一种基于对自组装分子膜控制技术的金属微3D打印方法与流程

本发明属于增材制造及微纳制造领域，涉及一种基于对自组装分子膜控制技术、激光技术和电化学技术的金属增材制造新方法。

技术背景

增材制造技术是一种基于离散堆积成形思想一种成形技术。该技术借助计算机，cad等工件，对三维实体进行切片分层，用逐层变化的截面来逐层构建三维形体。该技术无需模具和夹具，而且具有构建复杂形状的能力。目前对于塑料等非金属材料的3d打印已经基本达到商业应用的水平。但是对于金属的3d打印，目前还一直处于实验室阶段。

目前的金属3d打印技术的原理主要为金属粉末烧结技术，另外还有熔滴打印技术，超声波3d金属打印技术等。对于金属粉末烧结技术，根据其采用热源的不同，又可分为电子束熔融技术、电子束焊接技术和选择性激光熔融技术等。上述技术的原理非常类似，可统一归类为基于热物理方法的3d金属打印；都需要将金属粉末在指定的位置高温融化，再凝固形成3d金属实体。该融化凝固过程通常会导致被打印金属零件出现表面粗糙、应力集中、晶粒粗大、组织不均匀、气孔、机械强度低等问题。上述问题是采用热物理方法的3d金属打印技术很难克服的。另外，上述技术受热源尺寸和金属粉末大小的限制，通常不能打印特征尺寸小于一个毫米的金属构件。

电镀技术和电铸技术是基于电化学技术的金属增材制造工艺，已经在工业界取得了非常广泛的应用。目前的电镀技术通常用于金属零件的表面处理，其镀层厚度通常为微米级别。电镀技术不能用于3d金属打印的原因在于起不能实现指定位置的金属沉积。类似与电镀技术，电铸技术为另一种基于电化学原理的金属增材制造技术。电铸技术需要借助芯模，利用电化学原理，使金属在芯模上发生电沉积，然后再与芯模分离以实现金属制品的制造或复制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于微小金属零部件的增材制造技术。

本发明的原理是：通过在电镀液中加入可以在金属表面形成绝缘且致密的自组装分子膜的有机分子，使浸泡在电镀液中的被打印金属部件表面全部被自组装分子膜所覆盖。当对金属部件施加可使电镀液中的金属离子被还原的电势时，该绝缘的自组装分子膜可以阻止金属离子在金属部件表面的电化学反应，从而使整个金属部件表面都不会发生电沉积。该技术利用具有特定能量的激光束或者二维的激光图案照金属部件表面，以去除吸附在其表面的自组装分子膜。当自组装分子膜被去除后，电化学沉积即可发生在激光照射区域。通过控制激光束的运动轨迹或者二维激光图案的形状，即可打印出三维的金属结构。

本发明的特点如下：

1.本发明的金属增材制造是基于电化学的原理，金属在激光方向上的每分钟的生长速度为微米量级，使其非常适合微小金属零部件的生产制造。

2.由于本发明金属增材原理与电镀一致，所以其打印制造的金属部件没有热应力，工件机械强度高，而且表面光洁。

3.通过控制激光图案的变化，可打印制造出结构复杂的微小金属部件。

附图说明

图1为基于对自组装分子膜控制技术的3d金属打印原理示意图

具体实施方式

参见图1。本发明为基于对自组装分子膜控制技术的3d金属打印新方法，具体为将电镀液中加入一种特殊的有机分子，该有机分子可以在被打印金属的表面形成一层致密且绝缘性良好的自组装分子膜。该分子膜可以将被打印件和电解液有效分离，可以阻断被打印件表面的电化学反应。打印过程中，需对被打印件施加一定幅度的可以使电镀液中的金属离子发生还原反应的还原电势。激光的作用在于去除吸附在金属表面的自组装分子膜，使金属直接与电解液接触，从而使电沉积只发生在激光照射区域，实现指定位置的金属增材制造。打印过程中，所用激光的能量密度以能刚好去除自组装分子膜为宜。太大的激光能量密度会导致工件的热融化，损伤工件。

当采用直径较小的激光束时，打印过程中需对激光束逐点逐线的进行二维扫描，以实现较大面积金属沉积。

还可以采用图案形状可编辑的二维激光图案，直接投射与被打印的工件表面。打印过程中，通过调节二维图案的几何形状，便可以打印出三维的金属构件。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于对自组装分子膜控制技术的3D金属打印新方法，属于3D金属打印及微纳制造领域。所发明的3D金属打印新方法需要在电镀液中加入一种特殊的有机分子，该有机分子可以在被打印金属的整个表面形成一层致密且绝缘性良好的自组装分子膜。该分子膜可以将被打印件和电解液有效隔离，可以阻断被打印件工件表面上所有的电化学反应。打印过程中，需对被打印件施加一定幅度的可以使电镀液中的金属离子发生还原反应的还原电势。激光的作用在于去除吸附在金属表面的自组装分子膜，使金属直接与电解液接触，从而使电沉积只发生在激光照射区域，实现指定位置的金属增材制造。

技术研发人员：张彦振;刘永红;李德格
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2018.09.07
技术公布日：2018.12.04