阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法与流程

本发明属于金属材料电化学3d打印技术领域，具体涉及一种阵列式复合电场作用下的金属材料零件电化学微纳尺度高速增材制造装置。

背景技术：

金属电化学3d打印技术通过还原溶液中的金属阳离子，定向可控的沉积还原后的金属原子到对应位置的阴极基板上，在可控的多种环境条件下，定量的控制电压大小，放电距离，达到沉积不同金属材料和控制沉积质量的目的，而不会造成传动机械加工的力学损伤，且金属电化学3d打印无需昂贵的激光发生器或特定的惰性气体环境，成本较低，但打印精度不高、效率低。

光电耦合技术通过发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。

阵列电场叠加原理通过对单电极的电压、横截面等参数的设定，实现在多电场复合情况下，对电场形貌、场内电势强弱的有效调控。

压电驱动技术通过压电陶瓷材料的逆压电效应，控制其机械变形产生旋转或直线运动，使用精密驱动装置提供单方向上的纳米尺度高精密位移，从而实现定量的距离控制。

图形像素解析技术常用于指拍摄图片的分辨率，在这里取像素的引申概念，将数个光敏单元看成“像素”，每个“像素”产生信号解析对应单电极的控制，实现对整体打印图形面的形貌控制。

技术实现要素：

本发明提供一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法，以解决目前存在的打印精度不高、效率低等问题。

本发明采取的技术方案是：包括阵列式高速电化学3d打印装置、光信号收发系统、电控箱、金属盐溶液循环加热系统，其中阵列式高速电化学3d打印装置、光信号收发系统分别固定在电控箱的机箱主体上，金属盐溶液循环加热系统安装在电控箱的机箱主体内，金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输出管路与阵列式高速电化学3d打印装置的沉积室入水口相连、金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连。

本发明所述阵列式高速电化学3d打印装置包括法拉第笼、xyz高精度运动平台、z轴压电超精密驱动平台、阵列电极基体、沉积室箱体、隔振实验台、阵列打印头基体支座、阵列电极基体固定螺栓、石墨电极阵列、打印头基体支座固定螺栓、石墨电极阵列绝缘保护膜、阴极基板、沉积室出水口、沉积室固定螺栓、沉积室入水口、温度监测仪、石墨封装粉末、电极控制线、观测窗；其中：

法拉第笼覆盖隔振实验台整体外面，隔振实验台安装在电控箱的机箱主体上，xyz高精度运动平台安装在隔振实验台上，z轴压电超精密驱动平台安装在xyz高精度运动平台的z轴上，所述z轴压电超精密驱动平台包括负载工作台、平台基底、压电叠堆预紧螺栓、压电叠堆、负载工作台固定螺栓，其中压电叠堆嵌入平台基底内，通过压电叠堆预紧螺栓预紧，负载工作台安装于平台基底上表面，通过负载工作台固定螺栓固定在平台基底上；

石墨电极阵列嵌套在墨电极阵列绝缘保护膜内，组合安装于阵列电极基体中，电极控制线通过石墨封装粉末封装于阵列电极基体电极孔内，阵列电极基体安装于阵列打印头基体支座中，阵列电极基体通过阵列电极基体固定螺栓固定在阵列打印头基体支座上表面，阵列打印头基体支座再通过打印头基体支座固定螺栓固定于z轴压电超精密驱动平台上；

沉积室箱体通过沉积室固定螺栓固定在隔振实验台上，沉积室箱体侧面安装有观测窗，阴极基板置于沉积室箱体底部，温湿度监测仪置于沉积室箱体上部，沉积室入水口与金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输入管路相连，沉积室出水口与金属盐溶液循环加热系统的出金属盐溶液回收管路连接。

本发明所述的xyz高精度运动平台运动精度为0.1μm/s，z轴压电精密驱动器的精度为3nm/s，石墨电极阵列与石墨电极阵列绝缘保护膜结合，需将电极前端裸露，使电极间产生的电场发生复合。

本发明所述的光信号收发系统包括光敏阵列板支架、光敏阵列板、光敏阵列板底座、光源发生器、光源发生器支架、光源发生器底座、光源发生器底座固定螺栓，其中光敏阵列板由阵列光信号接收器有序排列组成，内部集成输出电路与电控箱的光信号处理器相连，通过光敏阵列板支架安装在光敏阵列板底座上，光敏阵列板底座安装在电控箱的机箱主体上表面，光源发生器通过光源发生器支架安装于光源发生器底座中，光源发生器底座通过光源发生器底座固定螺栓紧固于电控箱的机箱主体上表面，光源发生器与光敏阵列板保持一定距离，光源发生器发出的光能够完全投影在光敏阵列板内。

本发明所述的光敏阵列板将5×5mm的光敏传感器以1mm间隙组合，与石墨阵列电极相同的排布顺序插入光敏阵列板上，阵列传感器在光电耦合作用下产生的电信号通过光敏阵列板中的集成电路传输至电控箱的光信号处理器，光信号处理器发送分解光信号信息给多轴控制卡，再经直流电源放大器放大后，输出给石墨电极阵列。

本发明所述的电控箱包括驱动装置手动控制面板、直流电源放大器、多轴控制卡、光信号处理器、机箱主体、显示器、工作站；其中手动控制面板安装在机箱主体上表面，直流电源放大器、多轴控制卡、光信号处理器并列放置于机箱主体内隔断上层，显示器、工作站摆放于机箱主体上表面右侧。

本发明所述的金属盐溶液循环加热系统包括含过滤、加热功能的储液罐、高速离心泵、储液罐上盖、金属盐溶液回收管路、金属盐溶液输入管路、储液罐上盖密封螺栓、水浴加热箱；其中储液罐置于水浴加热箱内，水浴加热箱置于电控箱的机箱主体底部，储液罐通过储液罐上盖、储液罐上盖密封螺栓密封，高速离心泵安装于储液罐上盖顶部溶液出口处，金属盐溶液输出管路底端与高速离心泵相连，金属盐溶液输出管路沉积室入水口相连，金属盐溶液回收管路底部连通储液罐，金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连，形成闭环循环管路。

一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造方法，包括下列步骤：

(1)配制金属离子盐溶液

金属盐溶液为含ni、cu、fe、cr、zn、au、ti、pt、ag离子或其各自合金的盐溶液；

(2)阳极用材料制备

阳极用材料为石墨阵列电极，将圆柱状石墨阵列外面包裹一层具有热塑性的绝缘保护膜，通过热风枪将其封装，同时铂丝外表面留出1-5mm的裸露层，取一排这样封装好的石墨电极使用磨光机在另一端打磨使其露出电极阵列截面在同一水平面内，插入阵列电极基体的基板孔内，插入孔深的3/4并对齐，将电极控制线插入入阵列电极基体的基板孔内，使用石墨封装粉末封堵基板孔；

(3)阴极用材料制备

用厚度为1-2mm的纯度为99.9％的紫铜板为阴极基板，先进行表面预处理：依次进行机械研磨，化学除油，化学抛光，酸洗活化，吹干处理，根据3d打印需要，紫铜板经金相砂纸逐级打磨，在机械研磨后采用碱液除油，并用高温清洗，彻底去除表面残留物质，再次将除油后的阴极基体放入化学试剂抛光直至机械研磨产生的表面划痕消除，取出后用蒸馏水冲洗，对铜板进行表面活化处理，采用98％浓硫酸与37％盐酸的混合活化液10min，处理后取出用去离子水清洗，并用酒精在超声波中处理，吹干后固定阴极基板于沉积室箱体中；

(4)零件模型数据制作

用三维建模软件catia建立需要打印的零件模型，保存成stl格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到工作站中，通过输出控制，按扫描路径逐层沉积成形；

(5)金属离子溶液封装

将配置好的金属离子盐溶液装入储液罐中，通过高速离心泵抽取，通过金属盐溶液输入管路连通沉积室箱体进入沉积室内；

(6)金属材料打印

工作站通过多轴控制卡对xyz高精度运动平台、z轴压电超精密驱动平台进行运动路径、定位精度、移动速度的控制，xyz高精度运动平台通过宏观精密移动找到对应阴极基板打印区域，并通过z轴移动至距阴极基板的5-10mm处，光敏阵列板输出端与光信号处理器相连，光信号处理器输出信号给多轴控制卡，多轴控制卡输出端连接直流电源放大器，直流电源放大器正极接通石墨电极阵列作为电化学反应阳极，直流电源放大器负极连接沉积室箱体内的阴极基板作为阴极，石墨电极阵列与沉积室箱体内的金属离子盐溶液充分接触，高速离心泵通电后高速转动在沉积室箱体中产生流动液体，通过光信号处理器分解光敏阵列板接收到的光投影图像，控制石墨电极阵列内的对应像素点的石墨电极通放电，高速流动的金属阳离子溶液与阴极基板产生闭合回路,金属离子被迅速还原为金属原子沉积在通电状态下石墨电极阵列对应的阴极基板上的具体位置，生成层状二维金属结构，随着z轴压电超精密驱动平台的精确控制，石墨电极阵列产生精密步进位移，逐层打印出程序控制的形状金属，完成零件制造；

(7)金属盐溶液循环、过滤、加热控制

沉积室箱体内使用后残余的金属盐溶液通过金属盐溶液回收管路返回至储液罐中，根据沉积室内测定的金属盐溶液温度监测仪精确控制水浴加热箱的温度，形成闭环；因阵列式复合电场作用下的金属材料零件电化学微纳尺度增材制造是在一个封闭系统内部进行，金属盐溶液可以循环使用，所以需要定期测定溶液中的主要离子浓度，以确保溶液成分的一致性。

本发明优点如下：

本发明将图形像素解析技术、压电超精密驱动技术、光电耦合技术与金属电化学技术相结合，极大的提高了打印的定位精度。

本发明利用流动电解液及阵列面打印极大提高了成形速度，具有打印效率高，成形晶粒细化、硬度大等优势。

本发明在可控的多种环境条件下，达到沉积不同金属定量可控的目的，适应范围广，应用能力强。

本发明也可用于纳米级金属材料制造，在航空航天、医疗、电子等精密机械制造领域具有潜力；本发明大大降低了金属材料的生产成本，在制造领域具有巨大潜力。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明阵列式高速电化学3d打印装置的结构示意图；

图3是本发明阵列式打印头的结构示意图；

图4是本发明阵列式打印头结构剖视图；

图5是本发明沉积室的结构示意图；

图6是图5的后视图；

图7是本发明z轴压电超精密驱动平台的内部结构示意图；

图8是本发明z轴压电超精密驱动平台的负载工作台结构示意图；

图9是本发明光信号收发系统的结构示意图；

图10是本发明电控箱的结构示意图；

图11是本发明金属盐溶液循环加热系统的结构示意图；

图12是本发明的流程图。

具体实施方式

参见图1，包括阵列式高速电化学3d打印装置1、光信号收发系统2、电控箱3、金属盐溶液循环加热系统4，其中阵列式高速电化学3d打印装置1、光信号收发系统2分别固定在电控箱3的机箱主体305上，金属盐溶液循环加热系统4安装在电控箱3的机箱主体305内，金属盐溶液循环加热系统4的金属盐溶液输出管路404与阵列式高速电化学3d打印装置1的沉积室入水口115相连、金属盐溶液回收管路405与沉积室出水口113相连。

参见图2、3、4、5、6、7、8，所述阵列式高速电化学3d打印装置1包括法拉第笼101、xyz高精度运动平台102、z轴压电超精密驱动平台103、阵列电极基体104、沉积室箱体105、隔振实验台106、阵列打印头基体支座107、阵列电极基体固定螺栓108、石墨电极阵列109、打印头基体支座固定螺栓110、石墨电极阵列绝缘保护膜111、阴极基板112、沉积室出水口113、沉积室固定螺栓114、沉积室入水口115、温度监测仪116、石墨封装粉末117、电极控制线118观测窗119；其中：

法拉第笼101覆盖隔振实验台106整体外面，目的隔绝外界电场干扰提供稳定的内部工作环境，隔振实验台106安装在电控箱3的机箱主体305上，xyz高精度运动平台102安装在隔振实验台106上，通过xyz高精度运动平台102操纵的x、y、z三轴的超精密微位移运动，进而实现阵列式高速电化学3d打印装置1相对于阴极基板112的宏观精密位移，z轴压电超精密驱动平台103安装在xyz高精度运动平台102的z轴上，提供z轴单方向上的纳米尺度高精密位移，从而实现定量的控制石墨电极阵列109与阴极基板112间距离、改变电场强度、约束打印层金属的沉积形貌和金属晶核成形的致密程度；所述z轴压电超精密驱动平台103包括负载工作台1031、平台基底1032、压电叠堆预紧螺栓1033、压电叠堆1034、负载工作台固定螺栓1035，其中压电叠堆1034嵌入平台基底1032内，通过压电叠堆预紧螺栓1033预紧，负载工作台1031安装于平台基底1032上表面，通过负载工作台固定螺栓1035固定在平台基底1032上；

石墨电极阵列109嵌套在墨电极阵列绝缘保护膜111内，组合安装于阵列电极基体104中，电极控制线118通过石墨封装粉末117封装于阵列电极基体104电极孔内，阵列电极基体104安装于阵列打印头基体支座107中，阵列电极基体104通过阵列电极基体固定螺栓108固定在阵列打印头基体支座107上表面，阵列打印头基体支座107再通过打印头基体支座固定螺栓110固定于z轴压电超精密驱动平台103上；

沉积室箱体105通过沉积室固定螺栓114固定在隔振实验台106上，沉积室箱体侧面安装有观测窗119，便于实验过程中的视觉观察和设备的调整，要求沉积室箱体105由聚合物或惰性材料不参与电化学反应的材料组成，阴极基板112置于沉积室箱体105底部，温湿度监测仪116置于沉积室箱体105上部，用于实时显示沉积室箱体105内3d打印的温度与湿度，沉积室入水口115与金属盐溶液循环加热系统4的金属盐溶液输入管路405相连，沉积室出水口113与金属盐溶液循环加热系统4的出金属盐溶液回收管路404连接。

所述的xyz高精度运动平台102运动精度为0.1μm/s，z轴压电精密驱动器103的精度为3nm/s，石墨电极阵列109与石墨电极阵列绝缘保护膜111结合，需将电极前端裸露，使电极间产生的电场发生复合。

参见图9，所述的光信号收发系统2包括光敏阵列板支架201、光敏阵列板202、光敏阵列板底座203、光源发生器204、光源发生器支架205、光源发生器底座206、光源发生器底座固定螺栓207，其中光敏阵列板202由阵列光信号接收器有序排列组成，内部集成输出电路与电控箱3的光信号处理器304相连，通过光敏阵列板支架201安装在光敏阵列板底座203上，光敏阵列板底座203安装在电控箱3的机箱主体305上表面，光源发生器204通过光源发生器支架205安装于光源发生器底座206中，光源发生器底座206通过光源发生器底座固定螺栓207紧固于电控箱3的机箱主体305上表面，光源发生器204与光敏阵列板202保持一定距离，光源发生器204发出的光能够完全投影在光敏阵列板202内，避免信号采样信号丢失。

所述的光敏阵列板202将5×5mm的光敏传感器(具体尺寸视情况而定)以1mm间隙组合，与石墨阵列电极相同的排布顺序插入光敏阵列板202上，阵列传感器在光电耦合作用下产生的电信号通过光敏阵列板202中的集成电路传输至电控箱3的光信号处理器304，光信号处理器304发送分解光信号信息给多轴控制卡303，再经直流电源放大器302放大后，输出给石墨电极阵列109。

参见图10，所述的电控箱3包括驱动装置手动控制面板301、直流电源放大器302、多轴控制卡303、光信号处理器304、机箱主体305、显示器306、工作站307；其中手动控制面板301安装在机箱主体305上表面，可根据工作需要对阵列式高速电化学3d打印装置1的xyz高精度运动平台102、z轴压电超精密驱动平台103用于手动控制；直流电源放大器302、多轴控制卡303、光信号处理器304并列放置于机箱主体305内隔断上层，直流电源放大器302用于输入电化学反应所需的波形和电压，光信号处理器304用于处理光信号收发系统2的接受信息，发送给多轴控制卡303，多轴控制卡303用于精密驱动xyz高精度运动平台102、z轴压电超精密驱动平台103以及工作站307的输出阵列电极控制信号，显示器306、工作站307摆放于机箱主体305上表面右侧。要求机箱主体305水平置于地面且上表面能够保证权利要求2所述的阵列式高速电化学3d打印装置1水平，进而保证零件的打印质量；脉冲直流电源放大器302可提供的电压为0.5-25v；

参见图11，所述的金属盐溶液循环加热系统4包括含过滤、加热功能的储液罐401、高速离心泵402、储液罐上盖403、金属盐溶液回收管路404、金属盐溶液输入管路405、储液罐上盖密封螺栓406、水浴加热箱407；其中储液罐401置于水浴加热箱407内，水浴加热箱407置于电控箱3的机箱主体305底部，储液罐401通过储液罐上盖403、储液罐上盖密封螺栓406密封，高速离心泵402安装于储液罐上盖403顶部溶液出口处，金属盐溶液输出管路404底端与高速离心泵402相连，金属盐溶液输出管路404沉积室入水口115相连，金属盐溶液回收管路405底部连通储液罐401，金属盐溶液回收管路405与沉积室出水口113相连，形成闭环循环管路；储液罐401具备液体杂质过滤及水域加热功能，要求溶液温度恒定并循环利用，可根据金属电化学反应需要实时调整。

一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造方法，包括下列步骤：

(1)配制金属离子盐溶液

金属盐溶液为含ni、cu、fe、cr、zn、au、ti、pt、ag离子或其各自合金的盐溶液；

例如：1)用去离子水配制出12.5g/l的硫酸铜溶液；加入30％双氧水1ml/l和活性炭2g/l搅拌半小时，静止后过滤；添加10％氯化钠1ml/l作为阳极去极化剂；另加3％纯硫酸0.1ml/l作为缓冲剂；加入少量十二烷基硫酸钠0.5g/l作为润湿剂；最后加入少比例有机添加剂糖精7g/l混合；

2)锌-镍-铁离子盐溶液的配制：用去离子水溶解工业级60g/l硫酸锌、20g/l硫酸镍和3g/l硫酸亚铁；加入40g/l硫酸作为缓冲剂，调节溶液ph值；加入250g/l焦磷酸钾作为络合剂；加入10g/l阳极的去极化剂少量的比例金属氯离子盐溶剂；最后加入少比例的有机添加剂0.4g/l1,4-丁炔二醇混合；

(2)阳极用材料制备

阳极用材料为石墨阵列电极109，将圆柱状石墨阵列(直径50微米以内)外面包裹一层具有热塑性的绝缘保护膜，通过热风枪将其封装，同时注意铂丝外表面留出1-5mm的裸露层(即不包裹绝缘保护膜处，可根据电极间电场叠加要求调整)，取一排这样封装好的石墨电极使用磨光机在另一端打磨使其露出电极阵列截面在同一水平面内，插入阵列电极基体104的基板孔内，插入孔深的3/4(裸露层朝外)并对齐，将电极控制线118插入入阵列电极基体104的基板孔内，使用石墨封装粉末117封堵基板孔；

(3)阴极用材料制备

用厚度为1-2mm的纯度为99.9％的紫铜板为阴极基板112，先进行表面预处理：依次进行机械研磨，化学除油，化学抛光，酸洗活化，吹干处理，根据3d打印需要，紫铜板经金相砂纸逐级打磨，用以去除铜板表面的氧化膜、锈斑、凹痕等宏观缺陷，提高表面平整度，降低粗糙度，在机械研磨后采用碱液除油，并用高温清洗，彻底去除表面残留物质，再次将除油后的阴极基体放入化学试剂抛光直至机械研磨产生的表面划痕消除，取出后用蒸馏水冲洗，因抛光过程中会在基体表面产生致密氧化膜，不利于电化学沉积，需对铜板进行表面活化处理，采用98％浓硫酸与37％盐酸的混合活化液10min，处理后取出用去离子水清洗，并用酒精在超声波中处理，吹干后固定阴极基板112于沉积室箱体105中；

(4)零件模型数据制作

用三维建模软件catia建立需要打印的零件模型，保存成stl格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到工作站307中，通过输出控制，按扫描路径逐层沉积成形；

(5)金属离子溶液封装

将配置好的金属离子盐溶液装入储液罐401中，通过高速离心泵402抽取，通过金属盐溶液输入管路405连通沉积室箱体105进入沉积室内；

(6)金属材料打印

参见图12，工作站307通过多轴控制卡303对xyz高精度运动平台102、z轴压电超精密驱动平台103进行运动路径、定位精度、移动速度的控制，xyz高精度运动平台102通过宏观精密移动找到对应阴极基板112打印区域，并通过z轴移动至距阴极基板112的5-10mm处(可根据需求调整)，光敏阵列板202输出端与光信号处理器304相连，光信号处理器304输出信号给多轴控制卡303，多轴控制卡303输出端连接直流电源放大器302，直流电源放大器302正极接通石墨电极阵列109作为电化学反应阳极，直流电源放大器302负极连接沉积室箱体105内的阴极基板112作为阴极，石墨电极阵列109与沉积室箱体105内的金属离子盐溶液充分接触，高速离心泵402通电后高速转动在沉积室箱体105中产生流动液体，通过光信号处理器304分解光敏阵列板202接收到的光投影图像，控制石墨电极阵列109内的对应像素点的石墨电极通放电，高速流动的金属阳离子溶液与阴极基板产生闭合回路,金属离子被迅速还原为金属原子沉积在通电状态下石墨电极阵列109对应的阴极基板112上的具体位置，生成层状二维金属结构，随着z轴压电超精密驱动平台103的精确控制，石墨电极阵列109产生精密步进位移，逐层打印出程序控制的形状金属，完成零件制造；

(7)金属盐溶液循环、过滤、加热控制

沉积室箱体105内使用后残余的金属盐溶液通过金属盐溶液回收管路404返回至储液罐401中，根据沉积室内测定的金属盐溶液温度监测仪116精确控制水浴加热箱407的温度，形成闭环；因阵列式复合电场作用下的金属材料零件电化学微纳尺度增材制造是在一个封闭系统内部进行，金属盐溶液可以循环使用，所以需要定期测定溶液中的主要离子浓度，以确保溶液成分的一致性。