加工变直径金属结构的电化学3D打印装置及打印方法

本发明涉及电化学金属3d打印，特别涉及一种微纳加工变直径金属结构的电化学金属3d打印的装置及打印方法。

背景技术：

1、3d打印技术是通过逐层固化材料来制备复杂3d形状，主要在航空、汽车和医疗应用中得到工业应用，目前金属3d打印领域成熟的工艺有选择性激光熔化（slm）、电子束熔化（ebm），但其受到金属颗粒尺寸和热量损失迅速等因素约束，其最小打印线宽只有几十微米。电化学金属3d打印是一种利用电解质溶液构建通路，电解质溶液内的金属离子通过电化学的方式在阴极基底上还原为金属单质的过程，由于不需要特殊热源和特殊原料的制备，因此电化学金属3d打印成本更低。

2、综合来看，电化学金属3d打印技术可以进一步缩小金属3d打印的尺寸，且成本较低，但目前金属微纳打印技术领域采用固定口径的喷嘴进行电化学金属3d打印，对于变直径出液器的方式沉积以及针对微纳结构的金属打印过程中对打印质量的检测手段鲜有所闻，因此，有必要研发一种微纳加工变直径金属结构的电化学金属3d打印的装置。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种加工变直径金属结构的电化学3d打印装置及打印方法，以实现变径加工变直径金属的目的。

2、为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供的是一种加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，包括：

3、——支撑台；

4、——x-y-z轴方向运动平台，x-y-z轴方向运动平台被安装在支撑台的上部；

5、——x-y-z-r轴方向运动平台，x-y-z-r轴方向运动平台被安装在支撑台的下部；

6、——计算机，所述计算机分别与x-y-z轴方向运动平台、x-y-z-r轴方向运动平台信号连接，用于控制x-y-z轴方向运动平台和x-y-z-r轴方向运动平台做三维运动；

7、——储液盒，储液盒固定于x-y-z轴方向运动平台下部，储液盒内填充有用于打印金属的电解质溶液；

8、——出液器，所述出液器可拆卸安装在储液盒底部，电解质溶液依靠自身重力浸润出液器口；根据所需打印变直径金属的尺寸，选择相应直径的喷嘴；

9、——阳极线，所述阳极线前端连接延伸至储液盒内部，阳极线末端连接供电控制器的正极端；

10、——阴极基底，所述阴极基底放置在x-y-z-r轴方向运动平台上，阴极基底连接至供电控制器的负极端，电解质溶液在阴极基底与出液器之间形成弯液面。

11、进一步地，包括用于呈现实时的打印过程中的电流图像的电流检测器，电流检测器的正极端连接阳极线，电流检测器的负极端接入到阴极基底；电流检测器内设置电流阈值，根据电流阈值，由计算机对x-y-z-r轴方向运动平台的撤退速度进行调节，使电流大小降低到所设电流阈值以下，保持弯液面高度。

12、进一步地，包括实时监测系统，所述实时监测系统为高倍率工业相机，用于获取并回传打印时的实时监测图像。

13、进一步地，储液盒底部装有密封球，出液器上部安装在密封球中。

14、根据本发明的另一方面，提供一种加工变直径金属结构的电化学3d打印方法，采用以上所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，包括以下步骤：

15、步骤一，选取好所需打印金属尺寸的出液器直径，并配制好所需打印金属的电解质溶液，将其填充至储液盒中；

16、步骤二，在实时监测系统的实时观测下，利用计算机控制x-y-z轴方向运动平台的运动，将装有电解质溶液的出液器移至初始打印位置；由计算机控制x-y-z-r轴方向运动平台的高度，使放置在x-y-z-r轴方向运动平台上的阴极基板与出液器口接触形成弯液面；

17、步骤三，打印开始时，供电控制器为阳极线以及阴极基板提供电流和电压，电流检测器提供电流反馈，当电流超出所设定电流阈值时，调整x-y-z-r轴方向运动平台的回撤速度撤回阴极基底，使电流降至电流阈值以下以保持弯液面高度不变；完成所需打印金属的尺寸加工后，调节x-y-z-r轴方向运动平台控制阴极基底回撤至初始位置，完成初步金属结构的加工；

18、步骤四，在实时监测系统的实时观测下将出液器移动至合适位置，重复步骤一至步骤三，达到最终目标尺寸的时候停止加工。

19、进一步地，步骤三中，根据电流检测器设置的电流阈值，结合观察实时监测系统回传计算机上的实时图像，对x-y-z-r轴方向运动平台的回撤速度进行调节，当电流大小降低到所设阈值以下时，保持弯液面高度不变，当电流大小再次超过所设阈值时，再次对x-y-z-r轴方向运动平台的撤退速度进行调节。

20、进一步地，需要更换其他口径出液器时，根据所需打印金属尺寸，更换相适应的出液口下部的喷嘴即可，以完成变直径金属结构的加工。

21、本发明所涉及的打印的金属为可进行电化学沉积的金属材料，且可以根据打印需求打印不同尺寸的金属结构。根据本发明提供的技术方案，电解质溶液将出液器底部浸润后，与阴极基板接触形成弯液面，通过调节阴极基板的撤退速度来维持弯液面的稳定性，通过电流检测器以及实时监测系统判断打印质量。当加工不同直径的金属柱结构时，更换不同口径的出液器，随后再次进行金属电化学沉积，直至加工过程结束。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明中，由于出液器直径可以根据打印需求进行更换以及采用了电化学沉积的工作方式，解决了传统金属3d打印时由于金属粉末颗粒尺寸以及散热快的因素限制金属加工尺寸的问题，可以制作微纳级别的电化学金属3d打印机。

24、本发明中，由于打印质量可以由电流检测器提供实时电流反馈以及实时监测系统提供实时打印画面来判断，可以用于微纳级别的电化学金属3d打印机的打印质量判断。

25、此外，本发明在打印金属前不需要像传统的金属3d打印机一样需要准备特殊的金属粉末以及昂贵的热源，解决了传统3d打印金属时成本高的问题。本发明的设备构造简易，更换零件时操作简单，且具有成本低、高效率等优点。

技术特征：

1.一种加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，其特征在于：包括用于呈现实时的打印过程中的电流图像的电流检测器，电流检测器的正极端连接阳极线，电流检测器的负极端接入到阴极基底；电流检测器内设置电流阈值，根据电流阈值，由计算机对x-y-z-r轴方向运动平台的撤退速度进行调节，使电流大小降低到所设电流阈值以下，保持弯液面高度。

3.根据权利要求2所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，其特征在于：包括实时监测系统，所述实时监测系统为高倍率工业相机，用于获取并回传打印时的实时监测图像。

4.根据权利要求3所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，其特征在于：储液盒底部装有密封球，出液器上部安装在密封球中。

5.一种加工变直径金属结构的电化学3d打印方法，其特征在于：采用如权利要求3或4所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印装置，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印方法，其特征在于：步骤三中，根据电流检测器设置的电流阈值，结合观察实时监测系统回传计算机上的实时图像，对x-y-z-r轴方向运动平台的回撤速度进行调节，当电流大小降低到所设阈值以下时，保持弯液面高度不变，当电流大小再次超过所设阈值时，再次对x-y-z-r轴方向运动平台的撤退速度进行调节。

7.根据权利要求5或6所述的加工变直径金属结构的电化学3d打印方法，其特征在于：需要更换其他口径出液器时，根据所需打印金属尺寸，更换相适应的出液口下部的喷嘴即可，以完成变直径金属结构的加工。

技术总结本发明公开了一种加工变直径金属结构的电化学3D打印装置及打印方法，X‑Y‑Z轴方向运动平台和X‑Y‑Z‑R轴方向运动平台分别被安装在支撑台的上部和下部。储液盒固定于X‑Y‑Z轴方向运动平台下部，出液器可拆卸安装在储液盒底部，阴极基底放置在X‑Y‑Z‑R轴方向运动平台上。电解液将出液器底部浸润后，与阴极基板接触形成弯液面，通过调节阴极基板的撤退速度来维持弯液面的稳定性，通过电流检测器以及实时监测系统判断打印质量。当加工不同直径的金属柱结构时，更换不同口径的出液器，随后再次进行金属电化学沉积，直至加工过程结束。本发明的设备构造简易，更换零件时操作简单，且具有成本低、高效率等优点。技术研发人员：李微,胡冈昌,毕金莲,刘鹏受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18