一种直写式金属电化学3D打印装置及打印方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种直写式金属电化学3d打印装置及打印方法。

背景技术：

金属3d打印技术是一种将金属零件模型切片、分层，而后自下而上地逐层堆积制造实体的新兴技术。该技术在航天、医疗、生物等领域受到广泛关注。但一般的金属3d打印技术在材料的选择、加工稳定性、加工精度上有许多限制，这使得其无法被大规模应用。虽然一些金属3d打印技术(如选择性激光熔炼和电子束熔炼等)能够生产出比机加工更好的零件，但它们在制造过程中，材料需完全熔炼而导致工件具有很高的残余应力。而常规的金属3d打印技术多需要利用热源将金属粉末熔融，在这一过程中需要消耗大量的能量，同时高温下的熔融金属极易被氧化，因此常规金属3d打印设备的工作过程大多无法在大气下进行。以上诸多原因导致常规金属3d打印设备价格高昂，在制造过程中耗能大、耗材价格高、生产成本大。

金属电化学3d打印技术通过化学反应将金属以原子的形式沉积在基底表面，其过程可在常温和大气环境下进行，由于其工艺为非热过程，故而不会对材料造成热损伤且无需高昂的加热设备和惰性气体环境。同时金属电化学3d打印技术能够沉积大部分的导电材料，包括金属、金属合金、导电聚合物，甚至一些半导体。近年来，虽本领域出现了一些使用金属电化学沉积方式进行3d打印的技术，但多定域性不高或结构复杂，在生产中难以推广。

技术实现要素：

针对上述不足本发明提供了一种直写式金属电化学3d打印装置，以解决目前传统的金属3d技术加工时存在的成本高、能耗大、工件存在热应力等问题。采用本发明所述的打印装置和打印方法可以实现多种金属的打印成型，亦可优化该装置以打印多种金属的混合件，其在加工过程中不会产生有害气体、无需热源、打印精度高，可有效节省金属3d打印的成本，并改善打印件的质量。

本发明解决技术问题采用的装置设有计算机，计算机同时与供电控制器和电机相连，电机一侧与计算机相连，电机另一侧与x-y-z三坐标支架的底座相连，x-y-z三坐标支架的下方设有台板，x-y-z三坐标支架的z轴与阳极支架一侧相连，阳极支架另一侧与阳极夹具相连，阳极夹具内设有工具阳极，工具阳极下方设有工件，工件下方设有打印基板，打印基板下方设有导电极板，导电极板设置于3d打印发生槽内，3d打印发生槽也设置于台板上。供电控制器一侧与计算机相连，供电控制器另一侧设有正极和负极，正极与工具阳极一端相连，负极与导电极板相连。工具阳极的侧面与蠕动泵的一侧相连，蠕动泵另一侧与溶液相连，溶液置于储液盒内，3d打印发生槽侧面设有回流管将3dd打印发生槽内多余的溶液回流至储液盒。

进一步的，工具阳极内设有套筒，套筒一端连有铜棒，套筒另一端与铂丝的一端相连，铂丝另一端与导流管相连，套筒、铜棒、铂丝外侧设有固定套固定，铂丝段的固定套侧面设有导管接头。

进一步的，x-y-z三坐标支架可在电机的驱动下进行各轴方向上的正负运动，重复定位精度可达±1μm。

进一步的，供电控制器采用单片机的da模块控制电压。

进一步的，阳极夹具上部为固定套，用以夹紧阳极；下部设有导管接头和导流管，导管接头用导管连接至蠕动泵，使溶液进到管流入夹具中；导流管则使得流入夹具中的溶液顺着阳极末端以一定流速流向打印基板。

进一步的，工具阳极为针状铂丝电极，电极由针状铂丝、套筒，铜棒组成，套筒方便夹具夹持，铜棒用以连接阳极导线；铂丝上部直径不超过1mm，铂丝末端则需进行打磨使其直径不大于30μm。

进一步的，储液盒中所存储的溶液为金属的电解质溶液。溶液中的金属离子在电流作用下，在打印基板上沉积，金属离子被还原。

本发明同时保护一种直写式金属电化学3d打印装置的打印方法，该方法的步骤如下：

s1.在计算机中绘制三维金属工件的实体模型；

s2.利用分层切片软件对三维实体进行分层处理，获得截面信息，进行阳极运动路径规划；

s3.利用电机驱动x-y-z三坐标支架带动阳极支架上的工具阳极在可导电打印基板上方进行运动，使工具阳极与打印基板处于正确的初始位置，同时在蠕动泵作用下，金属离子溶液从储液盒中，流经阳极夹具，通过导流管沿铂丝电极针壁滑向打印基板，在阴阳两极间形成导电通路；

s4.供电控制器为工具阳极接通正电极，同时导电极板接通负电极并控制输出电压和电流以控制金属的沉积速度；金属离子在电流作用下向打印基板移动并获得电子在打印基板上沉积出金属单质；

s5.利用电机驱动x-y-z三坐标支架带动阳极支架上的工具阳极在可导电打印基板上方按当前层的分层截面轨迹进行运动，并通过步骤s4.]所述方法将当前层的截面打印出来；若需要更换打印金属只需停止蠕动泵，更换储液盒内的溶液即可。

s6.利用电机驱动x-y-z三坐标支架带动阳极支架上的工具阳极向上移动一个层厚的距离，然后重复步骤s3至步骤s5，直至整个工件打印完成。

进一步的，若要进行多金属打印或复合材料的打印，则需在步骤s5.开始时将储液盒更换为多槽式储液盒并通过导管连接至阳极夹具，打印时按要求将不同溶液分别流入加工区域。

有益效果：

(1)本发明在加工过程中无需与传统金属3d打印装置一样将金属粉末加热至熔点，使其在加工中打印能耗低；

(2)采取本发明的方法进行金属3d打印，可以大大降低金属3d打印设备的成本，同时其结构精简、体积小，装置操作简单、拆装和维护方便；

(3)本发明可打印多种金属材料和合金，功能丰富；

(4)本发明利用微米级阳极末端可打印微米级金属零件，在军工、医疗、电子等领域有巨大潜力；

(5)与同采用电化学方法进行金属3d打印的设备相比，定域性较高、打印效率较快，且设备易于实现，同时增加了电解质溶液的使用周期；

(6)本发明大大降低3d打印金属零件的生产成本，在制造工业领域具有很大潜力。

附图说明

图1为直写式金属电化学3d打印装置的结构示意图。

图2为直写式金属电化学3d打印装置中工具阳极的结构示意图。

如图1.计算机，2.供电控制器，3.x-y-z三坐标支架，4.阳极支架，5.工具阳极，6.阳极夹具，7.工件，8.打印基板，9.导电极板，10.蠕动泵，11.溶液，12.储液盒，13.3d打印发生槽，14.台板，15.电机，16.铜棒，17.套筒，18.导管接头，19.铂丝，20.导流管，21.固定套。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例设有计算机1，计算机1同时与供电控制器2和电机15相连，电机15一侧与计算机1相连，电机15另一侧与x-y-z三坐标支架3的底座相连，x-y-z三坐标支架3的下方设有台板14，x-y-z三坐标支架3的z轴与阳极支架4一侧相连，阳极支架4另一侧与阳极夹具6相连，阳极夹具6内设有工具阳极5，工具阳极5下方设有工件7，工件7下方设有打印基板8，打印基板8下方设有导电极板9，导电极板9设置于3d打印发生槽13内，3d打印发生槽13也设置于台板14上。供电控制器2一侧与计算机1相连，供电控制器2另一侧设有正极和负极，正极与工具阳极5一端相连，负极与导电极板9相连。工具阳极5的侧面与蠕动泵10的一侧相连，蠕动泵10另一侧与溶液11相连，溶液11置于储液盒12内，3d打印发生槽13侧面设有回流管将3d打印发生槽13内多余的溶液回流至储液盒12。其中工具阳极5内设有套筒17，套筒17一端连有铜棒16，套筒17另一端与铂丝19的一端相连，铂丝19另一端与导流管20相连，套筒17、铜棒16、铂丝19外侧设有固定套21固定，铂丝19段的固定套21侧面设有导管接头18。x-y-z三坐标支架3可在电机15的驱动下进行各轴方向上的正负运动，重复定位精度可达±1μm。供电控制器2采用单片机的da模块控制电压。阳极夹具6上部为固定套21，用以夹紧阳极；下部设有导管接头18和导流管，导管接头18用导管连接至蠕动泵10，使溶液进到管流入夹具中；导流管则使得流入夹具中的溶液顺着阳极末端以一定流速流向打印基板8。工具阳极5为针状铂丝19电极，电极由针状铂丝19、套筒17，铜棒16组成，套筒17方便夹具夹持，铜棒16用以连接阳极导线；铂丝19上部直径不超过1mm，铂丝19末端则需进行打磨使其直径不大于30μm。储液盒12中所存储的溶液11为金属的电解质溶液。溶液11中的金属离子在电流作用下，在打印基板8上沉积，金属离子被还原。

实施例2

本实施例所述的直写式金属电化学3d打印装置，按功能区分为：控制区a，电化学打印区b，溶液循环区c。控制区a利用计算机1控制电机15和供电控制器2对电化学打印区b的运动轨迹、电流等进行设定。电化学工作区b中，受电机15驱动的x-y-z三坐标支架3的z轴上固定有阳极支架4，阳极夹具6连接在阳极支架4末端，阳极夹具6内装有工具阳极5；3d打印发生槽13置于工具阳极5下方，3d打印发生槽13内设有一导电极板9，可导电的打印基板8置于导电极板9上；在电流和导电流体作用下，利用阳极5的运动在打印基板8上沉积出预设的工件7。溶液循环区c中，带保温功能的储液盒12中的溶液11通过蠕动泵10，流经阳极夹具6，而后沿阳极5喷向打印基板8后，滴入3d打印槽13中，再经导管流回储液盒12。

实施例3

本实施例涉及一种直写式金属电化学3d打印装置的打印方法，该方法的步骤如下：

s1.在计算机1中利用建模软件绘制三维金属工件7的实体模型；

s2.利用分层切片软件对三维实体进行分层处理，获得截面信息，进行阳极运动路径规划，在这一过程中可加入支撑结构，因电流在基板上存在一定的扩散，故需在模型底部预留出一定厚度的无效打印层；

s3.利用电机15驱动x-y-z三坐标支架3带动阳极支架4上的工具阳极5在可导电打印基板8上方进行运动，使工具阳极5与打印基板8处于正确的初始位置，同时在蠕动泵10作用下，金属离子溶液11从储液盒12中，流经阳极夹具6，通过导流管20沿铂丝19针壁滑向打印基板8；

s4.供电控制器2为工具阳极5接通正电极，同时导电极板9接通负电极并控制输出电压和电流以控制金属的沉积速度；流体使得工具阳极5和打印基板8导通，金属离子在电流作用下向打印基板8移动并获得电子，在打印基板8上沉积出金属单质；

s5.利用电机15驱动x-y-z三坐标支架3带动阳极支架4上的工具阳极5在可导电打印基板8上方按当前层的分层截面轨迹进行运动，并通过步骤s4所述方法将当前层的截面打印出来；若需要更换打印金属只需停止蠕动泵10，更换储液盒12内的溶液即可。

s6.利用电机15驱动x-y-z三坐标支架3带动阳极支架4上的工具阳极5向上移动一个层厚的距离，然后重复步骤s3至步骤s5，直至整个工件打印完成。

若要使用该装置进行多金属或复合材料的打印，只需将储液盒12更换成多槽式储液盒。在多槽式储液盒的槽中倒入相应溶液，并用分别导管连接至蠕动泵10。打印时按需将不同溶液经阳极夹具6沿铂丝19喷向打印基底，而后重复上述步骤s3至步骤s5，完成打印。

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。