于机械臂的阳极，阳极可在机械臂的控制下相对于阴极底板精确移动。容器内装有电解液，且电解液始终充斥于阳极和阴极间，阳极连接于直流电源的正极，且中间串联有由计算机控制的通断控制装置，每个阳极与直流电源之间导通与否，都由通断控制装置根据计算机预设数据控制。计算机根据预设数据控制阳极移动到阴极上的指定位置并通电，即可将金属沉积到指定位置，不断堆积形成三维金属零件。克服了现有技术的打印件强度等方面的不足。

A 3D printer and printing method for metal parts

The invention discloses a metal material 3D printer based on Hydrometallurgy principle and a printing method thereof. The printer includes a cathode bottom plate placed at the bottom of the container, a negative electrode connected to a DC power supply through a wire, and one or more anodes fixed to the manipulator, and the anode can move precisely relative to the cathode floor under the control of the manipulator. The electrolyte is contained in the container, and the electrolyte is always flooded between the anode and the cathode. The anode is connected to the positive pole of the DC power supply, and the center is connected in series with a computer controlled switch control device. The connection between each anode and the DC power supply is controlled by the control device based on the preset data of the controller. The computer controls the position of the anode to the specified position on the cathode and energized, then the metal can be deposited to a specified position and accumulate to form a three-dimensional metal part. The shortcomings of printing technology such as strength of the existing technology are overcome.

【技术实现步骤摘要】
一种金属零件3D打印机及打印方法
本专利技术涉及3D打印领域，尤其是打印金属工件的领域。
技术介绍
3D打印是一种增材快速成型工艺，在计算机的控制下，把打印材料堆积到指定位置，通过层层堆积而形成立体工件，把计算机上的数据模型变成实物的方法。通常情况下，3D打印以低熔点的塑胶材料居多，而打印金属材料一直是研究的难点。现阶段已有的打印金属的方法包括：金属熔融挤出、金属粉末激光烧结等，其共同点就是使用高温使金属融化，熔融挤出的方法只能打印锡、锌合金、铝合金等低熔点金属，金属粉末烧结使用大功率激光器的成本很高，且致密性、强度等方面的性能也有待提高。湿法冶金是通过直流电解，把溶液中的金属离子还原沉积到阴极上，最终得到金属的工艺。而借助湿法冶金的原理，使用电解的方法，通过控制金属在指定位置沉积，最终层层堆积形成金属零件，把计算机上的3D数据模型“打印”出来，也是一个很有前途的方向，其工作时没有高温、高电压，安全无辐射，尤其在打印一些高硬度高熔点材料（如钨合金等）时，相较于传统的切削，锻造，铸造，以及3D打印领域的熔融、烧结等工艺，有着巨大的优势。本专利技术人经过检索，发现已经有人对此领域进行了研究，中国专利申请号201310457824.7公开了一种由带有外层套管可精确移动的打印头、泵、储液槽组成的电解液循环输送系统，以及在储液槽中放置的金属块阳极和底板阴极组成的电解电路系统，电解液从打印头的内部管路喷出，再由外层套管吸回，循环的过程中与阴极有接触，在阳极和阴极间的电流作用下，金属材料在打印头喷头处的阴极上沉积下来，阴阳极不通电时不发生沉积，继而达成在阴极板上选择性沉积金属的目的，打印头在移动的过程中，在阴极板上打印出预设图案，图案层层堆叠成为金属零件。中国专利申请号201420482471.6公开了一种二维阵列式3D打印机，其通过二维阵列的多个微管喷头向上方的阴极板喷出电解液，通过微管内设置的金属阳极于阴极板之间所通的直流电来电解在阴极板上沉积出金属，通过计算机控制每个微管系统的电流闭合与断开，继而达成在阴极板上选择性沉积金属的目的，在阴极板上打印出预设图案，微管阵列在打印过程中向下移动，图案层层堆叠成为金属零件。中国专利申请号201510587457.1公开了一种电镀堆积打印头，其带电的电解液（电镀液）从喷头中喷出以后，经过一个可施加电压的两个偏转极板中间，当偏转极板间不施加电压时，液柱直接到达阴极板，喷头上设置的阳极与阴极板之间形成回路，在阴极板上沉积出金属，而偏转极板间施加电压时，由于电场的作用，电解液柱发生偏转进入回收管而被回收，因没有到达阴极不会在阴极板上沉积金属，继而达成在阴极板上选择性沉积金属的目的。以上三个专利都有一个共同点，都是将电解液喷出形成液柱，液柱与阴极接触后，通过在喷头后方设置的阳极与阴极之间的电流，在阴极上沉积出金属，通过控制阴阳极间是否通以直流电流或者液柱是否与阴极接触，来达成是否在指定点上沉积金属的目的，继而达成选择性沉积金属形成预设图案，堆积形成3维立体零件。但是他们都存在一定的缺陷，首先液柱在与阴极接触以后不会凭空消失，而会分散形成一个比液柱截面积大的多的接触面，沉积金属的单个点的面积也就随之扩大，且由于表面张力的存在，液柱的直径并不能无限小，继而限制了打印精度。其次其在打印的过程中，已经打印出来的金属零件部分是暴露在空气中的，且表面残留有电解液（强电解质），在空气中的氧气和强电解质的共同作用下，绝大多数的金属都会迅速发生氧化，下一层再在这个位置打印时，由于氧化层的阻挡，层与层之间的的结合力将会受到影响，继而影响整体的力学性能。本专利技术能够解决这些问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种新型的金属材料3D打印机及打印方法。本专利技术所述打印机包括不溶性阳极（1），不溶性阳极（1）材质或者表面涂层材质为惰性导电材料。阳极旁边附有喷液嘴（2），以及循环泵（3）和管路系统（4），循环泵（3）将电解液（5）从容器中抽出，喷在不溶性阳极（1）附近起到搅拌作用，以降低浓差极化。进一步的，本专利技术所述打印机还包括阴极底板（7）,由惰性导电材料制成，阴极底板固定在容器（8）底部，容器（8）内装有电解液（5）。进一步的，不溶性阳极（1）通过绝缘外壳（6）固定于机械臂（9）上，机械臂（9）可以在在计算机的控制下于X、Y、Z轴3个轴向相对于阴极底板（7）精确移动。喷液嘴（2）也与不溶性阳极（1）一同固定于机械臂（9）上。进一步的，本专利技术所述打印机包括一个直流电源（10），通过导线（11）正极与通断控制装置（12）相连，通断控制装置（12）再与不溶性阳极（1）相连，负极与阴极底板（7）相连，阴极底板（7）与不溶性阳极（1）中间充斥电解液（5）形成回路，回路中的电流电压大小、开合都由计算机控制的通断控制装置（12）控制。当电流处于通路时，电解液（5）中的金属离子便在电流的作用下向阴极底板（7）移动并还原沉积于阴极底板（7）上的指定位置形成金属沉积点（13），金属沉积点（13）随着打印头的移动由点形成线，由线形成面，由面层层堆叠，最终形成立体零件。本专利技术所述打印机在打印过程中，已打印出的零件部分是浸于电解液（5）之中的，隔绝了与空气的接触，阻止了氧化的发生。本专利技术提高精度的关键是使用了特制的电解液（5）。控制单位区域金属沉积量的，是电流密度和时间，时间为固定值时，就完全取决于电流密度，电流密度的分布规律在行业上被称为第一次分布和第二次分布，第一次分布是指取决于阴阳极之间的距离，距离越近，电流密度越大。距离越远，分得的电流就越小，当小到一定程度时，电位小于金属析出电位，金属不再发生沉积。在此规律下，只要阴阳极间的距离足够近，打印时形成的单个点的直径也就会足够接近于阳极在垂直方向的投影，而阳极的截面积可以做到无限小，此时拥有最大的打印精度。第二次分布是指电流密度在第一次分布以后，在高电流密度区域发生了极化，阴极表面由于双电层的作用电阻增大，电流（电场）开始向远处电阻稍小的区域“蔓延”，电流密度在阳极近处减小，远处增大，所以本专利技术必须尽量的避免第二次电流密度分布，也就是避免极化，因为这样打印出的单个点直径会远大于阳极在垂直方向的投影，打印精度会比较差。避免极化的方法包括加强搅拌，提高金属盐浓度，以及添加去极化剂。进一步的，为提高打印速度，可以将若干个不溶性阳极（1）组成阵列，固定在同一个机械臂（9）上一同移动，通过由计算机控制的通断控制装置（12）单独控制每个不溶性阳极（1）与阴极底板（7）间的电流回路的闭合与断开，来确定进过的每个点是否有金属沉积，继而达成根据计算机预设数据选择性沉积金属的目的，在阳极阵列移动的过程中形成图案，通过图案的层层堆叠，继而打印出计算机中预设的金属零件。附图说明图1是金属材料3D打印机的侧视剖面示意图图2是金属3D打印机的立体示意图1.不溶性阳极2.喷液嘴3.循环泵4.管路5.电解液6.绝缘外壳7.阴极底板8.容器9.机械臂10.直流电源11.导线12.通断控制装置13.金属沉积点具体实施方式下面结合图2，以打印一个铜质垫片为例说明本专利技术的具体实施方式：若干个不溶性阳极（1）并列固定于机械臂（9）上，阳极材质为石墨。机械臂（9）三个轴向上均设有由计算机控制的步进电机、丝杆、滑轨系统等，可以精本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属零件3D打印机，其特征在于：包含一个或多个固定于机械臂（9）上的不溶性阳极（1），和一个固定于容器（8）底部的阴极底板（7），容器（8）内装有电解液（5）；不溶性阳极（1）附近带有喷液嘴（2），喷嘴附有管路（4）和循环泵（3），循环泵（3）将电解液（5）从容器（8）中吸出，喷于阳极（1）附近起搅拌作用；不溶性阳极（1）与直流电源（10）的正极相连，阴极底板（7）与电源（10）的负极相连，通过电解液（5）组成回路，电路间串联有由计算机控制的通断控制装置（12）。

【技术特征摘要】
1.一种金属零件3D打印机，其特征在于：包含一个或多个固定于机械臂（9）上的不溶性阳极（1），和一个固定于容器（8）底部的阴极底板（7），容器（8）内装有电解液（5）；不溶性阳极（1）附近带有喷液嘴（2），喷嘴附有管路（4）和循环泵（3），循环泵（3）将电解液（5）从容器（8）中吸出，喷于阳极（1）附近起搅拌作用；不溶性阳极（1）与直流电源（10）的正极相连，阴极底板（7）与电源（10）的负极相连，通过电解液（5）组成回路，电路间串联有由计算机控制的通断控制装置（12）。2.根据权利要求1所述3D打印机的不溶性阳极（1）的材质或者表面涂层材质为惰性导电材料，优选为石墨；阴极底板（7）的材质或者表面涂层材质为惰性导电材料，优选为不锈钢。3.根据权利要求1所述3D打印机的不溶性阳极与机械臂（9）绝缘，多...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雨，
申请(专利权)人：苏州锆钒电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32