叠层模板电沉积直接制造金属零件的研究

论文摘要

叠层模板电沉积成型技术是一种基于离散/堆积快速成型原理和金属电沉积原理的新型工艺方法,它通过控制模板的形状对阴极进行有选择的绝缘,使电沉积只能发生在模板未覆盖的区域,通过逐层控制,最终形成以模板型腔为侧面边界的金属零件。该技术同时具备了快速成型的柔性和电沉积技术沉积层致密度高、精度高以及设备简单、成本低等优点,为开辟快速成型新的工艺技术做了重要尝试。本文阐述了叠层模板电沉积直接成型金属零件技术的成型原理,论证了模板电沉积成型技术的可行性。本文从成型工艺的要求出发,设计了一套具有工作液循环系统和极板间距调整装置的沉积设备;开发了基于叠层制造和电沉积于一体的成型工艺。本文建立了沉积槽中平行板电极的电场有限元模型,深入分析了电场随电极尺寸、辅助阴极位置、模板厚度变化的规律。并通过改变电流方式、模板材料、叠层方式等研究沉积表面的生长特征及其原因。本文还针对实验中出现的问题,不断改善工艺方案,例如:针对叠层误差,实验为其增加了定位销;针对边缘效应,提出了增加模板厚度,使用双电极以及对边缘进行绝缘屏蔽等措施。本文的主要成果:1、提出了将叠层制造技术与电沉积技术相结合于一体直接制造金属零件的快速成型技术,为RP领域开辟了新的研究方法与工艺技术;2、确定了影响电场分布的关键因素,为改善成型工艺提出了具体措施:采用厚模板型腔同时沉积多个零件;3、成功地制造了一批具有一定精度、高致密度和硬度的铜零件,最大厚度达到了8.4mm,验证了叠层模板电沉积直接制造金属零件的可行性,为金属零件的直接制造新工艺奠定了技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.1.1 快速成型技术的基本原理
• 1.1.2 快速成型技术的典型工艺方法
• 1.1.3 快速成型技术的不足和发展趋势
• 1.2 金属零件直接快速成型
• 1.2.1 金属零件直接快速成型方法
• 1.2.2 金属零件直接快速制工艺的发展方向
• 1.3 电沉积技术
• 1.3.1 电镀与电铸
• 1.3.2 电沉积技术在微细加工中的应用
• 1.4 叠层模板电沉积直接制造金属零件
• 1.4.1 成型原理
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 叠层模板电沉积的电化学理论基础
• 2.1 电化学沉积的基本理论
• 2.1.1 电化学沉积的基本过程
• 2.1.2 阴极极化、过电位与扩散层
• 2.1.3 阴极极限电流密度
• 2.1.4 金属电结晶过程
• 2.1.5 阴极过电位与电结晶生长形态
• 2.2 提高电沉积速度的方法与途径
• 2.2.1 金属电沉积速度的影响因素
• 2.2.2 提高电沉积速度的有效途径
• 2.3 本章小结
• 第三章 叠层模板电沉积的设备研制
• 3.1 实验设备的研制
• 3.1.1 设计要求
• 3.1.2 系统设计
• 3.1.3 设备设计的关键问题
• 3.2 实验材料的准备
• 3.2.1 阳极材料的选择及其形状设计
• 3.2.2 阴极材料的选择及其形状设计
• 3.2.3 阳极袋
• 3.2.4 模板材料
• 3.2.5 电解液的配制
• 3.3 本章小结
• 第四章 电场有限元分析
• 4.1 有限元数值模拟技术和有限元方法概述
• 4.2 ANSYS10.0 软件简介及功能
• 4.3 电场分析中的理论基础
• 4.4 叠层模板电沉积的电场分析
• 4.4.1 电场模型的确立
• 4.4.2 阴极尺寸对电场分布的影响
• 4.4.3 辅助阴极对电场分布的影响
• 4.4.4 模板厚度对电场分布的影响
• 4.4.5 常见问题的预分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 叠层模板电沉积的实验研究
• 5.1 工艺规划
• 5.2 直流电沉积实验
• 5.2.1 单层0.1mm 模板单阴极实验
• 5.2.2 双层0.1mm 模板双阴极对比实验
• 5.2.3 四层0.47mm 模板双阴极对比实验
• 5.3 脉冲电沉积实验
• 5.3.1 脉冲电流占空比对沉积层表面形貌的影响
• 5.3.2 脉冲电流频率对电沉积层表面形貌的影响
• 5.3.3 脉冲双阴极对比实验
• 5.4 机械力学性能测试
• 5.4.1 显微硬度
• 5.4.2 抗压强度
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文