电子束电铸快速成型方法及其设备.pdf

本发明涉及电子束电铸快速成型方法及其设备。本方法是利用电子束作为电铸阴极，电铸液的正金属离子通过电子束获得电子进行镀复沉积制取零件的电铸技术。先由计算机CAD系统生成零件的三维模型，再用分层切片软件求取零件CAD模型的截面形状，电子束根据截面信息在电铸液上扫描，电铸液在电子束扫描处进行电铸获得零件。用于上述方法的设备主要包括电子枪、金属电铸材料、XY工作台、Z轴升降台、电铸液、计算机及电源等。本发明电子束快速成型方法可以直接、快速、自动、精确地制造金属零件。

1.  一种电子束电铸快速成型方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)首先利用计算机辅助设计软件对零件进行三维实体建模；
(2)根据加工要求，利用分层切片软件对零件的三维实体模型进行切片，得到零件的分层切片信息；
(3)电子束的扫描轨迹根据分层切片信息和加工要求确定，电子束按照扫描轨迹在电铸液上进行扫描，电铸得到零件。

2.  根据权利要求1所述的电子束电铸快速成型方法，其特征在于利用电子束作为电铸阴极，在电铸液中进行电化学沉积加工零件。

3.  一种用于权利要求1所述的电子束电铸快速成型方法的设备，包括电铸电路环路(1)、XY工作台(2)、Z轴升降台(3)、电沉积室(4)、计算机及电源(6)、电铸液温度控制系统(7)和电铸液清洁循环回路(8)组成。其特征在于电子枪(11)发射电子束(12)，通过电量计(14)与金属电铸材料(13)相连，金属电铸材料(13)插入电铸液(42)中。

4.  根据权利要求3所述的设备，电子枪(11)安装在XY工作台(2)上，与由X轴进步电动机(22)驱动的X轴同步带(24)连接，电子枪(11)、X轴同步带(24)和X轴进步电动机(22)安装在导轨上，与由Y轴进步电动机(23)驱动的Y轴同步带(25)连接。托盘(31)安装在Z轴升降台上(3)，其上承接零件(5)，Z轴进步电动机(32)连接丝杆(33)，丝杆(33)连接吊梁(35)，吊梁(35)安装在导轨(34)上，通过立板(36)连接托盘(31)。

5.  根据权利要求3所述的设备，电铸电路回路(1)中的电量计(14)和电子枪(11)、XY工作台(2)上的X轴进步电动机(22)和Y轴进步电动机(23)、Z轴升降台(3)上的Z轴进步电动机(32)均与计算机相连。

6.  根据权利要求3所述的设备，电沉积室(4)安装有电铸槽(41)、搅拌器(43)、抽真空装置(44)，电铸槽(41)中盛装电铸液(42)，电沉积室(4)连接有电铸液温度控制系统(7)和电铸液清洁回路(8)。

电子束电铸快速成型方法及其设备
技术领域
本发明涉及一种电子束电铸快速成型方法及其专用设备。
技术背景
快速成型技术(Rapid Protoyping简称RP)是20世纪80年代后期在制造领域发展起来的重大突破，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，采用逐点或逐层堆积材料的方法，把复杂的三维零件的制造转化成一系列二维零件截面制造的叠加，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型。PR技术种类繁多，主要有光敏树脂液相固化成型(SLA)、选择性激光粉末烧结成型(SLS)、薄片分层叠加成型(LOM)和熔丝堆积成型(FDM)等。但这些方法主要针对非金属材料(如光敏树脂、ABS或尼龙、涂覆纸、树脂砂等)，对金属零件的直接制造存在较大的困难。这些材料的成型性能大多不太理想，成型零件的物理性能不能满足功能性、半功能性要求，必须经过后处理或二次开发才能得到令人满意的零件。虽然SLS和FDM可以烧结或熔融金属，直接成型金属零件，但得到的零件精度低，仍需要后处理工序。
直接成型高强度金属材料的功能零件具有重要的经济价值。电铸是一种利用电铸液中正金属离子在阴极上电沉积制取零件的工艺技术，制造精度较高，但现有的电铸技术不能精确控制电铸区域，而必须使用高精度的原模，专利CN1300880A公开了一种选择性电铸方法，该方法进行阳极喷射，可以选择电铸区域，但制造精度低，制造的零件尺寸范围小，这些问题大大限制了电铸的应用范围。电子束电铸是利用电子枪发射的电子束提供电子形成电铸阴极进行电铸的技术，电子束电铸与RP技术相结合可以直接用于快速成型高精度金属零件。
发明内容
为了克服现有电铸技术不能精确控制电铸区域，必须使用原模以及现有快速成型技术不能直接成型金属零件，成型零件精度不高的缺点，本发明提出一种电子束电铸快速成型方法及其设备。
本发明电子束电铸快速成型方法，其特征在于按下面的原理和方法进行：利用电化学阴极沉积进行加工制造，用电子束作为电铸阴极，用金属电铸材料作为电铸阳极，用电铸材料的金属盐溶液作电铸液。在电流作用下，阳极上的金属原子失去电子成为正金属离子并进入电铸液。电子枪发射的电子束在电铸液上扫描，电子束扫描到的地方，电铸液中的正金属离子就获得电子成为金属原子并镀复沉积在托盘上。成型开始时，托盘在电铸液表面下的一个确定深度，电铸液始终处于电子束的焦点平面内，聚焦后的电子束斑在电铸液表面上按计算机指令逐点扫描，即逐点产生金属镀复沉积。当一层扫描完成后，未被电子束扫描到的地方不发生变化。然后Z轴升降台带动托盘下降一层高度，进行下一层的扫描，新镀复的一层牢固地粘在前一镀复层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。
本发明提供了一种完全新颖的电子束电铸加工方法，电子束的强度和位置可以精确控制，电铸区可以利用电子束扫描进行选择，电子束聚焦微细，可以实现精密细微加工。该方法抛弃了传统电铸的阴极原模，在计算机的控制下实现在平面的分层电铸再堆砌出零件，这一方法符合快速成型技术的基本原理，能够快速成型高精度的金属零件原型。
一种用于上述电子束电铸快速成型方法的设备，电子枪安装在XY工作台上，可以实现X-Y平面的运动，电子枪经电量计与金属电铸材料连接。电铸槽里盛有电铸液，金属电铸材料插入电铸液中，托盘安装在Z轴升降台上，浸在电铸液中，可以沿Z轴方向运动。电沉积室安装有搅拌器和抽真空装置，连接有电铸液清洁回路和电铸液温度控制系统。其特征在于电铸电路环路中电子束作为电铸阴极，金属电铸材料作为电铸阳极，电子枪和金属电铸材料之间连结有电流计并通过电铸液形成电路环路。
本发明电子束电铸快速成型设备的结构特点及运动特征是：
(1)电子枪发射电子束扫描电铸液。
(2)电子枪安装在XY工作台上，可以在X-Y平面上运动。
(3)托盘安装在Z轴工作台上，上面承接加工零件，电子束扫描一个沉积层后，托盘在Z轴方向上下降一层的高度。
(4)计算机连接电铸电路环路中的电量计和电子枪、XY工作台、Z轴升降台。电量计可以记录电铸电量，计算机根据电量计反馈的电铸电量信息，计算金属电铸材料的溶解量和沉积层的厚度，根据加工文件要求控制电子枪在X-Y平面上的运动和托盘在Z轴升降台上的运动，达到控制沉积层厚度的目的。
(5)电沉积室是一个封闭空间，安装有抽真空装置，封闭空间内是高真空环境，这样可以保障电子束的运动速度，稳定电子束。电沉积室的电铸槽内盛装电铸液，安装有搅拌器，搅拌器对电铸液进行搅拌，减少电铸缺陷保证零件精度。电沉积室安装有电铸液温度控制系统，在加工时可以自动调节电铸液的温度使其保持在设定的温度值，保证电铸加工时温度的稳定性，有助于保证加工过程的稳定性。电沉积室与电铸液清洁回路相连，可以除去电铸液中的杂质，保障零件精度。
附图说明
图1是本发明电子束电铸快速成型方法示意图；
图2是本发明电子束电铸快速成型设备的结构示意图；
图3是XY工作台结构示意图；
图4是Z轴升降台结构示意图。
图中1.电铸电路环路，11.电子枪，12.电子束，13.金属电铸材料，14.电量计，2.XY工作台，21.基板，22.X轴进步电动机，23.Y轴进步电动机，24.X轴同步带，25.Y轴同步带，3.Z轴升降台，31.托盘，32.Z轴进步电动机，33.丝杆，34.导轨，35.吊梁，36.立板，37.基板，4.电沉积室，41.电铸槽，42.电铸液，43.搅拌器，44.抽真空装置，5.零件，6.计算机及电源，7.电铸液温度控制系统，71.温度仪，72.加热器，8.电铸液清洁回路，81.阀门，82.过滤器，83.泵，84.流量计
具体实施方式
下面结合附图给出实施例对本发明方法及其设备进一步详细说明。
参照图1，本发明电子束电铸快速成型方法，其特征在于按下面的过程进行：电子枪(11)可以发射电子束(12)，电铸槽(41)中盛有电铸液(42)，托盘(31)安装在Z轴升降台(3)上，零件(5)承接在托盘(31)上。电铸零件时，首先由计算机CAD系统生成零件的三维模型，再用专用的分层切片软件根据零件的三维CAD模型求取零件各层的截面形状，得到电子束(12)的二维扫描轨迹。电子枪(11)在计算机控制下按照分层切片后生成的轨迹在X-Y平面内进行二维扫描运动，使电子束(11)扫描点处的电铸液(42)在托盘(31)上进行镀复沉积，形成零件(5)的一层截面，一层完成后，Z轴升降台(3)带动托盘(31)下降一层的高度，再进行下一层的镀复沉积。如此重复，层层叠加，直到整个零件制造完毕，得到一个三维零件实体原型。
参照图2，一种用于上述电子束电铸快速成型方法的设备，包括电铸电路环路(1)、XY工作台(2)、Z轴升降台(3)、电沉积室(4)、计算机及电源(6)、电铸液温度控制系统(7)和电铸液清洁循环回路(8)组成。电铸过程中，电子枪(11)发射电子束(12)，电子枪(11)通过电流计(14)与金属电铸材料(13)连接，经过电铸液(42)形成电铸电路环路(1)。金属电铸材料(13)溶解，正金属离子流向电子束(12)扫描的托盘(31)，在托盘(31)上镀复沉积。电子枪(11)安装在XY工作台(2)上，可以实现在X-Y平面上运动。托盘(31)安装在Z轴升降台(3)上，上面承接被加工的零件(5)，可以在Z轴方向的运动。
电沉积室(4)有盛装电铸液(42)的电铸槽(41)，安装有搅拌器(43)和抽真空装置(44)，设有电铸液温度控制系统(7)，并与电铸液清洁回路(8)相连。搅拌器(43)对电铸液(42)进行搅拌；抽真空装置(44)使电沉积室(4)的空间成为真空；电铸液温度控制系统(7)由温度仪(71)和加热器(72)组成，可以把电铸液(42)的温度控制在一定范围内；清洁回路(8)由阀门(81)、过滤器(82)、泵(83)和流量计(84)组成，可以除去电铸液(42)中的杂质。
在图3中，XY工作台(2)主要完成电子枪(11)在电铸液(42)表面上的二维精确扫描，实现电铸液(42)的每一层镀复沉积。电子枪(11)安装在X轴同步带(24)上，X轴同步带(24)由X轴进步电动机(22)驱动，而电子枪(11)、X轴同步带(24)和X轴进步电动机(22)安装在XY工作台(2)基板(21)的导轨上，由Y轴进步电动机(23)通过Y轴同步带(25)驱动。X轴进步电动机(22)和Y轴进步电动机(23)由计算机控制。
在图4中，由计算机发出运动信号，Z轴升降台(3)的基板(37)上固定的Z轴进步电动机(32)开始工作，带动丝杆(33)转动，吊梁(35)由丝杆(33)带动，在导轨(34)上沿Z轴方向运动。吊梁(35)经立板(36)带动托盘(31)作相同的Z轴方向运动。