CN112251779B - 一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法，属于电化学沉积技术领域；包括气浮平台，气浮平台上设置有位置移动组件，位置移动组件包括与气浮平台连接的X向运动单元，X向运动单元上连接有直角换向块，直角换向块的竖直端面固定Z向运动单元，Z向运动单元上设置有Y向运动单元；Z向运动单元远离Y向运动单元的一侧设置有电化学反应系统，电化学反应系统的上方设置有打印系统，下方设置有微阳极系统；电化学反应系统的一侧设置有电解质溶液供给系统；气浮平台上还设置有中央控制单元，中央控制单元内部设置有加工程序，以控制加工时间和加工顺序。本发明解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

Description

一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法

技术领域

本发明属于电化学沉积技术领域，尤其涉及一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法。

背景技术

电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。其在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用，成为当前世界上十分关注的研究课题。

电化学微增材制造技术是电化学领域的一个分支，局域电化学沉积是电化学微增材制造技术中的一种方法，其通过外加电压驱动溶液中的金属离子还原到导电基材上而产生金属结构。相对于传统金属切削减材制造模式不同，这是一种“自下而上”通过材料累加的增材制造方法，从无到有。增材制造使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

局域电化学沉积技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种能够实现脉冲辅助电极跟随电化学反应池运动，减小阳极供给液滴体积提高精度的微米级局域电化学沉积装置。

为实现上述目的，本发明的一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法的具体技术方案如下：

一种微米级局域电化学沉积装置，包括气浮平台，所述气浮平台上设置有位置移动组件，所述位置移动组件包括与气浮平台连接的X向运动单元，所述X向运动单元上连接有直角换向块，所述直角换向块的竖直端面固定Z向运动单元，所述Z向运动单元上设置有Y向运动单元；

所述Z向运动单元远离Y向运动单元的一侧设置有电化学反应系统，所述电化学反应系统的上方设置有打印系统，下方设置有微阳极系统，且所述打印系统和微阳极系统相互配合工作；

所述电化学反应系统的一侧设置有电解质溶液供给系统，且所述电解质溶液供给系统与电化学反应系统连接；

所述气浮平台上还设置有中央控制单元，所述中央控制单元内部设置有加工程序，且所述加工程序与位置移动组件、电化学反应系统、电解质溶液供给系统、打印系统和微阳极系统通过数据线或无线通信连接，以控制加工时间和加工顺序。

进一步，所述X向运动单元、Y向运动单元以及Z向运动单元均包括底板、导轨、滑块、丝杠和电机，所述电机主轴末端与丝杠连接，所述丝杠与滑块连接，所述滑块设置在导轨上，且滑块沿导轨方向往复移动。

进一步，所述气浮平台上通过螺栓与垫块连接，所述X向运动单元通过螺栓与垫块连接；

所述直角换向块通过螺栓固定在X向运动单元的滑块上，在直角换向块的竖直端面通过螺栓固定Z向运动单元，所述Z向运动单元的滑块上通过螺栓设置有Y向运动单元。

进一步，所述电化学反应系统包括L形转接块、电化学反应池、参比电极，所述L形转接块一端面与Y向运动单元的滑块通过螺栓连接；

所述电化学反应池设置在L形转接块另一端面上部，电化学反应池内部填充有H₂SO₄与HCl的混合溶液，所述参比电极插入电化学反应池中，所述电化学反应池与电解质溶液供给系统连接。

进一步，所述打印系统包括纳米流体供给装置、纳米流体输送装置和探针，所述纳米流体供给装置安装在气浮平台上，所述纳米流体输送装置的一端安装在纳米流体供给装置上，另一端安装有探针；

所述探针针头伸入电化学反应池混合溶液内部。

进一步，所述微阳极系统包括微阳极导轨、微阳极滑块、脉冲辅助电极，所述微阳极导轨通过螺栓固定在气浮平台上，所述微阳极滑块滑动设置在微阳极导轨上；

所述脉冲辅助电极一端与微阳极滑块连接，另一尖端与L形转接块接触，且脉冲辅助电极尖端的X、Y坐标与探针一致，并且具有主动跟随功能，控制脉冲辅助电极尖端同步跟随电化学反应池在Z方向上的运动。

进一步，所述X向运动单元、Y向运动单元、Z向运动单元以及微阳极系统内部均设置有压电陶瓷精密移动部件。

进一步，所述L形转接块和电化学反应池均由塑料ABS材料制成。

进一步，所述探针由拉制玻璃制成。

本发明还提供了一种应用所述的微米级局域电化学沉积装置的方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一：将阴极基底用酒精擦拭干净，然后放入超声波清洗机中清洗，取出干燥后固定在电化学反应池上；

步骤二：在电解质溶液供给系统中充入充足的H₂SO₄和HCl的混合溶液，在纳米流体供给装置中充入足够的CuSO₄溶液；

步骤三：将探针清洗干净，给纳米流体供给装置施加一定压力直到纳米流体输送装置及探针内填充保持稳定。

步骤四：手动旋转微阳极导轨后方旋钮，使脉冲辅助电极快速接近电化学反应池底部，后利用压电陶瓷精密移动部件控制脉冲辅助电极慢速接近L形转接块直至接触；

步骤五：电解质溶液供给系统供给溶液至探针尖端的孔在工作过程中均处于电解质溶液浸没状态；

步骤六：给三电极体系通电，纳米流体供给装置加大一定压力，根据MATLAB预设程序进行打印，加工过程中脉冲辅助电极跟随电化学反应池Z向移动，且在打印完一个体单元之后，中央控制单元控制脉冲辅助电极处于脉冲不放电阶段，打印下一个体单元时，脉冲辅助电极处于脉冲放电阶段；

步骤七：在全部体单元打印完成后，将电化学反应池内的电解质溶液抽回到电解质溶液供给系统中，取出阴极基底，打印过程结束。

本发明的一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法具有以下优点：

1、利用微米级局域电化学沉积技术可以减少加工工序，快速制造复杂零部件；

2、加工过程中，阳极探针溶液出孔完全浸入电解质溶液中，可有效减小一次供给的液滴体积，提高沉积精度；

3、通过增加脉冲辅助电极，可以实现精准沉积，减小沉积误差。

附图说明

图1为本发明微米级局域电化学沉积装置的结构示意图。

图2为本发明微米级局域电化学沉积装置X、Y、Z向运动单元结构示意图。

图3为本发明微米级局域电化学沉积装置位置移动组件结构示意图。

图4为本发明微米级局域电化学沉积装置打印系统结构示意图。

图5为本发明微米级局域电化学沉积装置微阳极系统结构示意图。

图中标记说明：1、气浮平台；2、位置移动组件；201、垫块、202、X向运动单元；203、直角换向块；204、Z向运动单元；205、Y向运动单元；211、底板；212、导轨；213、滑块；214、丝杠；215、电机；3、电化学反应系统；301、L形转接块；302、电化学反应池；303、参比电极；4、阴极基底；5、电解质溶液供给系统；6、打印系统；601、纳米流体供给装置；602、纳米流体输送装置；603、探针；7、微阳极系统；701、微阳极导轨；702、微阳极滑块；703、脉冲辅助电极；8、中央控制单元。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种微米级局域电化学沉积装置及其工作方法做进一步详细的描述。

如图1-图5所示，本发明一种微米级局域电化学沉积装置，包括气浮平台1、位置移动组件2、电化学反应系统3、阴极基底4、电解质溶液供给系统5、打印系统6、微阳极系统7、中央控制单元8；

所述气浮平台1上设置有垫块201；

如图2和图3所示，位置移动组件2包含X向运动单元202、Y向运动单元205以及Z向运动单元204，所述X向运动单元202、Y向运动单元205以及Z向运动单元204均包括底板211、导轨212、滑块213、丝杠214和电机215，所述电机215主轴末端与丝杠214连接，所述丝杠214与滑块213连接，所述滑块213设置在导轨212上，且滑块213沿导轨212方向往复移动；

如图3所示，垫块201通过螺栓与气浮平台1连接，X向运动单元202通过螺栓与垫块201连接，直角换向块203通过螺栓固定在X向运动单元202的滑块213上，在直角换向块203的竖直端面通过螺栓固定Z向运动单元204，所述的Y向运动单元205通过螺栓固连在Z向运动单元204的滑块213上。

如图1所示，所述电化学反应系统3包括L形转接块301、电化学反应池302、参比电极303，所述L形转接块301由塑料ABS材料制成，一端面与Y向运动单元的滑块213通过螺栓连接，所述电化学反应池302由塑料ABS材料制成并设置在L形转接块301另一端面上部，电化学反应池302内部填充有H₂SO₄与HCl的混合溶液，所述参比电极303插入电化学反应池302中，所述电化学反应池302与电解质溶液供给系统5连接；

如图4所示，所述打印系统6包括纳米流体供给装置601、纳米流体输送装置602和探针603，所述纳米流体供给装置601安装在气浮平台1上，所述纳米流体输送装置的一端安装在纳米流体供给装置601上，另一端安装有探针603，所述探针603针头直径为2μm并伸入电化学反应池302混合溶液内部；

如图5所示，所述微阳极系统7包括微阳极导轨701、微阳极滑块702、脉冲辅助电极703，所述微阳极导轨701通过螺栓固定在气浮平台1上，所述微阳极滑块702滑动设置在微阳极导轨701上，具体为，贯穿所述微阳极导轨701设置有旋钮，所述旋钮与微阳极滑块702螺纹连接，顺时针旋转时，微阳极滑块702将与微阳极导轨701紧密接触，使得微阳极滑块702固定在微阳极导轨701的指定位置，当需要改变微阳极滑块702的位置时，逆时针旋转旋钮，以解除微阳极导轨701和微阳极滑块702间的锁定，即可上下滑动微阳极滑块702，至指定位置时在反方向旋转旋钮将其固定在该位置上；

所述脉冲辅助电极703一端与微阳极滑块702连接，另一尖端与L形转接块301接触，且脉冲辅助电极703尖端的X、Y坐标与探针603一致，并且具有主动跟随功能，控制脉冲辅助电极703尖端同步跟随电化学反应池302在Z方向上的运动，此设备采用三电极体系，脉冲辅助电极703为辅助电极，由Pt材料制成，尖端直径为1μm，工作电极为阴极基底4，参比电极303为Ag/AgCl电极；

在本实施方式中，所述X向运动单元202、Y向运动单元205、Z向运动单元204以及微阳极系统7内部均设置有压电陶瓷精密移动部件，进行慢速亚微米级移动和定位。

在本实施方式中，所述探针603由拉制玻璃制成，可以喷射出导电电解质溶液，作为阳极，施加电压，形成电势差，驱动金属离子电迁移，在阴极表面形成电沉积固化物。

在本实施方式中，所述中央控制单元8设置在气浮平台1上，内部设置有加工程序，与位置移动组件2、电化学反应系统3、电解质溶液供给系统5、打印系统6、微阳极系统7通过数据线或无线通信连接，控制加工时间和加工顺序。

一种微米级局域电化学沉积装置的工作方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一：将阴极基底4用酒精擦拭干净，然后放入超声波清洗机中清洗，取出干燥后固定在电化学反应池302上；

步骤二：在电解质溶液供给系统5中充入充足的H₂SO₄和HCl的混合溶液，在纳米流体供给装置601中充入足够的CuSO₄溶液；

步骤三：将探针603清洗干净，给纳米流体供给装置601施加一定压力直到纳米流体输送装置602及探针603内填充保持稳定，溶液既不会被推入也不会流出。

步骤四：手动旋转微阳极导轨701后方旋钮，使脉冲辅助电极703快速接近电化学反应池302底部，后利用压电陶瓷精密移动部件控制脉冲辅助电极703慢速接近电化学反应池302直至接触；

步骤五：电解质溶液供给系统5供给溶液至探针603尖端的孔在工作过程中均处于电解质溶液浸没状态，如此可以克服纳米流体供给装置601供给的液滴分子间的引力，有效减小一次供给的液滴体积，提高沉积精度；

步骤六：给三电极体系通电，纳米流体供给装置601加大一定压力，根据MATLAB预设程序进行打印，加工过程中脉冲辅助电极703跟随电化学反应池302的Z向移动，且在打印完一个体单元之后，中央控制单元8控制脉冲辅助电极703处于脉冲不放电阶段，如此可使在电化学反应池302移动到下一个位置前无多余沉积，打印下一个体单元时，脉冲辅助电极703处于脉冲放电阶段；

步骤七：在全部体单元打印完成后，将电化学反应池302内的电解质溶液抽回到电解质溶液供给系统5中，取出阴极基底4，打印过程结束。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，包括气浮平台(1)，所述气浮平台(1)上设置有位置移动组件(2)，所述位置移动组件(2)包括与气浮平台(1)连接的X向运动单元(202)，所述X向运动单元(202)上连接有直角换向块(203)，所述直角换向块(203)的竖直端面固定Z向运动单元(204)，所述Z向运动单元(204)上设置有Y向运动单元(205)；

所述Z向运动单元(204)远离Y向运动单元(205)的一侧设置有电化学反应系统(3)，所述电化学反应系统(3)的上方设置有打印系统(6)，下方设置有微阳极系统(7)，且所述打印系统(6)和微阳极系统(7)相互配合工作；

所述电化学反应系统(3)的一侧设置有电解质溶液供给系统(5)，且所述电解质溶液供给系统(5)与电化学反应系统(3)连接；所述电化学反应系统(3)包括L形转接块(301)和电化学反应池(302)，所述L形转接块(301)一端面与Y向运动单元(205)的滑块(213)通过螺栓连接，所述电化学反应池(302)设置在L形转接块(301)另一端面上部；

所述气浮平台(1)上还设置有中央控制单元(8)，所述中央控制单元(8)内部设置有加工程序，且所述加工程序与位置移动组件(2)、电化学反应系统(3)、电解质溶液供给系统(5)、打印系统(6)和微阳极系统(7)通过数据线或无线通信连接，以控制加工时间和加工顺序；

所述打印系统(6)包括纳米流体供给装置(601)、纳米流体输送装置(602)和探针(603)，所述纳米流体供给装置(601)安装在气浮平台(1)上，所述纳米流体输送装置(602)的一端安装在纳米流体供给装置(601)上，另一端安装有探针(603)；

所述探针(603)针头伸入电化学反应池(302)混合溶液内部；

所述微阳极系统(7)包括微阳极导轨(701)、微阳极滑块(702)、脉冲辅助电极(703)，所述微阳极导轨(701)通过螺栓固定在气浮平台(1)上，所述微阳极滑块(702)滑动设置在微阳极导轨(701)上；

所述脉冲辅助电极(703)一端与微阳极滑块(702)连接，另一尖端与L形转接块(301)接触，且脉冲辅助电极(703)尖端的X、Y坐标与探针(603)一致，并且具有主动跟随功能，控制脉冲辅助电极(703)尖端同步跟随电化学反应池(302)在Z方向上的运动。

2.根据权利要求1所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述X向运动单元(202)、Y向运动单元(205)以及Z向运动单元(204)均包括底板(211)、导轨(212)、滑块(213)、丝杠(214)和电机(215)，所述电机(215)主轴末端与丝杠(214)连接，所述丝杠(214)与滑块(213)连接，所述滑块(213)设置在导轨(212)上，且滑块(213)沿导轨(212)方向往复移动。

3.根据权利要求2所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述气浮平台(1)上通过螺栓与垫块(201)连接，所述X向运动单元(202)通过螺栓与垫块(201)连接；

所述直角换向块(203)通过螺栓固定在X向运动单元(202)的滑块(213)上，在直角换向块(203)的竖直端面通过螺栓固定Z向运动单元(204)，所述Z向运动单元(204)的滑块(213)上通过螺栓设置有Y向运动单元(205)。

4.根据权利要求1所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述电化学反应系统(3)还包括参比电极(303)；

电化学反应池(302)内部填充有H₂SO₄与HCl的混合溶液，所述参比电极(303)插入电化学反应池(302)中；

所述电化学反应池(302)与电解质溶液供给系统(5)连接。

5.根据权利要求1所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述X向运动单元(202)、Y向运动单元、Z向运动单元以及微阳极系统(7)内部均设置有压电陶瓷精密移动部件。

6.根据权利要求4所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述L形转接块(301)和电化学反应池(302)均由塑料ABS材料制成。

7.根据权利要求1所述的微米级局域电化学沉积装置，其特征在于，所述探针(603)由拉制玻璃制成。

8.一种应用权利要求1-7中任意一项所述的微米级局域电化学沉积装置的方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一：将阴极基底(4)用酒精擦拭干净，然后放入超声波清洗机中清洗，取出干燥后固定在电化学反应池(302)上；

步骤二：在电解质溶液供给系统(5)中充入充足的H₂SO₄和HCl的混合溶液，在纳米流体供给装置(601)中充入足够的CuSO₄溶液；

步骤三：将探针(603)清洗干净，给纳米流体供给装置(601)施加一定压力直到纳米流体输送装置(602)及探针(603)内填充保持稳定；

步骤四：手动旋转微阳极导轨(701)后方旋钮，使脉冲辅助电极(703)快速接近电化学反应池(302)底部，后利用压电陶瓷精密移动部件控制脉冲辅助电极(703)慢速接近L形转接块(301)直至接触；

步骤五：电解质溶液供给系统(5)供给溶液至探针(603)尖端的孔在工作过程中均处于电解质溶液浸没状态；

步骤六：给三电极体系通电，纳米流体供给装置(601)加大一定压力，根据MATLAB预设程序进行打印，加工过程中脉冲辅助电极(703)跟随电化学反应池(302)Z向移动，且在打印完一个体单元之后，中央控制单元(8)控制脉冲辅助电极(703)处于脉冲不放电阶段，打印下一个体单元时，脉冲辅助电极(703)处于脉冲放电阶段；

步骤七：在全部体单元打印完成后，将电化学反应池(302)内的电解质溶液抽回到电解质溶液供给系统(5)中，取出阴极基底(4)，打印过程结束。

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