1.一種多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,包括多電位電沉積加工系統(tǒng)、溶液的吸液循環(huán)系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng);
所述的多電位電沉積加工系統(tǒng)包括電極座、工具電極、工件基板、可調(diào)脈沖電源、可調(diào)電阻、工作腔、工作臺,所述工具電極主要由內(nèi)電極、絕緣材料和外電極構(gòu)成,所述內(nèi)電極、絕緣材料和外電極均為筒狀,所述絕緣材料設(shè)置在內(nèi)電極與外電極之間,所述工具電極裝在電極座上,所述電極座上具有與軸向、徑向相連通的通孔,所述電極座軸向的通孔與內(nèi)電極中心的空腔連通,所述內(nèi)電極與可調(diào)脈沖電源的正極相連,具有高電位,所述外電極與可調(diào)脈沖電源的負(fù)極相連,具有低電位;所述工作腔用于盛放電沉積液,所述工作臺設(shè)置在工作腔內(nèi)部,工件基板能夠安裝在工作臺上,所述工件基板通過可調(diào)電阻與可調(diào)脈沖電源的負(fù)極相連,具有中電位;
所述溶液吸液循環(huán)系統(tǒng)包括連通工作腔的底部與電極座的循環(huán)管,設(shè)置在循環(huán)管上的流量泵、溢流閥;
所述運(yùn)動控制系統(tǒng)包括計算機(jī)、X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺、力傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集卡,所述力傳感器裝在電極座與X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺上所述電極座裝在力傳感器上;所述力傳感器、所述流量計均與所述數(shù)據(jù)采集卡相連,所述數(shù)據(jù)采集卡、所述X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺均與所述計算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,所述工作腔底部連接循環(huán)管的位置設(shè)置有過濾裝置,循環(huán)管與電極座連接的一端端部為橡膠管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,所述工具電極的外電極下端面與絕緣材料下端面及內(nèi)電極下端面三者光滑齊平,內(nèi)電極及端面光滑導(dǎo)電,內(nèi)電極孔錐度0°~5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,所述可調(diào)電阻阻值的可調(diào)范圍為0~200Ω。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,所述可調(diào)脈沖電源的電壓0~30V,頻率1~5000Hz,占空比0~100%;所述可調(diào)脈沖電源具有短路保護(hù)及短路報警功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電位吸液電沉積3D打印裝置,其特征在于,所述工具電極的內(nèi)電極為銅管電極,外電極為石墨電極,所述工件基板為導(dǎo)電材料,所述絕緣材料為絕緣橡膠材料。
7.一種多電位吸液電沉積3D打印方法,其特征在于,包括以下步驟:
(1)組裝工具電極,并將其安裝在電極座上,將所述可調(diào)脈沖電源正極連接所述電極座的正接線柱,所述正接線柱與所述內(nèi)電極連接,將可調(diào)脈沖電源負(fù)極連接所述電極座的負(fù)接線柱,所述負(fù)接線柱與所述外電極連接,將所述工件基板安裝在工作臺上,并通過可調(diào)電阻連接所述可調(diào)脈沖電源的負(fù)極,使得內(nèi)電極具有高電位、外電極具有低電位、工件基板具有中電位,構(gòu)成多電位沉積加工系統(tǒng);
(2)將過濾裝置安裝在工作腔底部,采用循環(huán)管依次將所述過濾裝置與流量泵、溢流閥、流量計、橡膠管及電極座連接,構(gòu)成電沉積液循環(huán)系統(tǒng);
(3)將力傳感器安裝在X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺Z軸,并將所述電極座安裝在所述力傳感器下方夾頭上;
(4)通過實(shí)驗(yàn)建立數(shù)據(jù)庫,向工作腔中添加電沉積液,通過控制X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺將工具電極移動至工件加工位置,啟動流量泵,工具電極內(nèi)孔吸收電沉積液,通過溶液的吸液循環(huán)系統(tǒng)將電沉積液輸送至工作腔內(nèi),工具電極內(nèi)孔吸收電沉積液時在工件基板與工具電極之間產(chǎn)生吸力,通過流量計、力傳感器檢測不同的吸液流量情況下工件基板與工具電極之間的吸力值,并通過數(shù)據(jù)采集卡將流量、吸力值傳輸至計算機(jī)并存儲作為數(shù)據(jù)庫;
(5)接通所述可調(diào)脈沖電源,形成多電位沉積加工系統(tǒng),工件基板上開始出現(xiàn)沉積體,在沉積的過程中工具電極上加工電流由高電位的內(nèi)電極流向中電位的工件基板時,由于內(nèi)電極外環(huán)繞著低電位的外電極,使內(nèi)電極邊緣處電場被外電極吸引偏轉(zhuǎn),工件基板上的電流密度被定域集中,減小雜散沉積現(xiàn)象,提高沉積定域性;在電沉積過程中,流量泵為開啟狀態(tài),將溶液由工具電極內(nèi)孔向上吸出,再送回到工作腔循環(huán)流動,使電沉積產(chǎn)生的氫氣泡隨之被吸出,提高加工表面質(zhì)量;同時電沉積溶液中金屬離子隨水流方向不斷向工具電極中心匯聚,電沉積溶液流動方向與沉積體生長方向相同,提高定域沉積效果;電沉積液的循環(huán)降低了濃差極化,提高沉積速度;所述流量計檢測循環(huán)管內(nèi)流量值并將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)采集卡,所述數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)上傳計算機(jī),所述力傳感器檢測所述工具電極與所述電沉積液間的吸力,并將數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)采集卡,所述數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)上傳計算機(jī);隨著加工的進(jìn)行,工具電極與加工工件之間的間隙變小,即電沉積液通道變窄,工具電極端面流速逐漸增大,吸力也逐漸增大,所述力傳感器對吸力進(jìn)行高頻采集并將檢測的吸力值輸出到數(shù)據(jù)采集卡,所述數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)上傳計算機(jī),所述計算機(jī)將檢測到的吸力值和流量值同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值進(jìn)行比較,通過X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺沿Z軸運(yùn)動調(diào)整工具電極與加工工件之間的間隙,同時,所述計算機(jī)控制所述X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺沿X、Y軸運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)零件的3D打印。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多電位吸液電沉積3D打印方法,其特征在于,在所述步驟(1)前對所述工件依次進(jìn)行研磨、除油、水洗、弱侵蝕、水洗的處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多電位吸液電沉積3D打印方法,其特征在于,所述步驟(5)中,還包括通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻,改變工件基板的電位高低,實(shí)現(xiàn)粗、精加工的快速轉(zhuǎn)換;當(dāng)可調(diào)電阻的電阻值增大時,工件基板的電位升高,內(nèi)電極邊緣區(qū)域的金屬離子更多地流向電位低的輔助電極,流向工件基板的離子變少,有效沉積范圍變小,消除或降低雜散沉積現(xiàn)象,加工精度高;當(dāng)可調(diào)電阻值變小時,工件的電位降低,內(nèi)電極邊緣區(qū)域的金屬離子更多地流向工件基板,導(dǎo)致有效沉積范圍變大,產(chǎn)生或加重雜散沉積現(xiàn)象,加工精度低。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多電位吸液電沉積3D打印方法,其特征在于,步驟(5)中,加工過程中應(yīng)定時清理所述外電極上的沉積物。