CN110284160B - 一种光诱导金属电化学3d打印装置及方法 - Google Patents

一种光诱导金属电化学3d打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光诱导金属电化学3D打印装置及方法，属于3D打印技术与金属电化学沉积技术领域。升降装置和机架安装在底板上，储液槽固定安装在升降装置上，阴极板固定于储液槽底部正中央，Z轴移动装置用螺栓穿过平台安装孔安装于机架下方，固定装置位于Z轴移动装置的中心孔正中央与机架连接，投影装置与固定装置的正下方悬挂连接，安装架通过螺栓与Z轴移动装置的负载安装孔连接、安装于Z轴移动装置正下方，阳极板安装于安装架的下端，阳极板和阴极板分别用于与电化学直流电源的阳极和阴极相连。优点是将3D打印技术与电化学沉积技术相结合，开发了金属零件3D打印的新方法，使用虚拟电极来实现微观操纵，提高打印精度，零件的性能更优越。

Description

一种光诱导金属电化学3D打印装置及方法
技术领域
本发明属于3D打印技术与金属电化学沉积技术领域，具体涉及一种光诱导金属电化学3D打印装置。
背景技术
3D打印是一种以三维CAD设计数据为基础，运用粉末状金属或聚合物等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
金属电化学3D技术通过还原溶液中的金属离子，定向沉积被还原生成的金属原子到阴极板的相应位置上。与传统的金属增材制造方法(选择性激光烧结、选择性激光熔融等)相比，无需昂贵的激光发生器或特定的惰性气体环境，成本较低，且打印的零件内部不会产生热应力。
光诱导介电泳是一种将光学电极与介电泳方法相结合的新型操纵技术。该技术利用光敏材料(如氢化非晶硅)在无光照和有光照条件下的截止和导通特性，在具有光敏材料的光诱导介电泳芯片上形成虚拟电极，进而使悬浮液中的被操纵对象(如细胞、纳米线、微纳米离子、DNA分子等)因介电泳力的作用而运动。
发明内容
本发明提供一种光诱导金属电化学3D打印装置及方法，以解决传统介电泳技术中金属电极制作过程繁琐、可重构性差的问题。
本发明采取的技术方案是：包括底板、储液槽、升降装置、机架、Z轴移动装置、固定装置、投影装置、安装架、阳极板、阴极板，其中升降装置和机架安装在底板上，储液槽固定安装在升降装置上，阴极板固定于储液槽底部正中央，Z轴移动装置用螺栓穿过平台安装孔安装于机架下方，固定装置位于Z轴移动装置的中心孔正中央与机架连接，投影装置与固定装置的正下方悬挂连接，安装架通过螺栓与Z轴移动装置的负载安装孔连接、安装于Z轴移动装置正下方，阳极板安装于安装架的下端，阳极板和阴极板分别用于与电化学直流电源的阳极和阴极相连；
本发明所述升降装置包括伺服电机、导轨、丝杠、升降机架和载物台，其中伺服电机固定连接在升降机架上，丝杠与伺服电机输出轴固定连接，两根导轨与升降机架固定连接，载物台与丝杠螺纹连接、还与两根导轨滑动连接；
本发明所述Z轴移动装置包括平台安装孔、负载安装孔、动平台、静平台、柔性垫圈、压电陶瓷，其中压电陶瓷安装在静平台中，柔性垫圈安装在压电陶瓷下方，动平台与柔性垫圈连接；
所述Z轴移动装置的动平台行程范围100μm、分辨率3nm，中心孔径100×100mm、承载能力30N。
本发明所述投影装置能够将具有特定形状微米尺寸的平行光束照在阳极板上。
本发明述阳极板包括电源阳极连接装置、导电玻璃板、氢化非晶硅层，其中氢化非晶硅层沉积在导电玻璃板下表面，电源阳极连接装置与导电玻璃板连接、用于与电化学直流电源的阳极相连。
所述导电玻璃板厚度为5mm，氢化非晶硅层厚度为0.8-1.2μm。
本发明所述阴极板包括基板和电源阴极连接处，其中基板为厚度为3mm后的铜板，电源阴极连接处用于连接电化学直流电源的阴极。
一种光诱导金属电化学3D打印方法，包括下列步骤：
(1)金属离子溶液配制
配制的材料为单一金属离子的盐溶液，将粉末状硫酸盐溶于去离子水，加入适量的浓硫酸用于稳定溶液pH值，抑制阴极板表面氢气的析出，改善沉积表面减少孔状结构；
(2)零件模型数据转化
用Catia软件构建零件模型，将模型从Z方向切片分层处理，使每层厚度为纳米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
(3)金属离子溶液注入
将阴极板固定在储液槽中央,把金属离子溶液注入储液槽中，使金属离子溶液的液面高度高于阴极板上表面2mm；升降装置将载物台移动到装置的最高位置，使阳极板下表面与阴极板上表面竖直方向的距离为5-10微米，
(4)金属零件打印
将阳极板和阴极板与电化学直流电源的阳极和阴极导线相连，打开电化学直流电源；
打开投影装置，使投影装置将模型每层的图形信息转化为特定截面形状的平行光束，照射在阳极板上，阳极板下表面会形成与光束截面形状相同的虚拟电极，该区域下方的溶液中的金属阳离子在电流作用下，得到电子被还原成金属，沉积在阴极板上形成金属层，并且该金属层具有与导电区域截面相同的形状；光束的截面几何形状会根据金属模型的切片数据时刻变化，随着Z轴移动装置移动，逐步打印出金属零件；
(5)零件的清洗及干燥
打印结束后，关闭电化学直流电源，将阳极板和阴极板与电化学直流电源的阳极和阴极导线断开，升降装置将载物台移动到装置的底端，用镊子将阴极板从溶液中取出，清洗零件并干燥。
本发明优点如下：
(1)本发明将3D打印技术与电化学沉积技术相结合，开发了金属零件3D打印的新方法，使用虚拟电极来实现微观操纵，解决了传统介电泳技术中金属电极制作过程繁琐、可重构性差的缺点；
(2)本发明用光诱导生成的特定形状的虚拟电极取代了X、Y轴的成形，消除了X、Y轴移动装置重复定位产生的误差，提高打印精度；
(3)本发明用于微米级金属零件制造，在航空航天、医疗、电子等精密机械制造领域具有潜力；
(4)本发明避免在金属零件内部产生残余的内应力，零件的性能更优越；
(5)本发明大大降低了3D打印金属零件的生产成本，具有巨大的经济价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明机架、Z轴移动装置、固定装置、投影装置、安装架、阳极板的连接关系示意图；
图3是本发明升降装置的结构示意图；
图4是本发明Z轴移动装置的仰视图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是本发明阳极板的结构示意图；
图7是本发明阴极板的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，包括底板1、储液槽2、升降装置3、机架4、Z轴移动装置5、固定装置6、投影装置7、安装架8、阳极板9、阴极板10，其中升降装置3和机架4安装在底板1上，储液槽2固定安装在升降装置3上，阴极板10固定于储液槽2底部正中央，Z轴移动装置5用螺栓穿过平台安装孔501安装于机架4下方，使Z轴移动装置5的底面与机架相接触，固定装置6位于Z轴移动装置5的中心孔正中央与机架4连接，投影装置7与固定装置6的正下方悬挂连接，安装架8通过螺栓与Z轴移动装置5的负载安装孔502连接、安装于Z轴移动装置5正下方，阳极板9安装于安装架8的下端，阳极板9和阴极板10分别用于与电化学直流电源的阳极和阴极相连；
如图3所示，本发明所述升降装置3，包括伺服电机301、导轨302、丝杠303、升降机架304和载物台305，其中伺服电机301固定连接在升降机架304上，丝杠303与伺服电机301输出轴固定连接，两根导轨302与升降机架304固定连接，载物台305与丝杠303螺纹连接、还与两根导轨302滑动连接；
伺服电机301是升降装置3的动力部分，丝杠303在伺服电机301的带动下，使载物台305能够在竖直方向移动，Z轴移动装置的行程小，升降装置3能够补偿阳极板9和阴极板10竖直方向的距离，还便于将阴极板10的取出和安装。
如图4、5所示，本发明所述Z轴移动装置5包括平台安装孔501、负载安装孔502、动平台503、静平台504、柔性垫圈505、压电陶瓷506，其中压电陶瓷506安装在静平台504中，柔性垫圈505安装在压电陶瓷506下方，动平台503与柔性垫圈505连接；
Z轴移动装置5的动平台503行程范围100μm、分辨率3nm，中心孔径100×100mm、承载能力30N，其工作原理为压电陶瓷506在电场作用下，沿Z轴方向产生微小的形变量，从而实现装置在Z方向的进给。
本发明所述投影装置7能够将具有特定形状微米尺寸的平行光束照在阳极板9上。
如图6所示，本发明述阳极板9，包括电源阳极连接装置901、导电玻璃板902、氢化非晶硅层903，其中氢化非晶硅层903沉积在导电玻璃板902下表面，电源阳极连接装置901与导电玻璃板902连接、用于与电化学直流电源的阳极相连。
氢化非晶硅是光敏材料，室温无光照条件下，其电导率可达到10-10S/cm，近乎绝缘；室温光照条件下，其电导率可达到10-5S/cm，即无光照时的电阻值与无光照时的电阻值之比可达到105。
氢化非晶硅层是用气相沉积法沉积在导电玻璃的下表面，阳极板的四周进行绝缘处理，使阳极板在无光照条件下，只有上表面能够导电；导电玻璃板厚度为5mm，氢化非晶硅层厚度为0.8-1.2μm。
如图7所示，本发明所述阴极板10，包括基板1001和电源阴极连接处1002，其中基板1001为厚度为3mm后的铜板，电源阴极连接处1002用于连接电化学直流电源的阴极。
工作原理：氢化非晶硅层903在室温无光照条件下，电阻值较大，近乎绝缘，在电化学直流电源的工作电压下，流过的电流极其微小，不足以使电解反应开始。当投影装置7关闭时，电化学直流电源打开，阳极板9、溶液、阴极板10组成的电路相当于开路，溶液中不会发生电解反应；当投影装置7打开时，光束照射在阳极板9上，氢化非晶硅层903的被光照区域电阻急剧减小，形成与光束截面形状相同的导电区域，称该导电区为虚拟电极，虚拟电极区域会有电流通过，在虚拟电极下方溶液中的金属离子的得到电子被还原成金属，沉积在阴极板10上形成与虚拟电极形状相同的金属层，配合高精度Z轴移动装置5，逐层累积金属层，完成打印工作。
一种光诱导金属电化学3D打印方法，包括下列步骤：
(1)金属Cu离子溶液配制
将粉末状硫酸铜溶于去离子水，浓度为80g/L，加入适量的浓硫酸用于稳定溶液pH值，抑制阴极板10表面氢气的析出，改善沉积表面减少孔状结构，加入适量的有机添加剂糖精，浓度为7g/L，用于抑制晶粒长大，促进晶粒形成，起到晶粒细化的作用，改善成形件的表面质量；
(2)零件模型数据转化
用Catia软件构建零件模型，将模型从Z方向切片分层处理，使每层厚度为纳米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
(3)金属离子溶液注入
将阴极板10固定在储液槽2中央,把金属离子溶液注入储液槽2中，使金属离子溶液的液面高度高于阴极板10上表面2mm；升降装置3将载物台305移动到装置的最高位置，使阳极板9下表面与阴极板10上表面竖直方向的距离为5-10微米，
(4)金属零件打印
将阳极板9和阴极板10与电化学直流电源的阳极和阴极导线相连，打开电化学直流电源；
打开投影装置7，计算机控制投影装置7，使投影装置7将模型每层的图形信息转化为特定截面形状的平行光束，以特定的速率照射在阳极板9上，阳极板9下表面会形成与光束截面形状相同的虚拟电极，该区域下方的溶液中的金属阳离子在电流作用下，得到电子被还原成金属，沉积在阴极板上形成金属层，并且该金属层具有与导电区域截面相同的形状；光束的截面几何形状会根据金属模型的切片数据时刻变化，随着Z轴移动装置5移动，逐步打印出金属零件；
(5)零件的清洗及干燥
打印结束后，关闭电化学直流电源，将阳极板9和阴极板10与电化学直流电源的阳极和阴极导线断开，升降装置将载物台305移动到装置的底端，用镊子将阴极板10从溶液中取出，清洗零件并干燥。

Claims (9)

1.一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：包括底板、储液槽、升降装置、机架、Z轴移动装置、固定装置、投影装置、安装架、阳极板、阴极板，其中升降装置和机架安装在底板上，储液槽固定安装在升降装置上，阴极板固定于储液槽底部正中央，Z轴移动装置用螺栓穿过平台安装孔安装于机架下方，固定装置位于Z轴移动装置的中心孔正中央与机架连接，投影装置与固定装置的正下方悬挂连接，安装架通过螺栓与Z轴移动装置的负载安装孔连接、安装于Z轴移动装置正下方，阳极板安装于安装架的下端，阳极板和阴极板分别用于与电化学直流电源的阳极和阴极相连。
2.根据权利要求1所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述升降装置包括伺服电机、导轨、丝杠、升降机架和载物台，其中伺服电机固定连接在升降机架上，丝杠与伺服电机输出轴固定连接，两根导轨与升降机架固定连接，载物台与丝杠螺纹连接、还与两根导轨滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述Z轴移动装置包括平台安装孔、负载安装孔、动平台、静平台、柔性垫圈、压电陶瓷，其中压电陶瓷安装在静平台中，柔性垫圈安装在压电陶瓷下方，动平台与柔性垫圈连接。
4.根据权利要求2所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述Z轴移动装置的动平台行程范围100μm、分辨率3nm，中心孔径100×100mm、承载能力30N。
5.根据权利要求1所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述投影装置能够将具有特定形状微米尺寸的平行光束照在阳极板上。
6.根据权利要求1所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：述阳极板包括电源阳极连接装置、导电玻璃板、氢化非晶硅层，其中氢化非晶硅层沉积在导电玻璃板下表面，电源阳极连接装置与导电玻璃板连接、用于与电化学直流电源的阳极相连。
7.根据权利要求6所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述导电玻璃板厚度为5mm，氢化非晶硅层厚度为0.8-1.2μm。
8.根据权利要求1所述的一种光诱导金属电化学3D打印装置，其特征在于：所述阴极板包括基板和电源阴极连接处，其中基板为厚度为3mm后的铜板，电源阴极连接处用于连接电化学直流电源的阴极。
9.采用如权利要求1所述的光诱导金属电化学3D打印装置的打印方法，其特征在于：包括下列步骤：
(1)金属离子溶液配制
配制的材料为单一金属离子的盐溶液，将粉末状硫酸盐溶于去离子水，加入适量的浓硫酸用于稳定溶液pH值，抑制阴极板表面氢气的析出，改善沉积表面减少孔状结构；
(2)零件模型数据转化
用Catia软件构建零件模型，将模型从Z方向切片分层处理，使每层厚度为纳米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
(3)金属离子溶液注入
将阴极板固定在储液槽中央,把金属离子溶液注入储液槽中，使金属离子溶液的液面高度高于阴极板上表面2mm；升降装置将载物台移动到装置的最高位置，使阳极板下表面与阴极板上表面竖直方向的距离为5-10微米，
(4)金属零件打印
将阳极板和阴极板与电化学直流电源的阳极和阴极导线相连，打开电化学直流电源；
打开投影装置，使投影装置将模型每层的图形信息转化为特定截面形状的平行光束，照射在阳极板上，阳极板下表面会形成与光束截面形状相同的虚拟电极，该区域下方的溶液中的金属阳离子在电流作用下，得到电子被还原成金属，沉积在阴极板上形成金属层，并且该金属层具有与导电区域截面相同的形状；光束的截面几何形状会根据金属模型的切片数据时刻变化，随着Z轴移动装置移动，逐步打印出金属零件；
(5)零件的清洗及干燥
打印结束后，关闭电化学直流电源，将阳极板和阴极板与电化学直流电源的阳极和阴极导线断开，升降装置将载物台移动到装置的底端，用镊子将阴极板从溶液中取出，清洗零件并干燥。
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