流量控制双流道区域电化学沉积增材制造装置及方法

本发明属于3d打印技术与电化学沉积领域，具体涉及流量控制双流道区域电化学沉积增材制造装置及方法。

背景技术：

1、3d打印技术也称为增材制造技术，是基于离散或者堆积原理，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。它利用计算机将成形零件的3d模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3d打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”最后叠加成形出三维的实体零件。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。作为一种综合性应用技术，3d打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。然而现有的3d打印机多数采用步进电机驱动，存在控制精度低的缺点。并且目前常见的弯月面约束电沉积技术只有x、y、z三个自由度，存在成形结构单一的不足。

2、弯月面约束电沉积技术属于电化学三维微沉积技术的一种，它使用在超细阳极尖端和阴极基板之间极窄的间隙中形成的稳定的微纳米尺度的弯月面形电解液桥作为电化学反应槽，在阴极表面发生超高分辨率的金属沉积。它通常使用内含超细阳极的超细移液管，将电解液运输到电沉积所需的反应区域。与其他的电化学三维微沉积技术相比，弯月面约束电沉积技术具有成型精度高，成型质量好等优点。然而传统的弯月面约束电沉积技术采用单玻璃管沉积，存在电流密度低，成形形貌差，成形精度低的缺点，而且弯月面约束电化学沉积技术由于弯月面稳定性差，严格要求沉积物的生长速度与玻璃管的后退速度保持一致。虽然双流道区域电化学沉积可以很好的解决以上的问题，但是常见的双流道区域电化学沉积技术采用两支玻璃管之间形成弯月面，由于喷嘴直径小，需要精确配置进料喷嘴和吸入喷嘴，使尖端对尖端，这种高对中性要求在操作上具有一定的困难。

3、流体力显微镜(fluidfm)电沉积，是一种混合微型金属增材制造技术，它是原子力显微镜技术和流体力显微镜技术的结合。在fluidfm电沉积中，空心原子力显微镜悬臂梁作为工作电极连接到三电极电化学系统，该系统的另外两个电极分别为银准参比电极和铂对极。原子力显微镜悬臂上充满含有沉积金属离子的电解质，从fluidfm探头孔径流出的电解质由压力控制器精确控制。这种结构中的空心微悬臂既可用作原子力显微镜的显微镜探针，也用作提供电解质的质量运输工具，这使得金属沉积在针尖孔的正下方非常局部地发生。然而这种电沉积方式为了探测原子力显微镜悬臂的偏转通常需要布置相当复杂的光路，增加了设备的制造难度。

技术实现思路

1、本发明提供一种流量控制双流道区域电化学沉积增材制造装置及方法，以解决目前存在的打印形貌差、精度低、成形结构单一以及弯月面稳定性不易控制的问题。

2、本发明采取的技术方案是，包括机架装置、蠕动泵、z轴移动装置、喷头装置、力灵敏传感器、原子力显微镜悬臂、z轴旋转装置、ccd显微镜、y轴压电驱动工作台和x轴压电驱动工作台，其中蠕动泵安装在机架装置上、与原子力显微镜悬臂通过软管连接，z轴移动装置固定在机架装置上，喷头装置通过螺纹连接安装在机架装置上、与原子力显微镜悬臂通过软管连接，力灵敏传感器固定在z轴移动装置上、与原子力显微镜悬臂通过胶水粘结，原子力显微镜悬臂固定在z轴移动装置上，z轴旋转装置固定在y轴压电驱动工作台上，ccd显微镜安装在机架装置上，x轴压电驱动工作台通过螺纹连接安装在机架装置上，y轴压电驱动工作台通过螺纹连接安装在x轴压电驱动工作台上。

3、所述机架装置包括机架、废液存储槽和ccd显微镜固定环，其中废液存储槽固定在机架上，ccd显微镜固定环固定在机架上，废液存储槽与蠕动泵之间通过软管连接。

4、所述z轴移动装置包括z轴导轨、丝杠、伺服电机和z轴滑块，其中z轴滑块包括移动平台和螺母块，螺母块固定在移动平台底部，螺母块用于与丝杠螺纹连接，丝杠安装在z轴导轨内，z轴滑块安装在z轴导轨上，伺服电机输出轴与丝杠的一端固定连接，伺服电机旋转带动丝杠旋转，进而带动z轴滑块沿着z轴导轨实现z轴移动。

5、所述喷头装置包括喷头支座一、喷头和喷头支座二，其中喷头支座一和喷头支座二固定连接在喷头的外部，喷头支座一和喷头支座二通过螺纹连接安装在机架上，从而使得喷头固定在机架上。

6、所述喷头包括伺服电机、压力传感器、对电极、喷头端盖、喷头外壳、螺纹杆和活塞，其中对电极集成在喷头端盖上，喷头端盖与喷头外壳螺纹连接，螺纹杆与喷头端盖螺纹连接，伺服电机与螺纹杆固定连接，活塞与螺纹杆固定连接，压力传感器与喷头外壳固定连接，压力传感器用于检测金属盐溶液的喷出压力，当金属盐溶液的喷出压力小于设定值时，伺服电机控制螺纹杆转动使活塞向下运动，增大金属盐溶液的输出压力；当金属盐溶液的喷出压力大于设定值时，步进电机控制螺纹杆转动使活塞向上运动，减小金属盐溶液的输出压力。

7、所述力灵敏传感器包括支撑杆和石英晶体音叉，其中石英晶体音叉固定在支撑杆上。

8、所述原子力显微镜悬臂包括引流尖端、流道一出口、流道一、流道一进口、流道二出口、流道二和流道二进口，其中流道一分别连接流道一出口和流道一进口，流道二分别连接流道二出口和流道二进口，流道一出口和流道二进口分别位于引流尖端两侧，流道一进口与喷头通过软管连接，流道二出口与蠕动泵通过软管连接；

9、调整喷头内活塞的位置使得喷头内盐溶液以合适的压力流经流道一，沿着引流尖端流出，在流道一出口与阴极基底之间形成液桥，与此同时，通过控制蠕动泵的流量使液桥内的部分液体沿引流尖端的另一侧经过流道二流到废液存储槽内，流道一出口，流道二进口与阴极基底之间的盐溶液形成稳定的弯月面，金属离子在引流尖端下方的阴极基底局部还原；在沉积过程中，力灵敏传感器始终和原子力显微镜悬臂背面接触但不产生压力，力灵敏传感器的信号保持不变，当沉积物生长到接触引流尖端，原子力显微镜悬臂会发生偏转，使石英晶体音叉受力，使信号发生变化，计算机程序检测到变化的电信号后，伺服电机会带动螺纹杆旋转使活塞向上运动减小盐溶液的输出压力，同时控制蠕动泵的流量使得引流尖端下的盐溶液减少，导致沉积过程中断。

10、所述z轴旋转装置包括底座、压电陶瓷电动机、打印平台、滚珠轴承、位置检测模块和固定环，其中压电陶瓷电动机与底座通过螺纹连接，位置检测模块与底座通过螺纹连接，滚动轴承外圈与固定环内侧紧固连接，固定环固定在底座的中心，打印平台与滚珠轴承内圈紧固连接；

11、所述打印平台包括透明外壳、参比电极、阴极基底、摩擦带和旋转轴，其中透明外壳固定在阴极基底上方，参比电极固定在透明外壳内壁上，摩擦带固定在透明外壳外壁上，旋转轴固定在透明外壳的底部中心，旋转轴与滚珠轴承内圈紧固连接，参比电极、阴极基底和对电极组成三电极电化学电池，对电极用于连接电源正极，阴极基底用于连接电源负极；

12、所述压电陶瓷电动机包括限位弹簧、摩擦片、薄矩形压电陶瓷片、谐振电感、外壳和压紧弹簧，其中薄矩形压电陶瓷片上面绑定电极a、电极b、电极a1和电极b1，其中电极a和电极a1，电极b和电极b1之间分别用导线连接，摩擦片固定在薄矩形压电陶瓷片上，谐振电感固定在外壳上并与薄矩形压电陶瓷片通过导线连接，限位弹簧将薄矩形压电陶瓷片固定在外壳上，压紧弹簧使得摩擦片与被作用部件紧紧接触；

13、给压电陶瓷电动机施加交变电压之后，摩擦片会产生圆形或椭圆形运动轨迹，通过摩擦作用驱动摩擦带运动，该压电陶瓷电动机可实现多级调速，在粗调阶段施加大电压运动速度快，工作行程大，在精调阶段施加小电压控制精度高。

14、所述y轴压电驱动工作台包括导轨一、压电陶瓷电动机、摩擦带、滑块一和位置检测模块，其中压电陶瓷电动机与导轨一通过螺纹连接，摩擦带固定在滑块一上，滑块一放置在导轨一上，位置检测模块与导轨一通过螺纹连接，导轨一通过螺纹连接安装在滑块二上。

15、所述x轴压电驱动工作台包括导轨二、压电陶瓷电动机、摩擦带、滑块二和位置检测模块，其中导轨二通过螺纹连接安装在机架上，压电陶瓷电动机通过螺纹连接安装在导轨二上，摩擦带固定在滑块二上，滑块二放置在导轨二上，位置检测模块通过螺纹连接安装在导轨二上。

16、采用流量控制双流道区域电化学沉积增材制造装置的制造方法，包括下列步骤：

17、(1)电沉积金属盐溶液的配置：配制材料为单一金属离子的盐溶液，将粉末硫酸盐溶于去离子水，加入适量的浓硫酸用于稳定溶液ph值，得到所需的电沉积金属盐溶液；

18、(2)模型数据转化：用catia软件构建零件的三维模型，切片层处理形成stl格式文件，通过控制喷头装置、输出电压和运动平台速度，按扫描路径逐层沉积成形；

19、(3)金属盐溶液的注入：卸下喷头装置的喷头端盖，将金属盐溶液注入到喷头的容腔内，安装上喷头端盖；

20、(4)微观金属零件的打印：给z轴移动装置的伺服电机施加脉冲电压使原子力显微镜悬臂向下移动，与此同时利用ccd显微镜进行观察，使得引流尖端逐渐接近阴极基底，以致两者之间的距离缩小到可以产生原子力；接通电源，在对电极和阴极基底之间施加电压，调整喷头装置的压力传感器使得喷头内盐溶液以合适的压力流经流道一，沿着引流尖端流出，在流道一出口与阴极基底之间形成液桥，与此同时，通过控制蠕动泵的流量使液桥内的部分液体沿引流尖端的另一侧经过流道二流到废液存储槽内，流道一出口，流道二进口与阴极基底之间的盐溶液形成稳定的弯月面，金属离子在引流尖端下方的阴极基底局部还原；在沉积过程中，力灵敏传感器始终和原子力显微镜悬臂背面接触但不产生压力，力灵敏传感器的信号保持不变，当沉积物生长到接触引流尖端，原子力显微镜悬臂会发生偏转，使石英晶体音叉受力，信号发生变化，计算机程序检测到变化的信号后，控制喷头装置的活塞位置和蠕动泵的流量使得引流尖端下的盐溶液减少，导致沉积过程中断；之后，通过调整z轴移动装置、z轴旋转装置、x轴压电驱动工作台、y轴压电驱动工作台，使原子力显微镜悬臂到下个位置进行沉积，实现逐体素沉积，循环上述过程，完成设计结构的沉积；

21、(5)零件的清洗及干燥：沉积结束后，关闭电源，移动z轴移动装置使原子力显微镜悬臂引流尖端与阴极基底分离，用镊子将阴极基底从溶液中取出，清洗零件并干燥。

22、本发明的优点是：

23、(1)将微通道原子力显微镜悬臂与电化学技术结合，对原子力显微镜悬臂进行改造，解决了双流道在微纳尺度上对中性差的难题。同时，原子力显微镜引流尖端对电解液具有引流作用从而极大限度的保证了弯月面的稳定性。

24、(2)开发了由进液流道和吸液流道组成的双流道结构，双流道形成的弯月面相对于单流道有更大的电流密度，可制备表面形貌良好的致密复杂结构，并且可通过控制流道一的压力和流道二的流量实现弯月面的局部动态流动。

25、(3)本发明采用压电陶瓷电动机，可实现两级精密定位控制，在粗调阶段施加大电压工作行程大，效率高；在精调阶段施加小电压，控制精度高，同时还设置了位置检测模块用于检测位置，并传回计算机与目标位置进行比较，形成控制闭环，提高控制精度。

26、(4)本发明开发了四自由度打印模式，允许更灵活的打印轨迹设计和更丰富的机构设计，扩大了可打印复杂结构的范围。

27、(5)本发明采用力灵敏传感器来检测原子力显微镜悬臂的偏转，具有灵敏度高、工作状态稳定、响应速度快的优点，避免了常用的光学检测系统布置光路的复杂性。

28、(6)本发明用于微纳级金属零件制造，在航空航天、医疗、电子等精密机械制造领域具有潜力。