一种基于多探针五轴式电化学纳米3D打印机床

本发明属于微纳加工设备，尤其涉及一种基于多探针五轴式电化学纳米3d打印机床。

背景技术：

1、微纳加工是指加工形成的部件或结构尺寸在微米或者纳米量级，微纳加工技术促进了集成电路的发展，是科技开展的一个新兴领域。目前存在三种工艺可实现微纳加工技术：平面工艺，探针工艺，模型工艺。其中平面工艺主要依赖光刻技术，利用光学—化学反响原理和化学，物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶外表或介质层上然后形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术；探针工艺是传统机械加工的延伸，此处各种微纳米尺寸的探针取代了传统机械切削工具，微纳米探针不仅包括扫描隧道探针，原子力显微探针等固态形式的探针，还包括聚焦离子束，激光束，原子束等非固态形式探针；模型工艺则是利用微纳米尺寸模具复制出相应的微纳米结构，模型工艺包括纳米压印技术，塑料模压技术和模铸技术。迄今为止，电化学3d打印是一种全新的增材制造技术，它通过基于探针技术与电化学原理将金属阳离子从溶液中还原电沉积到导电基板上制造金属微纳结构。该工艺的优点在于，可以在环境条件下沉积各种材料和合金而不会产生热损伤，并且制造成本低、精度高。另外，其优点还包括，通过逆转电位既可实现增材制造，也可实现减材制造，从而允许通过电化学溶解回收组件。然而，该技术的一个主要限制是沉积速度和效率，且在实际中使用探针技术的纳米3d打印设备只能在平面衬底上进行打印，还未能实现在平面衬底和曲面衬底上切换打印纳米结构。因此，本发明提出一种新型的电化学3d打印机床的设计，使用自由度更高的多个可旋转可摆动探针和xyz运动轴构成五轴控制系统，在同一水平移动基底实现高效高精度多种方式打印，通过辅助探针的介入不仅可实现在平面衬底上打印，还可在曲面衬底上打印，且打印出的结构均为致密均匀的微纳结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术工艺的不足，提供一种基于多探针五轴式电化学纳米3d打印机床来实现高效、高精度、多材料、任意曲面复杂微纳金属基结构的电化学3d打印。同时，此纳米3d打印设备可通过调节基于上位机开发的控制台程序来自动或手动控制五轴的运动进而使设备打印出理想结构。同时，高速摄像机可自动监测并记录在衬底上打印的结构并实时反馈到工控机平台，在工控机显示器可通过触摸屏对其进行控制，使得打印过程更加便捷与自动化。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于多探针五轴式电化学纳米3d打印机床，其特征在于，该机床主要组成有x、y、z三轴运动位移控制平台、旋转台(5)(作为第四轴)、探针摆动机构(4)(作为第五轴)、纳米3d打印探针(6)、液压微泵系统(21)、高速摄像机成像系统(15)。其中，x、y、z三轴运动位移控制平台由导杆(22)和滑块(10)拼接而成，x、y水平运动台(11)上方设有打印台基底(8)，硅基导电衬底(12)放置在打印台基底(8)上。硅基导电衬底(12)与电源(9)的阴极连接，电源(9)的阳极与纳米3d打印探针(6)连接，电源(9)同时给液压微泵(21)供电。液压微泵(21)后设有微泵推进器(20)，推进器后设有管路与纳米3d打印探针(6)尾部连接，给探针恒压供液，探针尾部同时与旋转台(5)的探针摆动机构(4)连接，旋转台(5)与电机夹具(3)通过伺服电机(2)的旋转轴相连接，工控机显示器(14)安装在隔震台(18)上，高速摄像机(15)安装在摄像机升降台(16)上。本发明可实现高效、高精度、多材料、任意曲面复杂微纳金属基结构的电化学3d打印。

4、所述z轴垂直升降台(1)与xy轴水平移动台(11)相互垂直安装，且均由伺服电机驱动控制螺旋丝杠转动实现纳米级别的高精度运动，其中，xy轴水平移动台(11)整体框架为正方形结构，由四个平滑导杆(22)、八个滑块(10)分组拼接而成，两个平滑导杆(22)为一组且平行等距，其两端与上述滑块(10)配合连接并安装在正方形导轨上实现水平滑动，另一组平滑导杆(22)和滑块(10)则以相同方式连接与上一组相互垂直放置，通过垫块(17)使两组导杆(22)和滑块(10)在不同平面上，从而实现xy轴的水平运动。

5、所述用于纳米3d打印的多个纳米3d打印探针(6)均由铜棒(23)、隔热棒(30)、密封帽(24)、密封盖(31)、橡胶垫圈(25)、辅助探针(7)、玻璃管(28)组成。其中铜棒(23)插入在玻璃管(28)内部，玻璃管(28)与隔热棒(30)插入在3d打印探针(6)内部，橡胶垫圈(25)、密封盖(31)和密封帽(24)安装在探针顶端，均起到密封作用。铜棒(23)与电源(9)的阳极连接，辅助探针(7)安装在3d打印探针(6)的侧边，针尖处相互接触，用于吸收打印探针流出的多余电解质溶液(26)，调节电解液形态。液压微泵(21)设有数量为3个(可根据实际探针数量同步增加或减少)，其末端设有相互独立的微泵推进器(20)并连接电机控制泵的推进，既控制纳米3d打印探针(6)中的电解质溶液(26)流出，还起到给探针恒压补液的作用。

6、所述工控机显示器(14)可实时控制纳米3d打印的五轴运动参数以及监测并记录打印工作区域内硅基衬底(12)电沉积的3d纳米结构，运动参数包括打印过程中伺服电机的电流、电压、电流波形、起始速度、停止速度、运行速度、运动轴号等。也可对打印工作区域中液压微泵(21)对探针(6)供液所需参数进行调整，调整操作在工控机显示器(14)处可手动调整，也可通过已设定程序进行自动调整，即自动调节五轴的协调运作、液压微泵(21)对3d打印探针(6)的恒压供液。所述运动控制器模块(19)可以使用pc机已经具有的丰富软件作为上位机对其进行开发，比如c++、labview、c#、python等，运动控制器作为下位机，其组成简单，只需把运动控制器插入pc总线，连接信号线就可组成系统，并且其代码通用性和可移植性较好，成型度高，只需执行开发好的指令即可完成高效高精度的纳米3d打印工作。

7、本发明的有益效果为：

8、本发明具有五轴运动功能，相较于目前光刻纳米技术以及采用探针的纳米打印技术等，本发明可以实现多探针垂直于硅基衬底(12)的多阵列打印，由旋转夹具(5)大角度旋转实现在硅基衬底(12)上打印多层由不同材料堆积而成的纳米3d结构。其中，只需在多个探针(6)的容器中添加不同属性的电解质溶液(26)，通过电化学反应即可实现在一个结构上逐层沉积不同材料。

9、本发明具有辅助探针机构(7)，可实现在曲面衬底上打印纳米3d结构时对电解液弯液面的形态进行调控，使得打印微纳结构的截面更加致密和工整。图3显示未添加的辅助探针(7)，图4为添加了辅助探针(7)，由此可发现，由于弯液面在曲面结构的不稳定导致其成型不均匀从而电沉积打印形成畸形纳米结构(33)，而由于辅助探针(7)调控电解质溶液(26)回流使得弯液面(29)的形态更加稳定，使弯液面对称中心在打印过程中时刻与曲面的法线重合，进而打印出更加致密更加均匀的纳米结构(34)。

10、本发明具有工控机显示器(14)，其为可触摸屏设计，在显示器上可实时控制纳米3d打印的五轴运动参数以及监测并记录打印工作区域内在硅基衬底(12)沉积的3d结构，运动参数包括打印过程中伺服电机的电流、电压、电流波形、起始速度、停止速度、运行速度、运动轴号等。工控机显示器(14)也可对打印工作区域中液压微泵(21)给探针容器供液所需参数进行调整，操作可手动调整，也可通过已设定程序进行自动调整，即自动调节五轴的协调运作、液压微泵(21)对3d打印探针(6)的恒压供液。

11、本发明具有高速摄像机(15)，下方设有摄像机升降台(16)，工控机可实时或自动控制升降台以及摄像机的对焦，自动监测纳米3d打印的沉积结构，其作为硬件均可由所述pc机已经具有的丰富软件作为上位机对其进行开发，这种摄像机常常具有开放的接口和标准，使得其更容易与其他设备和软件集成，这种可扩展性可以增加系统的功能和适应更复杂的打印需求。

12、本发明具有运动控制器模块(19)，其作为一个关键的组件，负责控制和协调纳米3d打印机中各个运动部件的精确移动，负责控制打印设备中五轴的运动。通过准确的控制，可以确保打纳米3d打印探针(6)或其他工具在空间中沿着预定的路径进行移动，从而电沉积出所需的纳米结构。其次，当需要进行复杂的运动路径时，运动控制模块(19)负责进行插补运算，以生成平滑的轨迹，避免因快速变化的运动而引起的不稳定性或振动。此外，该运动控制器模块(19)具有紧急停机和错误处理功能，以应对设备故障或其他突发状况，确保操作人员和设备的安全。