一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置与方法，包括机架、精密电控移动平台模块、增压模块、机械手模块、打印头模块、恒温模块、磁场生成模块、隔振模块、电解液循环模块、控制模块。利用电化学沉积与增材制造技术相结合，并在磁场耦合作用下成型三维微零件，打印头接受增材制造CAD模型处理的信息，通过CNC控制保持打印头的四维运动，使阳极与阴极极间距保持100微米以下，磁场生成模块产生的磁场作用于极间距，电解液循环模块保证成型材料的供给，从而形成磁场、电场、流场耦合作用下的电化学增材制造，实现微米级零件成型。通过调整脉冲频率、占空比、磁场强度、极间距、极间电压、制造出定域性强、成型组织均匀性较好的微型零件。好的微型零件。好的微型零件。

【技术实现步骤摘要】
一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置与方法


[0001]本专利技术属于微细零件装置
，特别涉及一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置与方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着产品微型化的到来，微纳尺度三维器件，在诸多领域有着巨大的产业需求。
[0003]增材制造技术(additive manufacturing，AM)是一种采用材料逐渐累加堆积成具有一定结构和功能的实体零件或原型的先进制造技术，是当前材料制备科学和先进制造技术学科领域的国际前沿研究和竞争热点之一。电化学增材制造(ECAM)也叫电化学3D打印，是一种相对较新的增材制造形式，结合电沉积技术和增材制造技术，通过还原溶液中的金属离子，将薄且高度粘附的金属层沉积到导电基材表面。
[0004]如今三维金属微结构的增材制造技术，以激光、电子束为热源的激光烧结技术和电子束熔化成形技术为典型代表，但存在高热残余应力和应变、氧化相变偏析，影响成形件的力学性能与尺寸精度，金属零件内部存在气孔、裂纹、夹杂、未熔合等缺陷，使其有一定的局限性。电化学增材制造技术，由于沉积过程中材料的转移以离子尺度进行，可达到微纳加工精度，且沉积层内应力小、无热变形、无裂纹等特点，使得这种加工方式在微细制造领域、甚至纳米制造领域都有着很大的发展潜能，从而实现高精度、高性能、复杂三维金属微结构的加工目标。
[0005]目前可以实现电化学增材制造技术有掩膜电沉积、月牙形电解液约束三维成形、局部电化学沉积(Localized Electrochemical Deposition，LECD)、激光诱导还原技术、聚焦电子/离子束诱导沉积技术(FEBID和FIBID)、EFAB技术(Electrochemical FABrication)、喷射电沉积技术、电化学打印技术、电化学扫描探针显微镜(electrochemical scanning probe microscopy,EC
‑
SPM)等主要技术。虽然电化学增材制造在微加工领域应用广泛，各种电化学沉积技术应用而生，然而部分电化学技术因其自身条件的限制，不能适用于增材制造，例如电化学打印，更趋向于印刷和涂层，个别电化学增材制造技术实施条件要求苛刻,且加工速度极慢，而且要求精度极高，例如电化学扫描探针显微镜技术、只能成型特定器件。而且目前成型件存在表面质量欠佳，晶粒结晶不稳定，定域性差等问题。
[0006]因此亟需一种可以利用电化学增材制造技术无热应力优点来成型微制造零件的特种加工设备与方法。

技术实现思路

[0007]为了克服以上技术问题，本专利技术的目的在于提供一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置与方法，在磁场、电场、流场耦合作用下的电化学增材制造，实现微米级零件成型技术。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置，包括机架、精密电控移动平台模块、增压模块、机械手模块、打印头模块、恒温模块、磁场生成模块、隔振模块、电解液循环模块、控制模块、计算机；机架上安装精密电控移动平台模块，机架中部架体上安装有增压模块，增压模块用于给打印头内部腔体提供压力，来调节打印头的喷射压力；精密电控移动平台模块的下方安装机械手模块，机械手模块与打印头模块相连并位于精密电控移动平台模块下方，机架最下方设置有隔振模块，隔振模块用于作为装置的基座，在隔振模块上面设置有恒温模块，恒温模块用来保持反应槽内部电解液的温度；磁场生成模块也在隔振模块上面，磁场生成模块主要用来产生磁场，使打印头模块在打印时处于磁场中，通过磁场来改善成型零件的打印质量；电解液循环模块也在隔振模块上面，电解液循环模块用于电解液的循环，供打印头内部充满电解液，使打印头模块有源源不断的电解液用来沉积金属；隔振模块上面还有控制模块，控制模块主要用来执行计算机传输的控制指令和传感器的反馈指令，控制精密电控移动平台模块的运动以及反馈传感器的信息；计算机也在隔振模块上面安放，计算机主要用于CAD三维设计软件完成三维结构设计，专用快速成形软件对模型进行切片处理，规划路径扫描方式，生成G代码，检测软件检测打印过程中检测传感器传输的信号。
[0010]所述机械手模块包括机械手安装板、驱动电机、机械手臂固定板、转筒、机械手、握爪，其中机械手安装板成7字形，一边与X轴移动上连接板固连，一边连接驱动电机和机械手臂固定板，转筒与机械手臂固定板固接、机械手安装在转筒内部，握爪固连在机械手上。驱动电机带动机械手在转筒内部转动，从而实现机械手模块在Y
‑
Z平面的转动。
[0011]所述打印头模块包括反应槽、打印头、微阳极、辅助电极、打印头端盖、极间电压、阴极接线柱、阴极、阴极板、传感器，其中打印头与打印头端盖螺纹连接在一起，打印头内部为空腔结构，微阳极、辅助电极通过打印头端盖小孔伸入打印头内部，微阳极伸出打印头数微米，与打印头柱形结构形成同心圆柱结构，供电解液流动。阴极板上放基地材料形成阴极，阴阳极之间通过极间电压施加微电压(小于4V)，反应槽处于整个模块的正下方，用来承接打印头流出来的电解液，传感器安装在阴极板上，用来测量微阳极和阴极的间距，该传感器信号被计算机接受并且由计算机控制Z轴移动，从而改变微阳极和阴极的间距。
[0012]所述微阳极材料选择纯度为99.99％的铂丝，直径为0.3mm，打磨成尖端为锥形，锥尖尺寸为10μm，锥尖伸出打印头1
‑
5μm,形成微阳极。所述的微阳极与阴极距离小于100μm。
[0013]在磁场生成模块的作用下，将微阳极和阴极间距保持在100μm以下，使得电化学反应处于磁场、电场、流场耦合的微区域，磁场产生的MHD效应对极间微区域搅拌，增加传质和改善成型组织的形貌以及晶粒的大小，另外极小的极间距可以提升微阳极的定域性，与增材制造技术所特有的CAD三维造型、分层切片、数据处理、扫描路径优化和CNC控制技术结合，从而实现室温下连续成型微米精度的增材制造。
[0014]所述计算机用于CAD三维设计软件完成三维结构设计，再通过专用快速成形软件对模型进行切片处理，设置好切面厚度和路径扫描方式，生成G代码，G代码作为控制模块的输入，另外计算机上面的检测软件可以对打印过程中微阳极和阴极的间距进行控制，防止增材制造过程中成型材料和阳极发生接触，造成短路。
[0015]所述的电解液其特征在于，如若成型其他材料的零件，只需要将电解液配方进行更换就可以成型相应材料，例如Zn、Ag、Co、Cu等金属。
[0016]所述一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置的使用方法，包括以下步骤；以磁场辅助电化学增材制造镍零件为例：
[0017](1)使用计算机通过CAD三维设计软件完成三维结构设计，再通过专用快速成形软件对模型进行切片处理，设置好切面厚度和路径扫描方式，生成G代码，G代码作为控制系统的输入，实现对打印头的X、Y、Z、Y
‑
Z平面的移动以及转动控制；
[0018](2)配置电解液，含有浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置，其特征在于，包括机架(1)、精密电控移动平台模块(2)、增压模块(3)、机械手模块(4)、打印头模块(5)、恒温模块(6)、磁场生成模块(7)、隔振模块(8)、电解液循环模块(9)、控制模块(10)、计算机(11)；机架(1)上安装精密电控移动平台模块(2)，机架(1)中部架体上安装有增压模块(3)，增压模块(3)用于给打印头(5
‑
2)内部腔体提供压力，来调节打印头(5
‑
2)的喷射压力；精密电控移动平台模块(2)的下方安装机械手模块(4)，机械手模块(4)与打印头模块(5)相连并位于精密电控移动平台模块(2)下方，机架(1)最下方设置有隔振模块(8)，隔振模块(8)用于作为装置的基座，恒温模块(6)、磁场生成模块(7)、电解液循环模块(9)、控制模块(10)、计算机(11)安装在隔振模块8上面，恒温模块(6)用来保持反应槽(5
‑
1)内部电解液的温度。磁场生成模块(7)用来产生磁场，使打印头模块(5)在打印时处于磁场中，通过磁场来改善成型零件的打印质量。电解液循环模块(9)用来电解液循环，供打印头(5
‑
2)内部充满电解液，控制模块(10)用来执行计算机(11)传输的控制指令和传感器(5
‑
9)的反馈指令，控制精密电控移动平台模块(2)的运动以及反馈传感器(5
‑
9)的信息，计算机(11)用于CAD三维设计软件完成三维结构设计，专用快速成形软件对模型进行切片处理，规划路径扫描方式，生成G代码，检测软件检测打印过程中检测传感器传输的信号。2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置，其特征在于，所述机械手模块(4)包括机械手安装板(4
‑
1)、驱动电机(4
‑
2)、机械手臂固定板(4
‑
3)、转筒(4
‑
6)、机械手(4
‑
4)、握爪(4
‑
5)，其中机械手安装板(4
‑
1)成7字形，一边与X轴移动(2
‑
3)上连接板(2
‑3‑
1)固连，一边连接驱动电机(4
‑
2)和机械手臂固定板(4
‑
3)，转筒(4
‑
6)与机械手臂固定板(4
‑
3)固接、机械手(4
‑
4)安装在转筒(4
‑
6)内部，握爪(4
‑
5)固连在机械手(4
‑
4)上，驱动电机(4
‑
2)带动机械手(4
‑
4)在转筒(4
‑
6)内部转动，从而实现机械手模块(4)在Y
‑
Z平面的转动。3.根据权利要求1所述的一种磁场辅助电化学增材制造微细零件装置，其特征在于，所述打印头模块(5)包括反应槽(5
‑
1)、打印头(5
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2)、微阳极(5
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3)、辅助电极(5
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4)、打印头端盖(5
‑
5)、极间电压(5
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6)、阴极接线柱(5
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7)、阴极(5
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8)、阴极板(5
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9)、传感器(5
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10)，其中打印头(5
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2)与打印头端盖(5
‑
5)螺纹连接在一起，打印头(5
‑
2)内部为空腔结构，微阳极(5
‑
3)、辅助电极(5
‑
4)通过打印头端盖(5
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5)小孔伸入打印头(5
‑
2)内部，微阳极(5
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3)伸出打印头(5
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2)数微米，与打印头(5
‑
2)柱形结构形成同心...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亮亮，马保吉，曹晋奎，李翔宇，李兆兴，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：