CN115976580B - 一种微细3d循环电沉积喷头装置及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细3D循环电沉积喷头装置及3D打印机，属于3D打印技术领域，包括搅拌机构，搅拌机构顶部与动力机构连接，搅拌机构底部与下部喷液机构连接；所述搅拌机构包括搅拌容器，搅拌容器内设置螺杆，搅拌容器侧部设置第一开孔与进液管连接；所述下部喷液机构包括顶部与搅拌容器连通的内部毛细管，内部毛细管底部通过三通管与喷嘴连接。该装置可以提高电沉积的效率，加快沉积层在工件上形成的速度。

Description

一种微细3D循环电沉积喷头装置及3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种微细3D循环电沉积喷头装置及3D打印机。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

3D打印的概念出现于20世纪，第一台可以实现3D打印的设备在1983年被研发出来，随着第一台设备的成功研制，许多研究人员开始关注3D打印领域，与传统的加工方式不同，3D打印技术没有使用传统的减材制造技术，而是通过材料堆积进行累加的一种加工技术，3D打印技术在一定程度上满足了市场多元化的需求，有效的减少了产品从设计到成型的时间，提高了制造的智能化程度，为传统制造业带来了新的活力，在一定程度上加快了制造业的发展，3D打印技术综合了多个学科的知识，包含了诸如机械、计算机、电子等众多领域，由此可见3D打印技术具有很大的发展潜力，通过进行不断的改进与优化，将会得到十分广泛的应用。

电沉积技术是在外加电压的作用下，使电解液中的自由金属离子在待加工工件表面发生反应，还原成原子，并在工件表面进行沉积。喷射电沉积在1974年被提出来，在原有的电沉积工艺上，NASA将电沉积技术与实际工程中的应用相结合，研发出了具体的实验设备，说明了该技术的原理和工艺要求。该技术使在基体的表面生成镀层变得更加简单。喷射电沉积技术在初步面世的时候，主要被用在电路板印刷相关的领域，随着技术的进步，各种工艺的发展，喷射电沉积技术被应用在各种微细加工的领域，不再局限于传统单一的领域。

喷射电沉积的具体原理为：电解液从工件上方的喷嘴中喷出，冲击下方的阴极工件，在工件的表面形成一股非浸没式的射流。在喷射的区域，阳极与阴极通过喷射的液体形成回路，电解液会持续的喷射到阴极表面，在该区域发生电化学反应，从而在电镀液与工件阴极表面的冲击部位发生沉积现象，可以把镀液所流经的区域大致分成三个部分，分别是自由射流区、岩壁射流区及液体滞留区。对比传统的电沉积，喷射电沉积有一些普通电沉积所不具有的特性，在喷射电沉积的沉积过程中，工件不会完全浸在溶液中，电镀液以一个很高的流速从阳极喷嘴中喷射到下方阴极工件的表面，可以对阴极工件造成一个冲击作用，可以减少在垂直方向上的过度堆积，降低了扩散层的厚度，同时被液体冲击到的部位也可以得到相应的机械活化，可以提高镀层沉积的速度以及加强复合镀层表面的质量与性能。喷射电沉积技术的这个特性在复合材料制备中体现出了一定的优势，它可以提高材料表面复合镀层的均匀性，相比于传统的电沉积加工技术，喷射电沉积技术在工件没有电流通过的部位并不会产生沉积的现象，即可以控制工件表面沉积区域的范围。影响喷射电沉积技术的加工因素有很多，随着人们对于喷射电沉积技术及相关制备工艺的深入研究，发现在沉积过程中，喷射电压、喷射速度以及电解液温度等因素都会对沉积层的结构与性能产生一定的影响。当喷射电压或溶液流速超过容许范围，沉积层的质量会有一定的下降。有关喷嘴的结构对镀层质量的影响仍然处于研究之中，在实际的工程中，喷嘴需要在工件上方的平面进行运动，确保镀层在工件上的均匀性与完整性。即如何找到合适的相关工艺参数，确保工件上镀层的质量与性能，将会是未来研究的重点。

基于喷射电沉积的微细3D打印可以被应用在微型传感器、工业电子以及柔性电极等领域。其中微细3D沉积喷头是该技术的核心部件，而且快速的循环溶液是提高3D沉积效率的关键。因此对于喷射电沉积喷头的研究设计显得尤为重要。而目前常用的喷射电沉积喷头一般只起到将溶液引出的作用，无法保证溶液物质的均匀；同时，喷射溶液自喷头喷嘴喷射后，多余的溶液无法收集，造成浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种微细3D循环电沉积喷头装置及3D打印机，该装置可以提高电沉积的效率，加快沉积层在工件上形成的速度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种微细3D循环电沉积喷头装置，包括搅拌机构，搅拌机构顶部与动力机构连接，搅拌机构底部与下部喷液机构连接；所述搅拌机构包括搅拌容器，搅拌容器内设置螺杆，搅拌容器侧部设置第一开孔与进液管连接；所述下部喷液机构包括顶部与搅拌容器连通的内部毛细管，内部毛细管底部通过三通管与喷嘴连接。

作为进一步的技术方案，所述内部毛细管与三通管、喷嘴之间设有夹层空隙以容纳喷射溶液；所述三通管还与下部出液管连通以供多余喷射溶液流出。

作为进一步的技术方案，所述动力机构包括步进电机，步进电机主轴通过联轴器和螺杆连接。

作为进一步的技术方案，所述搅拌容器开设上部内孔，螺杆与上部内孔之间设置轴承，搅拌容器顶部固定设置容器端盖。

作为进一步的技术方案，所述所述搅拌容器上部内孔大于螺杆轴的直径形成间隙配合。

作为进一步的技术方案，所述搅拌容器侧部还设置第二开孔，第二开孔内设置电极固定装置，电极固定装置固定阳极电极。

作为进一步的技术方案，所述第一开孔和第二开孔保持在同一轴线上。

作为进一步的技术方案，所述搅拌容器底部设置开孔，其底部开孔通过搅拌容器连接件与内部毛细管连接，内部毛细管外侧装设中部连接件，内部毛细管和中部连接件之间设置密封圈，三通管上端连接中部连接件，中部连接件顶部与搅拌容器连接件连接。

作为进一步的技术方案，所述动力机构、搅拌机构、下部喷液机构均固定于总支撑板。

第二方面，本发明还提供了一种3D打印机，包括如上所述的微细3D循环电沉积喷头装置。

上述本发明的有益效果如下：

本发明的微细3D循环电沉积喷头装置，采用由动机构带动安装在搅拌容器里的螺杆旋转，对进入搅拌容器的溶液进行搅拌，从而使溶液内物质均匀化，并且加快溶液的流速，提高沉积效率。

本发明的微细3D循环电沉积喷头装置，溶液通过进液管流入搅拌容器内，并通过内部毛细管进行快速引导喷射，使其以较大流速冲刷阴极工件表面，实现高效率的电沉积。

本发明的微细3D循环电沉积喷头装置，内部毛细管与三通管和喷嘴之间设计有夹层空隙，对喷出的多余溶液进行再吸收进入喷嘴夹层空隙，并经下部出液管流出，实现喷射溶液的内部循环。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明微细3D内部循环电沉积喷头装置结构示意图；

图2是本发明微细3D内部循环电沉积喷头装置的搅拌机构示意图；

图3是本发明微细3D内部循环电沉积喷头装置的下部喷液机构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1步进电机，2步进电机支撑座，3联轴器，4容器端盖，5搅拌容器，6进液管，7搅拌容器支撑座，8一分三内丝三通管，9下部出液管，10喷嘴，11下部连接支撑座，12中部连接件，13电极固定装置，14总支撑板，15密封圈，16螺杆，17圆锥滚子轴承，18搅拌容器连接件，19内部毛细管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种微细3D循环电沉积喷头装置，其具有内部循环结构，由动力机构、搅拌机构、下部喷液机构组成；动力机构与搅拌机构连接，带动搅拌机构动作；搅拌机构底部与下部喷液机构连接。动力机构、搅拌机构、下部喷液机构均固定于总支撑板14，组成喷头装置；具体应用时将该喷头装置安装在3D打印机对应的支架上。

其中，动力机构包括步进电机1、联轴器3等，步进电机1安装在步进电机支撑座2上，步进电机支撑座2固定在总支撑板14上，步进电机1主轴通过联轴器3和螺杆16连接起来，带动安装在搅拌容器5里的螺杆16做旋转运动，从而实现对进入搅拌容器5的溶液进行搅拌。

其中，搅拌机构包括搅拌容器5、螺杆16等，搅拌容器5通过搅拌容器支撑座7固定在总支撑板14上，搅拌容器5内具有容置空间供螺杆16穿入其内，螺杆16轴肩上过盈配合有圆锥滚子轴承17，轴承外圈与搅拌容器5上部内孔为过渡配合，最后将容器端盖4通过螺钉安装在搅拌容器5顶部，从而将螺杆16固定安装在搅拌容器5中做旋转运动。

搅拌容器5下部左侧、下部右侧均设置开孔，在搅拌容器5的左侧孔接入电极固定装置13，即与电极固定装置通过螺纹进行连接，同时在搅拌容器5的右侧孔与进液管6通过螺纹进行连接，溶液自进液管6进入搅拌容器5。

电极固定装置13开有两孔以固定电极，两阳极电极均从同一侧插入搅拌容器内，孔与电极采用基孔制配合，同时对电极孔进行密封，选择O型密封圈15对其进行密封。

搅拌容器5底部设置开孔，在其底部孔与搅拌容器连接件18通过螺纹进行连接，用来连接搅拌容器5与下部喷液机构。

搅拌容器5上方内部孔径略大于螺杆16的轴的直径，使内孔可以与螺杆的轴形成间隙配合，确保螺杆16旋转对进入容器里的溶液进行搅拌，使溶液流速加快，同时使用O型密封圈15对其上下两端进行密封，可以确保圆锥滚子轴承17的工作条件，使其良好润滑。

搅拌容器5下部左侧与右侧的所开的孔可保持在同一轴线上，方便孔的加工，同时也可提高容器腔内溶液的流速，加快沉积效率；容器底部与顶部所开的孔应同样保持同轴心，方便溶液自上而下的流动，降低加工难度。

其中，下部喷液机构包括内部毛细管19，内部毛细管19外侧装设中部连接件12，内部毛细管19和中部连接件12之间通过使用O型密封圈15进行密封。一分三内丝三通管8上端连接中部连接件12，下端连接有喷嘴10，右端连接有下部出液管9，中部连接件12顶部与搅拌容器连接件18通过螺纹进行连接，从而将下部喷液机构与搅拌机构连接起来，内部毛细管19与一分三内丝三通管8和喷嘴10之间有夹层空隙吸收喷射溶液。

中部连接件12与上部的搅拌容器连接件18及下部的一分三内丝三通管8相连，将搅拌容器5中的溶液与下部喷液机构相分离，同时固定内部毛细管19，与内部毛细管配合，选择O型密封圈15进行密封，同时在其内部根据需要为O型密封圈15开槽。

中部连接件12、下部出液管9及底部的喷嘴10通过一个一分三内丝三通管8连接起来，密封采用在螺纹处缠绕无色带的方式进行密封。

下部喷液机构在搅拌容器5的下方，待加工工件的上方，其主要作用为向工件喷射电镀液；进入搅拌容器5内的液体不能直接流入其下部喷液机构内，从内部毛细管19上部流入，经由内部毛细管19喷射到工件上，待加工工件与外加电源的负极相连，与安装在搅拌容器内的阳极电极形成闭合的回路，在工件上发生还原反应，产生沉积。同时对多余喷出溶液进行吸收进入喷嘴夹层空隙，经下部出液管9流出，实现喷射溶液的内部循环。下部喷液机构通过连接在中部连接件12上的下部连接支撑座11固定在总支撑板14上。

实施例2：

本实施例中提出一种3D打印机，其包括如上所述的微细3D循环电沉积喷头装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，包括搅拌机构，搅拌机构顶部与动力机构连接，搅拌机构底部与下部喷液机构连接；所述搅拌机构包括搅拌容器，搅拌容器内设置螺杆，搅拌容器侧部设置第一开孔与进液管连接；所述下部喷液机构包括顶部与搅拌容器连通的内部毛细管，内部毛细管底部通过三通管与喷嘴连接；

所述内部毛细管与三通管、喷嘴之间设有夹层空隙以容纳喷射溶液；所述三通管还与下部出液管连通以供多余喷射溶液流出；

所述搅拌容器侧部还设置第二开孔，第二开孔内设置电极固定装置，电极固定装置固定阳极电极；

所述搅拌容器底部设置开孔，其底部开孔通过搅拌容器连接件与内部毛细管连接，内部毛细管外侧装设中部连接件，内部毛细管和中部连接件之间设置密封圈，三通管上端连接中部连接件，中部连接件顶部与搅拌容器连接件连接。

2.如权利要求1所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，所述动力机构包括步进电机，步进电机主轴通过联轴器和螺杆连接。

3.如权利要求1所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，所述搅拌容器开设上部内孔，螺杆与上部内孔之间设置轴承，搅拌容器顶部固定设置容器端盖。

4.如权利要求3所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，所述所述搅拌容器上部内孔大于螺杆轴的直径形成间隙配合。

5.如权利要求1所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，所述第一开孔和第二开孔保持在同一轴线上。

6.如权利要求1所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置，其特征是，所述动力机构、搅拌机构、下部喷液机构均固定于总支撑板。

7.一种3D 打印机，其特征是，包括如权利要求1-6任一项所述的微细 3D 循环电沉积喷头装置。