阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法，属于金属材料电化学3D打印领域。阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统分别固定在电控箱的机箱主体上，金属盐溶液循环加热系统安装在电控箱的机箱主体内，金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输出管路与阵列式高速电化学3D打印装置的沉积室入水口相连、金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连。优点是将图形像素解析技术、压电超精密驱动技术、光电耦合技术与金属电化学技术相结合，极大的提高了打印的定位精度、成形速度，具有打印效率高，成形晶粒细化、硬度大等优势，适应范围广，应用能力强，在制造领域具有巨大潜力。

【技术实现步骤摘要】
阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法
本专利技术属于金属材料电化学3D打印
，具体涉及一种阵列式复合电场作用下的金属材料零件电化学微纳尺度高速增材制造装置。
技术介绍
金属电化学3D打印技术通过还原溶液中的金属阳离子，定向可控的沉积还原后的金属原子到对应位置的阴极基板上，在可控的多种环境条件下，定量的控制电压大小，放电距离，达到沉积不同金属材料和控制沉积质量的目的，而不会造成传动机械加工的力学损伤，且金属电化学3D打印无需昂贵的激光发生器或特定的惰性气体环境，成本较低，但打印精度不高、效率低。光电耦合技术通过发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。阵列电场叠加原理通过对单电极的电压、横截面等参数的设定，实现在多电场复合情况下，对电场形貌、场内电势强弱的有效调控。压电驱动技术通过压电陶瓷材料的逆压电效应，控制其机械变形产生旋转或直线运动，使用精密驱动装置提供单方向上的纳米尺度高精密位移，从而实现定量的距离控制。图形像素解析技术常用于指拍摄图片的分辨率，在这里取像素的引申概念，将数个光敏单元看成“像素”，每个“像素”产生信号解析对应单电极的控制，实现对整体打印图形面的形貌控制。
技术实现思路
本专利技术提供一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置及方法，以解决目前存在的打印精度不高、效率低等问题。本专利技术采取的技术方案是：包括阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统、电控箱、金属盐溶液循环加热系统，其中阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统分别固定在电控箱的机箱主体上，金属盐溶液循环加热系统安装在电控箱的机箱主体内，金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输出管路与阵列式高速电化学3D打印装置的沉积室入水口相连、金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连。本专利技术所述阵列式高速电化学3D打印装置包括法拉第笼、XYZ高精度运动平台、Z轴压电超精密驱动平台、阵列电极基体、沉积室箱体、隔振实验台、阵列打印头基体支座、阵列电极基体固定螺栓、石墨电极阵列、打印头基体支座固定螺栓、石墨电极阵列绝缘保护膜、阴极基板、沉积室出水口、沉积室固定螺栓、沉积室入水口、温度监测仪、石墨封装粉末、电极控制线、观测窗；其中：法拉第笼覆盖隔振实验台整体外面，隔振实验台安装在电控箱的机箱主体上，XYZ高精度运动平台安装在隔振实验台上，Z轴压电超精密驱动平台安装在XYZ高精度运动平台的Z轴上，所述Z轴压电超精密驱动平台包括负载工作台、平台基底、压电叠堆预紧螺栓、压电叠堆、负载工作台固定螺栓，其中压电叠堆嵌入平台基底内，通过压电叠堆预紧螺栓预紧，负载工作台安装于平台基底上表面，通过负载工作台固定螺栓固定在平台基底上；石墨电极阵列嵌套在墨电极阵列绝缘保护膜内，组合安装于阵列电极基体中，电极控制线通过石墨封装粉末封装于阵列电极基体电极孔内，阵列电极基体安装于阵列打印头基体支座中，阵列电极基体通过阵列电极基体固定螺栓固定在阵列打印头基体支座上表面，阵列打印头基体支座再通过打印头基体支座固定螺栓固定于Z轴压电超精密驱动平台上；沉积室箱体通过沉积室固定螺栓固定在隔振实验台上，沉积室箱体侧面安装有观测窗，阴极基板置于沉积室箱体底部，温湿度监测仪置于沉积室箱体上部，沉积室入水口与金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输入管路相连，沉积室出水口与金属盐溶液循环加热系统的出金属盐溶液回收管路连接。本专利技术所述的XYZ高精度运动平台运动精度为0.1μm/s，Z轴压电精密驱动器的精度为3nm/s，石墨电极阵列与石墨电极阵列绝缘保护膜结合，需将电极前端裸露，使电极间产生的电场发生复合。本专利技术所述的光信号收发系统包括光敏阵列板支架、光敏阵列板、光敏阵列板底座、光源发生器、光源发生器支架、光源发生器底座、光源发生器底座固定螺栓，其中光敏阵列板由阵列光信号接收器有序排列组成，内部集成输出电路与电控箱的光信号处理器相连，通过光敏阵列板支架安装在光敏阵列板底座上，光敏阵列板底座安装在电控箱的机箱主体上表面，光源发生器通过光源发生器支架安装于光源发生器底座中，光源发生器底座通过光源发生器底座固定螺栓紧固于电控箱的机箱主体上表面，光源发生器与光敏阵列板保持一定距离，光源发生器发出的光能够完全投影在光敏阵列板内。本专利技术所述的光敏阵列板将5×5mm的光敏传感器以1mm间隙组合，与石墨阵列电极相同的排布顺序插入光敏阵列板上，阵列传感器在光电耦合作用下产生的电信号通过光敏阵列板中的集成电路传输至电控箱的光信号处理器，光信号处理器发送分解光信号信息给多轴控制卡，再经直流电源放大器放大后，输出给石墨电极阵列。本专利技术所述的电控箱包括驱动装置手动控制面板、直流电源放大器、多轴控制卡、光信号处理器、机箱主体、显示器、工作站；其中手动控制面板安装在机箱主体上表面，直流电源放大器、多轴控制卡、光信号处理器并列放置于机箱主体内隔断上层，显示器、工作站摆放于机箱主体上表面右侧。本专利技术所述的金属盐溶液循环加热系统包括含过滤、加热功能的储液罐、高速离心泵、储液罐上盖、金属盐溶液回收管路、金属盐溶液输入管路、储液罐上盖密封螺栓、水浴加热箱；其中储液罐置于水浴加热箱内，水浴加热箱置于电控箱的机箱主体底部，储液罐通过储液罐上盖、储液罐上盖密封螺栓密封，高速离心泵安装于储液罐上盖顶部溶液出口处，金属盐溶液输出管路底端与高速离心泵相连，金属盐溶液输出管路沉积室入水口相连，金属盐溶液回收管路底部连通储液罐，金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连，形成闭环循环管路。一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造方法，包括下列步骤：(1)配制金属离子盐溶液金属盐溶液为含Ni、Cu、Fe、Cr、Zn、Au、Ti、Pt、Ag离子或其各自合金的盐溶液；(2)阳极用材料制备阳极用材料为石墨阵列电极，将圆柱状石墨阵列外面包裹一层具有热塑性的绝缘保护膜，通过热风枪将其封装，同时铂丝外表面留出1-5mm的裸露层，取一排这样封装好的石墨电极使用磨光机在另一端打磨使其露出电极阵列截面在同一水平面内，插入阵列电极基体的基板孔内，插入孔深的3/4并对齐，将电极控制线插入入阵列电极基体的基板孔内，使用石墨封装粉末封堵基板孔；(3)阴极用材料制备用厚度为1-2mm的纯度为99.9％的紫铜板为阴极基板，先进行表面预处理：依次进行机械研磨，化学除油，化学抛光，酸洗活化，吹干处理，根据3D打印需要，紫铜板经金相砂纸逐级打磨，在机械研磨后采用碱液除油，并用高温清洗，彻底去除表面残留物质，再次将除油后的阴极基体放入化学试剂抛光直至机械研磨产生的表面划痕消除，取出后用蒸馏水冲洗，对铜板进行表面活化处理，采用98％浓硫酸与37％盐酸的混合活化液10min，处理后取出用去离子水清洗，并用酒精在超声波中处理，吹干后固定阴极基板于沉积室箱体中；(4)零件模型数据制作用三维建模软件CATIA建立需要打印的零件模型，保存成STL格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到工作站中，通过输出控制，按扫描路径逐层沉积成形；(5)金属离子溶液封装将配置好的金属离子盐溶液装入储液罐中，通过高速离心泵抽取，通过金属盐溶液输入管路连通沉积室箱体进入沉积室内；(6)金属材料打印工作站通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：包括阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统、电控箱、金属盐溶液循环加热系统，其中阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统分别固定在电控箱的机箱主体上，金属盐溶液循环加热系统安装在电控箱的机箱主体内，金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输出管路与阵列式高速电化学3D打印装置的沉积室入水口相连、金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连。

【技术特征摘要】
1.一种阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：包括阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统、电控箱、金属盐溶液循环加热系统，其中阵列式高速电化学3D打印装置、光信号收发系统分别固定在电控箱的机箱主体上，金属盐溶液循环加热系统安装在电控箱的机箱主体内，金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输出管路与阵列式高速电化学3D打印装置的沉积室入水口相连、金属盐溶液回收管路与沉积室出水口相连。2.根据权利要求1所述的阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：所述阵列式高速电化学3D打印装置包括法拉第笼、XYZ高精度运动平台、Z轴压电超精密驱动平台、阵列电极基体、沉积室箱体、隔振实验台、阵列打印头基体支座、阵列电极基体固定螺栓、石墨电极阵列、打印头基体支座固定螺栓、石墨电极阵列绝缘保护膜、阴极基板、沉积室出水口、沉积室固定螺栓、沉积室入水口、温度监测仪、石墨封装粉末、电极控制线、观测窗；其中：法拉第笼覆盖隔振实验台整体外面，隔振实验台安装在电控箱的机箱主体上，XYZ高精度运动平台安装在隔振实验台上，Z轴压电超精密驱动平台安装在XYZ高精度运动平台的Z轴上，所述Z轴压电超精密驱动平台包括负载工作台、平台基底、压电叠堆预紧螺栓、压电叠堆、负载工作台固定螺栓，其中压电叠堆嵌入平台基底内，通过压电叠堆预紧螺栓预紧，负载工作台安装于平台基底上表面，通过负载工作台固定螺栓固定在平台基底上；石墨电极阵列嵌套在墨电极阵列绝缘保护膜内，组合安装于阵列电极基体中，电极控制线通过石墨封装粉末封装于阵列电极基体电极孔内，阵列电极基体安装于阵列打印头基体支座中，阵列电极基体通过阵列电极基体固定螺栓固定在阵列打印头基体支座上表面，阵列打印头基体支座再通过打印头基体支座固定螺栓固定于Z轴压电超精密驱动平台上；沉积室箱体通过沉积室固定螺栓固定在隔振实验台上，沉积室箱体侧面安装有观测窗，阴极基板置于沉积室箱体底部，温湿度监测仪置于沉积室箱体上部，沉积室入水口与金属盐溶液循环加热系统的金属盐溶液输入管路相连，沉积室出水口与金属盐溶液循环加热系统的出金属盐溶液回收管路连接。3.根据权利要求2所述的阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：所述的XYZ高精度运动平台运动精度为0.1μm/s，Z轴压电精密驱动器的精度为3nm/s，石墨电极阵列与石墨电极阵列绝缘保护膜结合，需将电极前端裸露，使电极间产生的电场发生复合。4.根据权利要求1所述的阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：所述的光信号收发系统包括光敏阵列板支架、光敏阵列板、光敏阵列板底座、光源发生器、光源发生器支架、光源发生器底座、光源发生器底座固定螺栓，其中光敏阵列板由阵列光信号接收器有序排列组成，内部集成输出电路与电控箱的光信号处理器相连，通过光敏阵列板支架安装在光敏阵列板底座上，光敏阵列板底座安装在电控箱的机箱主体上表面，光源发生器通过光源发生器支架安装于光源发生器底座中，光源发生器底座通过光源发生器底座固定螺栓紧固于电控箱的机箱主体上表面，光源发生器与光敏阵列板保持一定距离，光源发生器发出的光能够完全投影在光敏阵列板内。5.根据权利要求4所述的阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：所述的光敏阵列板将5×5mm的光敏传感器以1mm间隙组合，与石墨阵列电极相同的排布顺序插入光敏阵列板上，阵列传感器在光电耦合作用下产生的电信号通过光敏阵列板中的集成电路传输至电控箱的光信号处理器，光信号处理器发送分解光信号信息给多轴控制卡，再经直流电源放大器放大后，输出给石墨电极阵列。6.根据权利要求1所述的阵列复合电场金属电化学微纳尺度增材制造装置，其特征在于：所述的电控箱包括驱动装置手动控制面板、直流电源放大器、多轴控制卡、光信号处理器、机箱主体、显示器、工作站；其中手动控制面板安装在机箱主体上表面，直流电源放大器、多轴控制卡、光信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文征，曲涵，朱镜达，刘天宇，陈相，侯丽瑶，赵继，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22