CN112659545B - 一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，属于增材制造领域。所述方法包括如下步骤：先是并排放置的三个喷头同时在金属基底上熔融沉积出紧密排列的第一层两侧的两列熔融态高分子聚合物I和中间的熔融态高分子聚合物II；然后溶解高分子聚合物II，在两列高分子聚合物I之间形成凹槽；之后在凹槽内射流电铸出与两列高分子聚合物I等厚度的第一层金属层；再依次按照上述堆积膜层和电铸步骤重复进行操作，在第一层上逐层堆积，直至金属层的总厚度达到要求值为止；最后去除两列高分子聚合物I，将金属层从金属基底上分离，得到金属制件。本发明所述方法可低成本地增材制造出精度高、表面平整的金属制件。

Description

一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，属于增材制造领域。

背景技术

电铸是基于电化学沉积原理实现精密特征与零件制造的特种加工技术，也是一种典型精密复制制造技术。大多数情况下，电铸是通过在线或离线复制原模或芯模几何形状特征的方式实现制件制造的。因此，电铸对原模和芯模的制造方式与几何特征性质有很强的依赖性。

为增强电铸的自由实体精密制造能力， 3D打印原模和芯模技术已被引入到电铸制造过程中。比如，申请号为201711094493.X的发明专利提出了一种金属三维增材制造装置。基于该装置，先是利用熔丝沉积技术在阴极基底上堆积出相同材质的两列非金属膜层，然后利用射流电沉积技术在两列膜层的中间区域电沉积金属层，再提升熔丝沉积喷头和射流电沉积喷头的高度，再如上述过程先堆积膜层后填充金属层，如此重复，直到金属层总厚度达到设计厚度，进而完成所需形状金属构件的电铸制造。该方法虽然能借助熔丝沉积技术的三维制造能力，获得复杂形状的三维金属构件，但由于非金属膜层是通过熔丝沉积技术一层一层自由堆积而成的，膜层间必然存在明显的凸凹不平的层痕。这些层痕最终会被电沉积的金属复制下来，进而导致所制备的金属制件的侧壁表面凹凸不平，精度较低。此外，该装置组成复杂、成本高，且操作繁琐，不太适合规模化工业生产。针对以上不足，本发明提出了一种新的熔丝沉积成形—射流电铸组合技术，以能高效低成本地电化学增材制造精度高、表面平整的金属构件。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种可高效低成本地制得精度高、表面平整金属构件的熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（a）先把并排放置的两侧的两个熔丝喷头间的距离调整到设置值，再把中间的熔丝喷头置于两侧的两个熔丝喷头的正中间位置并使三者排成一排，进而形成一个熔丝喷头组，熔丝喷头组的各个喷头之间距离可调，接着把熔丝喷头组的各熔丝喷头距金属基底的高度调整为同一设定值；

（b）把熔丝喷头组移到金属基底的某一特定位置，然后以此位置为起点，驱动熔丝喷头组按设定的路径相对于金属基底作匀速移动，与此同时，两侧的两个熔丝喷头喷出成分相同的两列厚度相等并间隔一定距离的熔融态高分子聚合物I并粘附于金属基底上，中间的熔丝喷头喷出熔融态高分子聚合物II并粘附于金属基底上，当熔丝喷头组移动到设定的终点位置时停止移动，且各熔丝喷头停止喷丝，此时，金属基底上形成了材质依次为高分子聚合物I、高分子聚合物II、高分子聚合物I且紧密并排的三列等厚度的高分子聚合物第一层沉积层；

（c）选用合适的化学试剂溶解去除高分子聚合物II而保留两列高分子聚合物I，此时金属基底上形成以两列高分子聚合物I为侧壁、金属基底为底面的凹槽；

（d）利用射流电铸工艺向凹槽内沉积金属层，金属层的厚度与两列高分子聚合物I的厚度相同；

（e）把熔丝喷头组安放在步骤b所述的起点位置，调整熔丝喷头组的各熔丝喷头距第一层沉积层的高度至设定值，并按步骤b所述的方式和条件在第一层两列高分子聚合物I、金属层上分别熔丝粘附一层与第一层等厚度的高分子聚合物I、高分子聚合物II和高分子聚合物I；

（f）按步骤c所示方法溶解去除高分子聚合物II而保留高分子聚合物I，进而形成以高分子聚合物I为侧壁、金属层为底面的新凹槽；

（g）利用射流电铸工艺向新凹槽内沉积金属层；

（h）重复步骤e、步骤f和步骤g，按照如前所述方法依次在前一沉积层的基础上逐层沉积厚度相等的金属层，直到金属层的总厚度达到设计值为止；

（i）去除所有高分子聚合物I，并把金属层从金属基底上分离，最终得到所需的金属构件。

上述的高分子聚合物I为耐酸碱腐蚀的有机高分子材料。这是因为后续的射流电铸步骤需要使用具有腐蚀性的电解液。

上述的高分子聚合物II为可用化学溶液完全溶解为液态的有机高分子材料。

本发明的工作原理如下。

在熔丝沉积系统中设3个熔丝喷头，并使它们并排等距排列且都与金属基底有相同的喷口—基底高度，进而形成一个熔丝喷头组。熔丝喷头组按设定轨迹相对于金属基底移动，与此同时，中间喷头喷出熔融态高分子聚合物II，两侧喷头喷出熔融态高分子聚合物I，它们在金属基底上形成三列紧密并排、侧面相互挤压且等厚度的第一层非金属膜层。在选用合适的化学溶液腐蚀溶解中间的高分子聚合物II而保留高分子聚合物I，此时，金属基底上形成以两列高分子聚合物I为侧壁、金属基底为底面的凹槽。之后采用射流电铸技术在凹槽内电铸出与两列高分子聚合物I等厚度的第一层金属层。然后，按如上方法与步骤堆积与第一层膜层等厚度的第二层膜层，再溶解去除高分子聚合物II，进而再一次形成以高分子聚合物I为侧壁、上一层电铸金属层为底面的新凹槽。再利用射流电铸工艺在新微槽内沉积金属层。经过一层一层地堆积膜层和金属层，直到金属层的厚度达到要求时停止。去除两列高分子聚合物I，将金属层从金属基底上分离，进而获得所需的金属构件。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

（1）制造精度更高。由于熔丝沉积成形过程是高分子聚合物膜层的层层堆积过程，这使得该技术制备而成的非金属制件的侧壁不可避免地出现凸凹不平的层痕。若直接依此作为电铸复制的原模，这必然导致电铸的制件的成形精度低，表面平整性差。本发明通过三个喷头同时打印两种非金属材料膜层，膜层侧面相互挤压成型，相互制衡，从而提高了膜层堆叠时侧面的成形精度。于是，中间的非金属材料被溶解去除后，形成凹槽的精度高，以此作为原模进行电铸，可获得高精度的金属成型件。

（2）金属制件表面平整。通过三个喷头同时打印两种非金属材料形成紧密并排的三列非金属膜层，对层层堆积时侧面出现的凸凹不平的层痕进行挤压，层痕可大幅消除，凹凸不平程度也可大幅减弱，使得后续的电铸步骤可在侧壁相对平整的凹槽内填充金属，进而得到表面平整的电铸金属件。

（3）易于实现，工艺成本低。目前“3D打印芯模—射流电铸”组合增材制造技术采用集成式加工系统完成，制胶膜、胶膜前后处理、射流电铸等操作都在同一个系统分步或先后完成。这就对加工系统提出了很高的要求，需特别设计的多功能集成的专用系统，系统组成极其复杂，成本高，且涉及到操作步骤的不兼容和相互干扰问题，制造过程流程长，耗时多。本发明熔丝沉积成膜、射流电铸、化学溶解、脱模等操作均分散到各自独立的设备仪器中完成，所需的设备仪器功能较单一，成本较低，可并行执行各相关步骤，整体耗时小，易于实现。

附图说明

图1是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法步骤a和b的原理示意图。

图2是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法步骤c的原理示意图。

图3是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法步骤d的原理示意图。

图4是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法步骤e的原理示意图。

图5是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法步骤f的原理示意图。

图6是本发明一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法所完成的电铸金属构件的示意图。

图中标号及名称：1、高分子聚合物II，2、第一熔丝喷头，3、熔丝喷头组，4、第三熔丝喷头，5、第二熔丝喷头，6、金属基底，7、高分子聚合物I，8、凹槽，9、金属层，10、新凹槽，11、金属构件。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4、图5和图6对本发明“一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法”的具体实施过程作进一步描述。

1）先把并排放置的第一熔丝喷头2和第三熔丝喷头4间的距离调整到10mm，再把第二熔丝喷头5置于第一熔丝喷头2和第三熔丝喷头4正中间位置并使三者排成一排，进而形成一个熔丝喷头组3，接着把熔丝喷头组3的各熔丝喷头距金属基底6的高度调整为0.05mm。金属基底6厚度为1mm，材质为不锈钢SUS304。

2）把熔丝喷头组3移到金属基底6的某一特定位置，然后以此位置为起点，驱动熔丝喷头组3按照设定路径相对于金属基底6作匀速移动，与此同时，第一熔丝喷头2和第三熔丝喷头4喷出熔融态ABS高分子聚合物（塑料）7，第二熔丝喷头5喷出熔融态PLA高分子聚合物1，并粘附于金属基底6上，凝固后形成两列厚度为0.05mm、宽度约为2mm的ABS高分子聚合物7膜层，而其中间为厚度为0.05mm、宽为10mm的PLA高分子聚合物1膜层，当熔丝喷头组3移动到设定的终点位置时停止移动，同时各熔丝喷头停止喷丝。此时，金属基底6上形成了材质依次为ABS、PLA、ABS且紧密并排、侧面相互挤压的三列厚度均约为0.05mm的第一层非金属沉积层。

3）用二氯甲烷溶解中间的PLA高分子聚合物膜层，因该溶液不能溶解ABS材料，此时金属基底6上形成了以两列ABS高分子聚合物7为侧壁、金属基底6为底面的凹槽8，凹槽8宽度为10mm，深度为0.05mm。

4）开启射流喷头，使其距金属基底6的高度调整为2mm，采用射流电铸工艺对凹槽8填充金属镍，所用条件为：电流密度为20A/dm²，电解液流速为8m/s，电解液温度为55℃，电解液为含氨基磺酸镍（350g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（40g/L）的导电溶液。当凹槽8内的镍金属层9与两列ABS高分子聚合物7膜层的厚度相等时，关闭射流喷头，停止射流电铸。

5）把熔丝喷头组3安放在步骤2所述的起点位置，将熔丝喷头组3的各熔丝喷头距金属基底6的高度升高0.05mm，并按步骤2所述的方式和条件在第一层两列ABS高分子聚合物7膜层、镍金属层9上分别熔丝粘附一层厚度为0.05mm的ABS高分子聚合物7、PLA高分子聚合物1和ABS高分子聚合物7。

6）溶解去除PLA高分子聚合物而保留ABS高分子聚合物，进而形成以ABS高分子聚合物7为侧壁、镍金属层9为底面的新凹槽10，新凹槽10宽度为10mm，深度为0.05mm。

7）利用步骤4所述方法向新凹槽10内沉积镍金属层9，厚度为0.05mm。

8）按照步骤5、6、7所示方法依次在前一沉积层的基础上逐层沉积厚度为0.05mm的镍金属层，直到镍金属层的总厚度达到设计值为止。

9）去除所有ABS高分子聚合物7，并把镍金属层9从金属基底6上分离，最终得到所需的金属构件11。

本发明的保护范围并不限于上述描述的实施方案。在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变化均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）先把并排放置的第一熔丝喷头（2）和第三熔丝喷头（4）间的距离调整到设置值，再把第二熔丝喷头（5）置于第一熔丝喷头（2）和第三熔丝喷头（4）正中间位置并使三者排成一排，进而形成一个熔丝喷头组（3），熔丝喷头组（3）的各个喷头之间距离可调，接着把熔丝喷头组（3）的各熔丝喷头距金属基底（6）的高度调整为同一设定值；

（b）把熔丝喷头组（3）移到金属基底（6）的某一特定位置，然后以此位置为起点，驱动熔丝喷头组（3）按设定的路径相对于金属基底（6）作匀速移动，与此同时，第一熔丝喷头（2）和第三熔丝喷头（4）喷出成分相同的两列厚度相等并间隔一定距离的熔融态高分子聚合物I（7）并粘附于金属基底（6）上，第二熔丝喷头（5）喷出熔融态高分子聚合物II（1）并粘附于金属基底（6）上，当熔丝喷头组（3）移动到设定的终点位置时停止移动，且各熔丝喷头停止喷丝，此时，金属基底（6）上形成了材质依次为高分子聚合物I（7）、高分子聚合物II（1）、高分子聚合物I（7）且紧密并排的三列等厚度的高分子聚合物第一层沉积层；

（c）选用合适的化学试剂溶解去除高分子聚合物II（1）而保留两列高分子聚合物I（7），此时金属基底（6）上形成以两列高分子聚合物I（7）为侧壁、金属基底（6）为底面的凹槽（8）；

（d）利用射流电铸工艺向凹槽（8）内沉积金属层（9），金属层（9）的厚度与两列高分子聚合物I（7）的厚度相同；

（e）把熔丝喷头组（3）安放在步骤b所述的起点位置，调整熔丝喷头组（3）的各熔丝喷头距第一层沉积层的高度至设定值，并按步骤b所述的方式和条件在第一层两列高分子聚合物I（7）、金属层（9）上分别熔丝粘附一层与第一层等厚度的高分子聚合物I（7）、高分子聚合物II（1）和高分子聚合物I（7）；

（f）按步骤c所示方法溶解去除高分子聚合物II（1）而保留高分子聚合物I（7），进而形成以高分子聚合物I（7）为侧壁、金属层（9）为底面的新凹槽（10）；

（g）利用射流电铸工艺向新凹槽（10）内沉积金属层（9）；

（h）重复步骤e、步骤f和步骤g，按照如前所述方法依次在前一沉积层的基础上逐层沉积厚度相等的金属层，直到金属层（9）的总厚度达到设计值为止；

（i）去除所有高分子聚合物I（7），并把金属层（9）从金属基底（6）上分离，最终得到所需的金属构件（11）。

2.根据权利要求1所述的一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，其特征在于：所述的高分子聚合物I（7）为耐酸碱腐蚀的有机高分子材料。

3.根据权利要求1所述的一种熔丝沉积成形—射流电铸组合增材制造方法，其特征在于：所述的高分子聚合物II（1）为可用化学溶液完全溶解为液态的有机高分子材料。

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