3D打印技術(shù)近些年得到了高速發(fā)展，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，金屬3D打印技術(shù)尤其是在模具制造、藝術(shù)品加工、高端零部件加工等領(lǐng)域具有深廣意義，目前，行業(yè)內(nèi)普遍使用的激光3D打印技術(shù)，無論是SLS、SLM、LENS等，機(jī)理本質(zhì)基本相同，就是通過激光產(chǎn)生的高溫，將目標(biāo)區(qū)域金屬粉料融化，逐層堆積，最終完成零件的打印加工工作，這個(gè)過程由于加工點(diǎn)區(qū)域是在高溫下完成，難以避免會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂隙、質(zhì)地不均、曲翹變形、應(yīng)力集中等加工缺陷，尤其是較大尺寸零件，加工缺陷尤其明顯。
本發(fā)明的目的是克服上述背景技術(shù)中不足，提供一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)及其打印方法，整個(gè)打印過程是通過電化學(xué)反應(yīng)令電解液中的金屬陽離子還原為金屬，并按所加工零件構(gòu)造進(jìn)行逐層堆積，最終完成金屬零件的打印加工工作，本發(fā)明的加工過程完全是通過電化學(xué)反應(yīng)方式得以實(shí)現(xiàn)，無需高溫，且整個(gè)過程無需將打印加工零件浸泡在電解液中，而是利用電解液的表面張力作用將電解液層附著在零件的當(dāng)前加工層表面，形成電解液薄膜，通過電化學(xué)反應(yīng)，完成當(dāng)前加工層的金屬打印，可以有效避免零件在打印過程中，由于零件浸泡在電解液中的，隨著時(shí)間的推移，電解液中的金屬陽離子在已打印區(qū)域被還原，使得最終完成的打印零件與原設(shè)計(jì)發(fā)生偏離。
為了達(dá)到上述的技術(shù)效果，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)，包括：打印基臺(tái)、控制終端、電解液池、輸液管道、液壓控制閥、打印頭部件、陽極料棒、電源輸出器、打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架及電解液；所述打印基臺(tái)與電源輸出器的陰極相連，并為打印零件提出基礎(chǔ)打印平臺(tái)，控制終端用于對(duì)打印數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并控制打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架的三維運(yùn)動(dòng)，以及通過對(duì)液壓控制閥的控制來維持電解液供給的穩(wěn)定，電解液池用于存儲(chǔ)電解液，輸液管道的一端與電解液池連通，輸液管道的另一端與液壓控制閥連通，液壓控制閥與打印頭部件相連，液壓控制閥用于在控制終端的控制下維持打印頭部件穩(wěn)定的電解液供給，打印頭部件固定于打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架上用于在打印過程中，為打印零件提供供給量穩(wěn)定的電解液，陽極料棒設(shè)于打印頭部件內(nèi)且與電源輸出器的陽極相連，陽極料棒用于在電化學(xué)反應(yīng)作用下，為電解液提供充足的金屬陽離子，使電解液中的金屬陽離子始終處于飽和狀態(tài)，打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架為三維運(yùn)動(dòng)部件用于在控制終端的控制下，帶動(dòng)固定在其上的打印頭部件按預(yù)設(shè)做出三維運(yùn)動(dòng)，電源輸出器的陰陽兩極分別與打印機(jī)的打印基臺(tái)和陽極料棒連接，構(gòu)成電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)電場(chǎng)，并提供反應(yīng)過程中的能源損耗；
本發(fā)明的基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)的工作原理為：打印頭部件通過液壓控制閥控制電解液供給壓力，在打印頭部件的噴嘴口形成連續(xù)電解液液珠，隨著打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架對(duì)打印頭部件的走位控制，打印頭部件的噴嘴將電解液均勻涂抹在零件當(dāng)前層打印區(qū)域，并在其表面形成電解液薄膜，此電解液薄膜在電化學(xué)反應(yīng)的作用下，其內(nèi)的金屬陽離子會(huì)被迅速還原為金屬，并與打印零件的已打印層結(jié)合，如此逐層堆積，最終完成零件的打印加工工作。
進(jìn)一步地，所述打印頭部件內(nèi)設(shè)有電解液儲(chǔ)盒，所述陽極棒料整體或部分浸泡在所述電解液儲(chǔ)盒內(nèi)，從而補(bǔ)充電化學(xué)反應(yīng)過程中，電解液中的金屬陽離子的損耗，并使電解液中的金屬陽離子始終保持飽和狀態(tài)。
進(jìn)一步地，所述打印零件倒掛于打印基臺(tái)上，其目的是防止電解液局部因堆積過多而流落到打印零件已打好部分上，在電化學(xué)反應(yīng)作用下，造成打印零件局部發(fā)生與原設(shè)計(jì)不符的變化。
進(jìn)一步地，所述打印基臺(tái)表面設(shè)有若干防脫微孔，從而防止打印零件因?yàn)橹亓Φ闹饾u增加而發(fā)生脫落現(xiàn)象。
進(jìn)一步地，所述打印頭部件與電解液直接接觸的部分是由絕緣材料制成，其目的是防止打印頭部件金屬部分參與電化學(xué)反應(yīng)。
進(jìn)一步地，所述絕緣材料為玻璃、陶瓷或高分子化合物。
進(jìn)一步地，所述電解液為揮發(fā)性電解液，其揮發(fā)速度慢于電化學(xué)反應(yīng)速度，具體的，電解液為水溶液電解液或非水溶液電解液，在打印整體過程中，其濃度始終保持飽和狀態(tài)，從而加快電化學(xué)反應(yīng)速度。
進(jìn)一步地，所述陽極棒料的材料為與打印零件相同的金屬或合金材料。
進(jìn)一步地，所述控制終端為計(jì)算機(jī)，實(shí)際中還可由其他智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其主要作用是對(duì)3D打印的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在打印過程中對(duì)打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架的三維運(yùn)動(dòng)及電解液的供給進(jìn)行控制，且控制終端可外接或內(nèi)置在本發(fā)明的3D打印機(jī)里。
同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印方法，由上述的一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：
A.控制終端控制打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架開始動(dòng)作，使打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架帶動(dòng)打印頭部靠近打印基臺(tái)；
B.在打印頭部件上的噴嘴頭部與打印基臺(tái)上的打印起始點(diǎn)x、y坐標(biāo)吻合，且z坐標(biāo)距離該打印起始點(diǎn)一定距離時(shí)，控制終端控制液壓控制閥，使液壓控制閥對(duì)打印頭部件內(nèi)的電解液施壓，使電解液通過打印部件內(nèi)的供料管道涌入打印部件的噴嘴開口處，并在開口處形成一微小電解液珠；
C.打印頭部件在打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架的帶動(dòng)下，繼續(xù)在z方向上靠近打印基臺(tái)，直至噴嘴開口上的電解液珠與打印基臺(tái)接觸；
D.打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架在控制終端的控制下，帶動(dòng)打印頭部件按打印零件的此層構(gòu)架開始進(jìn)行x、y方向移動(dòng)；
E.打印頭部件上的噴嘴開始持續(xù)供應(yīng)電解液，電解液的供應(yīng)量在控制終端與液壓控制閥的共同控制下，保持穩(wěn)定，使電解液在自身表面張力的作用下形成一液態(tài)薄膜，該薄膜內(nèi)的金屬陽離子在電場(chǎng)的作用下，迅速被還原為金屬，并附著在打印基臺(tái)表面，直至打印零件該層打印完成；
F.打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架在控制終端的控制下，開始帶動(dòng)打印頭部件z方向下移，進(jìn)行打印零件的第二層打印，以此循環(huán)，直至完成打印零件的整體打印。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果：
一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)及其打印方法，其整個(gè)打印過程是通過電化學(xué)反應(yīng)令電解液中的金屬陽離子還原為金屬，并按所加工零件構(gòu)造進(jìn)行逐層堆積，最終完成金屬零件的打印加工工作，本發(fā)明的方案中，加工過程完全是通過電化學(xué)反應(yīng)方式得以實(shí)現(xiàn)，無需高溫，可以有效避免產(chǎn)生氣孔、裂隙、質(zhì)地不均、曲翹變形、應(yīng)力集中等加工缺陷；
且整個(gè)過程無需將打印加工零件浸泡在電解液中，而是利用電解液的表面張力作用將電解液層附著在零件的當(dāng)前加工層表面，形成電解液薄膜，通過電化學(xué)反應(yīng)，完成當(dāng)前加工層的金屬打印，這樣做的目的是避免零件在打印過程中，出現(xiàn)由于零件是浸泡在電解液中的，而隨著時(shí)間的推移，電解液中的金屬陽離子在已打印區(qū)域被還原，導(dǎo)致最終完成的打印零件與原設(shè)計(jì)發(fā)生偏離。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)的示意圖。
圖2是圖1中A部的放大示意圖。
圖3是本發(fā)明的打印基臺(tái)的防脫微孔設(shè)計(jì)的示意圖
附圖標(biāo)記：1-打印基臺(tái)，2-控制終端，3-電解液池，4-輸液管道，5-液壓控制閥，6-打印頭部件，7-陽極料棒，8-電源輸出器，9-電解液，10-打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架，11-打印零件，101-防脫微孔，601-打印頭噴嘴，901-電解液薄膜。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述和說明。
實(shí)施例：
實(shí)施例一：
如圖1所示，一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)，包括：打印基臺(tái)1、控制終端2、電解液池3、輸液管道4、液壓控制閥5、打印頭部件6、陽極料棒7、電源輸出器8、打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10及電解液9。
具體的，打印基臺(tái)1與電源輸出器8的陰極相連，打印基臺(tái)1作為位置固定件用于為打印零件11提出基礎(chǔ)打印平臺(tái)，控制終端2用于對(duì)打印數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并控制打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10的x、y、z方向的三維運(yùn)動(dòng)，以及通過對(duì)液壓控制閥5的控制來維持電解液9供給的穩(wěn)定。
電解液池3用于存儲(chǔ)電解液9，可維持補(bǔ)充打印機(jī)整個(gè)打印工作過程對(duì)電解液9的消耗量，電解液9則可是為電化學(xué)反應(yīng)提供基礎(chǔ)環(huán)境，輸液管道4的一端與電解液池3連通，輸液管道4的另一端與液壓控制閥5連通，其作用是提供電解液9從電解液池3進(jìn)入打印頭部件6的通道，液壓控制閥5與打印頭部件6相連，液壓控制閥5用于在控制終端2的控制下維持打印頭部件6穩(wěn)定的電解液9供給。
打印頭部件6固定于打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10上用于在打印過程中，為打印零件11提供供給量穩(wěn)定的電解液9，陽極料棒7設(shè)于打印頭部件6內(nèi)且與電源輸出器8的陽極相連，陽極料棒7用于在電化學(xué)反應(yīng)作用下，為電解液9提供充足的金屬陽離子，使電解液9中的金屬陽離子始終處于飽和狀態(tài)，打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10為三維運(yùn)動(dòng)部件用于在控制終端2的控制下，帶動(dòng)固定在其上的打印頭部件6按預(yù)設(shè)做出x、y、z方向的三維運(yùn)動(dòng)，電源輸出器8的陰陽兩極分別與打印機(jī)的打印基臺(tái)1和陽極料棒7連接，構(gòu)成電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)電場(chǎng)，并提供反應(yīng)過程中的能源損耗。
具體的，本實(shí)施例中，陽極棒料的材料為與打印零件11相同的金屬或合金材料，在打印頭部件6內(nèi)設(shè)有電解液9儲(chǔ)盒，陽極棒料整體或部分浸泡在電解液9儲(chǔ)盒內(nèi)，從而補(bǔ)充電化學(xué)反應(yīng)過程中，電解液9中的金屬陽離子的損耗，并使電解液9中的金屬陽離子始終保持飽和狀態(tài)。
具體的，如圖2所示，打印零件11倒掛于打印基臺(tái)1上，其目的是防止電解液9局部因堆積過多而流落到打印零件11已打好部分上，在電化學(xué)反應(yīng)作用下，造成打印零件11局部發(fā)生與原設(shè)計(jì)不符的變化，同時(shí)，為了防止打印零件11因?yàn)橹亓Φ闹饾u增加而發(fā)生脫落現(xiàn)象，如圖3所示，本實(shí)施例中，打印基臺(tái)1表面設(shè)有若干防脫微孔101。
具體的，本實(shí)施例中，打印頭部件6與電解液9直接接觸的部分是由絕緣材料制成，如玻璃、陶瓷或高分子化合物等，其目的是防止打印頭部件6金屬部分參與電化學(xué)反應(yīng)。
本實(shí)施例中，電解液9為揮發(fā)性電解液9，且其揮發(fā)速度慢于電化學(xué)反應(yīng)速度，具體的，電解液9為水溶液電解液9或非水溶液電解液9，在打印整體過程中，其濃度始終保持飽和狀態(tài)，從而加快電化學(xué)反應(yīng)速度。
本實(shí)施例中，控制終端2為計(jì)算機(jī)，實(shí)際中還可由其他智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其主要作用是對(duì)3D打印的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在打印過程中對(duì)打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10的三維運(yùn)動(dòng)及電解液9的供給進(jìn)行控制，且控制終端2可外接或內(nèi)置在本發(fā)明的3D打印機(jī)里。
本實(shí)施例的基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)的工作原理為：打印頭部件6通過液壓控制閥5控制電解液9供給壓力，在打印頭噴嘴601口形成連續(xù)電解液9液珠，隨著打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10對(duì)打印頭部件6的走位控制，打印頭噴嘴601將電解液9均勻涂抹在零件當(dāng)前層打印區(qū)域，并在其表面形成電解液薄膜901，此電解液薄膜901在電化學(xué)反應(yīng)的作用下，其內(nèi)的金屬陽離子會(huì)被迅速還原為金屬，并與打印零件11的已打印層結(jié)合，如此逐層堆積，最終完成零件的打印加工工作。
實(shí)施例二
一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印方法，由上述的一種基于電化學(xué)反應(yīng)的金屬3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：
步驟一：控制終端2控制打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10開始動(dòng)作，使打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10帶動(dòng)打印頭部靠近打印基臺(tái)1；
步驟二：在打印頭部件6上的噴嘴頭部與打印基臺(tái)1上的打印起始點(diǎn)x、y坐標(biāo)吻合，且z坐標(biāo)距離該打印起始點(diǎn)一定距離時(shí)，控制終端2控制液壓控制閥5，使液壓控制閥5對(duì)打印頭部件6內(nèi)的電解液9施壓，使電解液9通過打印部件內(nèi)的供料管道涌入打印部件的打印頭噴嘴601開口處，并在開口處形成一微小電解液9珠；
步驟三：打印頭部件6在打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10的帶動(dòng)下，繼續(xù)在z方向上靠近打印基臺(tái)1，直至打印頭噴嘴601開口上的電解液9珠與打印基臺(tái)1接觸；
步驟四：打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10在控制終端2的控制下，帶動(dòng)打印頭部件6按打印零件11的此層構(gòu)架開始進(jìn)行x、y方向移動(dòng)；
步驟五：打印頭部件6上的打印頭噴嘴601開始持續(xù)供應(yīng)電解液9，電解液9的供應(yīng)量在控制終端2與液壓控制閥5的共同控制下，保持穩(wěn)定，使電解液9在自身表面張力的作用下形成電解液薄膜901，該薄膜內(nèi)的金屬陽離子在電場(chǎng)的作用下，迅速被還原為金屬，并附著在打印基臺(tái)1表面，直至打印零件11該層打印完成；
步驟六：打印頭運(yùn)動(dòng)控制支架10在控制終端2的控制下，開始帶動(dòng)打印頭部件6向z方向下移，進(jìn)行打印零件11的第二層打印，以此循環(huán)，直至完成打印零件11的整體打印。
可以理解的是，以上實(shí)施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實(shí)施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改
來源： 四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司
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