CN112981471A - 一种高定域性三维电沉积装置及方法 - Google Patents

一种高定域性三维电沉积装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维电沉积技术领域，具体涉及一种高定域性三维电沉积装置，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷嘴、供液管以及阳极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷嘴、供液管以及阳极材料通过三通转接头进行连接并相连通，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷嘴的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。本发明的三维电沉积装置，有效地避免了电镀液对阴极基底的杂散沉积，提高了三维电沉积的定域性。

Description

一种高定域性三维电沉积装置及方法
技术领域
本发明涉及三维电沉积技术领域，具体涉及一种高定域性三维电沉积装置及方法。
背景技术
电沉积是一种基于电化学阴极沉积原理的金属增材制造技术，相比于其他金属增材制造技术，例如激光增材制造，电子束增材制造和电弧增材制造等，不需要后续退火和均匀化热处理，没有残余应力。理论上只需诱导经氧化还原反应而成的金属原子或晶粒按设计意图可控地堆叠起来，就能利用电沉积技术来加工或打印成任意形状的金属基结构与零件。
目前已经有利用电沉积来进行金属零件的3D打印技术——电化学打印技术，可以打印出高分辨率的复杂微结构，例如中国专利CN110656358A公开的一种微米级纯铝的3D打印设备及方法。但由于工作液由喷嘴流出后无约束地在工件表面铺展，在杂散电流的作用下，易在工件表面非沉积区出现杂散沉积，因此其电沉积的微结构分辨率一般为喷嘴直径的十倍，定域性差，如何提升电化学沉积的定域性成为一个难题。
发明内容
为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种高定域性三维电沉积装置及方法，可以有效避免电镀液对阴极基底的杂散沉积，提高三维电沉积的定域性。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种高定域性三维电沉积装置，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷嘴、供液管以及阳极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷嘴、供液管以及阳极材料通过三通转接头进行连接并相连通，连接处采用密封处理，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷嘴的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。
进一步的，所述喷嘴的材料为石英。
进一步的，所述喷嘴出液口的内径为10μm-200μm。
进一步的，所述阳极材料为惰性不溶性金属或与需要沉积的金属相同。
进一步的，所述阳极材料的尖端与所述喷嘴出液口的距离小于10mm。
进一步的，所述液池采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
一种高定域性三维电沉积方法，包括以下步骤：
S1、阴极基底采用导电性良好的材料，加工前对表面进行处理，去除阴极基底表面的氧化物和油脂；
S2、将液池放置在底座上，将阴极基底水平固定于液池底部，并将阴极基底完全浸没于高密度不溶性绝缘液体中；
S3、通过三自由度运动机构，将喷嘴移动到阴极基底的上方，调整它们之间的距离；
S4、将阳极材料和阴极基底分别与电源正负极相连；
S5、接通电源，通过注射泵向供液管内注入电镀液，电镀液通过三通转接头和喷嘴到达阴极基底表面；
S6、控制电镀液的挤出速度和喷嘴的运动轨迹进行三维电沉积。
进一步的，所设定的电沉积温度为室温。
进一步的，所设定的电流密度为50-1000A/dm2。
进一步的，在步骤S3中，喷嘴与阴极基底的距离设定为喷嘴出液口内径的3倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、在加工时将阴极基底浸没于高密度不溶性绝缘液体中，高密度不溶性绝缘液体不导电，不溶于水且密度比水大，在电镀液表面张力和高密度不溶性绝缘液体的约束的共同作用下，从喷嘴中挤出的电镀液被高密度不溶性绝缘液体约束在喷嘴正下方，与阴极基底形成一个小的反应池，金属离子在这个小反应池内沉积在阴极基底，高密度不溶性绝缘液体限制了反应池的进一步扩大，从而实现提高电沉积的定域性；
2、随着新的电镀液不断挤出，多余的电镀液被挤向喷嘴周围，在浮力的作用飘向高密度不溶性绝缘液体表面，不会积聚在阴极基底，避免反应后电镀液在阴极基底非沉积区出现杂散沉积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种高定域性三维电沉积装置的结构示意图；
图2为本发明的一种高定域性三维电沉积装置的喷嘴部分的结构示意图；
图3为本发明的一种高定域性三维电沉积方法的加工过程的示意图。
其中：1、阳极材料；2、三通转接头；3、供液管；4、电源；5、电镀液；6、喷嘴；7、反应后的电镀液；8、高密度不溶性绝缘液体；9、三自由度运动机构；10、夹具；11、螺钉；12、螺母；13、液池；14、阴极基底；15、沉积金属；16、底座。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例包括：
如图1-2所示，一种高定域性三维电沉积装置，包括底座16、三自由度运动机构9、液池13、夹具10、喷嘴6、供液管3以及阳极材料1；三自由度运动机构9设置在底座16上，喷嘴6、供液管3以及阳极材料1通过三通转接头2进行连接并相连通，连接处采用密封处理，三通转接头2通过夹具10与三自由度运动机构9连接，三通转接头2通过螺钉11与螺母12的配合与夹具10连接，液池13设置在底座16上且位于喷嘴6的下方，液池13内部装有高密度不溶性绝缘液体8。
在本实施例中，喷嘴6的材料为石英。
在本实施例中，喷嘴6出液口的内径为10μm-200μm。
在本实施例中，阳极材料1为惰性不溶性金属或与需要沉积的金属相同。
在本实施例中，阳极材料1的尖端与喷嘴6出液口的距离小于10mm。
在本实施例中，液池13采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
如图3所示，一种三维电沉积方法，包括以下步骤：
S1、阴极基底14采用导电性良好的材料，加工前对表面进行处理，去除阴极基底14表面的氧化物和油脂；
S2、将液池13放置在底座16上，将阴极基底14水平固定于液池13底部，并将阴极基底14完全浸没于高密度不溶性绝缘液体8中；
S3、通过三自由度运动机构9，将喷嘴6移动到阴极基底14的上方，调整它们之间的距离；
S4、将阳极材料1和阴极基底14分别与电源4正负极相连；
S5、接通电源4，通过注射泵向供液管3内注入电镀液5，电镀液5通过三通转接头2和喷嘴6到达阴极基底14表面，喷嘴6中挤出的电镀液5被高密度不溶性绝缘液体8约束在喷嘴6正下方，在电镀液5表面张力和高密度不溶性绝缘液体8的约束的共同作用下，与阴极基底14形成一个小的反应池，金属离子在这个小反应池内沉积在阴极基底14，形成沉积金属15，随着新的电镀液5挤出来，先前挤出来的电镀液5反应后被挤出喷嘴6下方，在浮力的作用下反应后的电镀液7飘向高密度不溶性绝缘液体8表面，不会残留在阴极基底14上，避免了电镀液5在阴极基底14非加工区的杂散沉积，从而提高微结构电沉积的定域性。
S6、控制电镀液5的挤出速度和喷嘴6的运动轨迹进行三维电沉积，当电沉积结构到达设计要求后，关闭电源4和电解液的输入，移开喷嘴6，将阴极基底14从高密度不溶性绝缘液体8中取出，清洗干净，完成加工。
加工中采用的高密度不溶性绝缘液体8不导电，不溶于水且密度比水大，不与阴极基底14以及电镀液5发生反应，不会腐蚀阴极基底14，该液体成分不固定，只要满足上述所提到的条件即可。
电镀过程中要保证接口处密封，保持电镀液5合理的供液速度，配合喷嘴6在空间内的运动，就可以加工出复杂的三维结构。
在本实施例中，所设定的打印温度为室温。
在本实施例中，所设定的电流密度为50-1000A/dm2。
在本实施例中，在步骤S3中，喷嘴6与阴极基底14的距离为喷嘴6出液口内径的3倍。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高定域性三维电沉积装置，其特征在于，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷嘴、供液管以及阳极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷嘴、供液管以及阳极材料通过三通转接头进行连接并相连通，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷嘴的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。
2.根据权利要求1所述的高定域性三维电沉积装置，其特征在于，所述喷嘴的材料为石英。
3.根据权利要求2所述的高定域性三维电沉积装置，其特征在于，所述喷嘴出液口的内径为10μm-200μm。
4.根据权利要求3所述的高定域性三维电沉积装置，其特征在于，所述阳极材料为惰性不溶性金属或与需要沉积的金属相同。
5.根据权利要求4所述的高定域性三维电沉积装置，其特征在于，所述阳极材料的尖端与所述喷嘴出液口的距离小于10mm。
6.根据权利要求5所述的高定域性三维电沉积装置，其特征在于，所述液池采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
7.一种高定域性三维电沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、阴极基底采用导电性良好的材料，加工前对表面进行处理，去除阴极基底表面的氧化物和油脂；
S2、将液池放置在底座上，将阴极基底水平固定于液池底部，并将阴极基底完全浸没于高密度不溶性绝缘液体中；
S3、通过三自由度运动机构，将喷嘴移动到阴极基底的上方，调整它们之间的距离；
S4、将阳极材料和阴极基底分别与电源正负极相连；
S5、接通电源，通过注射泵向供液管内注入电镀液，电镀液通过三通转接头和喷嘴到达阴极基底表面；
S6、控制电镀液的挤出速度和喷嘴的运动轨迹进行三维电沉积。
8.根据权利要求7所述的高定域性三维电沉积方法，其特征在于，所设定的电沉积温度为室温。
9.根据权利要求8所述的高定域性三维电沉积方法，其特征在于，在步骤S4中，所设定的电流密度为50-1000A/dm2。
10.根据权利要求9所述的高定域性三维电沉积方法，其特征在于，在步骤S3中，喷嘴与阴极基底的距离为喷嘴出液口内径的3倍。
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