CN112981479B - 一种用于微细电沉积加工的喷头及微细电沉积加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微细电沉积加工的喷头，包括：三通转接头、喷嘴和阳极，阳极插接于三通转接头的第一接口，喷嘴插接于三通转接头的第二接口，三通转接头的第三接口用于插接供液管；所述喷嘴的内部流道朝着出液口方向呈多级阶梯式缩小，所述阳极的一端与所述第一接口的内壁连接，另一端伸入到所述喷嘴内部，所述阳极伸入喷嘴内部的一端与所述喷嘴的内壁间隔一定距离。本发明还提供了一种微细电沉积加工装置。本发明能够解决管状电沉积喷头加工时副产物容易堵塞碰嘴的问题，同时阶梯状的内部流道结构能够解决锥形电沉积喷头无法精确控制内径的大小和壁厚的问题，从而降低加工成本。

Description

一种用于微细电沉积加工的喷头及微细电沉积加工装置

技术领域

本发明涉及微细电化学加工技术领域，更具体地，涉及一种用于微细电沉积加工的喷头及微细电沉积加工装置。

背景技术

电沉积是一种基于电化学阴极沉积原理的金属增材制造技术，相比于其他金属增材制造技术，例如激光增材制造，电子束增材制造和电弧增材制造等，不需要后续退火和均匀化热处理，没有残余应力。理论上只需诱导经氧化还原反应而成的金属原子或晶粒按设计意图可控地堆叠起来,就能利用电沉积技术来加工或打印成任意形状的金属基结构与零件。

随着科学技术的进步发展，人们对于微观世界的研究进一步深入。各种各样的毫米微米乃至纳米级别微尺寸微结构零部件在国防军事、航空航天、新能源、新材料、生物医学、半导体器件等领域发挥出越来越重要的作用。实现微尺度微结构零部件的微细加工是目前制造业所关注的一个重要发展方向，已经有利用微细电沉积来进行微结构金属零件的3D打印技术——电化学打印技术，利用喷嘴来约束电场，可以打印处高分辨率的复杂结构。

目前应用于微细电沉积加工的喷头主要有管状喷头和锥形喷头，但是管状喷头和锥形喷头在应用时都有一定的局限性：如CN109778244A公开了一种喷射电沉积3D微细金属增材制造装置，其采用喷头即为管状喷头，通过阳极的位置调整虽能够实现流量调节，但是管状喷嘴不能很好的排出加工过程中产生的气体副产物，气体容易积聚在阳极与喷嘴出液口附近，阻碍加工；如CN210856367U公开了一种用于喷射电沉积的喷嘴，所提供喷嘴体即为锥形流道，虽然没有喷头易堵塞的问题，但是加工复杂，锥形喷嘴很难精确控制内径的大小和壁厚，加工成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中，管状喷头存在的加工副产物易堵塞喷嘴从而阻碍加工的问题，以及锥形喷头存在的流道大小和壁厚不能精准控制而导致加工成本高的缺陷，提供一种用于微细电沉积加工的喷头及微细电沉积加工装置。本发明能够保证加工副产物有足够的空间上浮，不会影响电沉积加工，同时喷头内部流道为阶梯式逐步缩小，每级阶梯大小及壁厚可根据要求精准控制，易于铸模加工，从而降低加工成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于微细电沉积加工的喷头，包括：三通转接头、喷嘴和阳极，阳极插接于三通转接头的第一接口，喷嘴插接于三通转接头的第二接口，三通转接头的第三接口用于插接供液管，所述第一接口位于三通转接头的上端，所述第二接口位于所述三通转接头的下端，第一接口和第二接口正对；所述喷嘴的内部流道朝着出液口方向呈多级阶梯式缩小，所述阳极的一端与所述第一接口的内壁连接，另一端伸入到所述喷嘴内部，所述阳极伸入喷嘴内部的一端与所述喷嘴的内壁间隔一定距离。

这样，呈多级阶梯式缩小的喷嘴内部流道不是渐进缩小的，而是阶梯状突变的，这样的设计可以保证在喷嘴出液口内径几十微米的前提下依然给阳极与喷嘴内壁之间留有足够的间隙，能够保证气泡顺利上浮，进而保证加工顺利进行。

进一步的，所述喷嘴内部流道各阶梯截面均为圆形，各阶梯截面的圆心处于同一直线上。这样，喷嘴各阶梯的截面圆大小能够根据设计要求，将截面圆的大小数值精确控制在一个数值内，内部流道的各截面圆心处于同一直线，对外部形状没有确定要求，尺寸符合设计要求就能达到技术效果，解决了锥形喷嘴连续变径的加工精度和壁厚不易掌握的问题，喷嘴内部流道各阶梯加工时便于加工，降低加工成本；同时，喷嘴的内部流道由出液口至下而上为光滑的变径圆柱流道，没有转角，当气泡向上浮动时，不易受到阻碍。

进一步的，所述喷嘴的出液口所在端的末端为毛细管状，毛细管状末端的长度为0.5mm-5mm，所述喷嘴出液口的内径为10μm-500μm，喷嘴由耐腐蚀材料制成。这样，喷嘴能够适用于不同的工作液的电沉积反应，不易损坏，喷嘴末端毛细管状长度控制可以保证加工过程中，工作电极在一定距离之内，在同等电压下，为反应提供更强的电场，提高沉积速率，同时出液口的内径控制能够给工作液提供沉积反应所必要的通道，保证反应过程正常进行，从而便于调节电沉积反应过程的速率。

进一步的，所述阳极由直径不同的第一圆柱和第二圆柱组成，所述第一圆柱与第一接口的内壁连接，所述第二圆柱伸入喷嘴内部，所述第二圆柱直径小于第一圆柱，且第一圆柱和第二圆柱的轴线与喷嘴内部流道各阶梯截面的圆心处于同一直线上。这样，阳极能够保证位于喷嘴内部流道的中心轴上，阳极第二圆柱与喷嘴内部流道各阶梯内壁距离相同，不影响任一部位产生的气泡等副产物的通过效果。

进一步的，所述阳极第二圆柱的直径为喷嘴出液口内径的1-3倍，所述阳极的第二圆柱伸入喷嘴内部的一端端头与喷嘴的内侧壁间隔距离为阳极第二圆柱直径的1-5倍。这样，随着反应的持续进行，阳极产生的气泡不断长大，气泡不会因为喷嘴内壁与阳极之间的距离太小而隔断电场，阳极的第二圆柱末端与阴极的距离在同等电压下，可以为反应提供更强的电场，提高沉积速率。

进一步的，阳极的材料为惰性金属或与电沉积加工过程中的沉积金属相同。

本发明还提供了一种微细电沉积加工装置，包括：底座，设于所述底座上的运动平台，固定在运动平台上的液池，放置于液池中部的阴极，安装在底座上且位于所述液池上方的移动支架，固定于移动支架上的喷头夹具，连接在所述喷头夹具上的用于微细电沉积加工的喷头，用于给所述阴极和喷头的阳极供电的电源，以及用于连接所述喷头上供液管的供液***。

进一步的，所述用于微细电沉积加工的喷头通过螺钉和螺母固定于喷头夹具上，所述电源负极与阴极电连接，所述电源正极与用于微细电沉积加工的喷头的阳极电连接，供液***将工作液泵入供液管、工作液通过供液管到达所述用于微细电沉积加工的喷头。这样，加工前，先向喷嘴和供液管内注满工作液，供液***为电沉积加工提供新鲜工作液，工作液流经供液管、三通转接头和喷嘴，最终流向阴极，金属离子在阴极上得电子，变成金属原子，沉积在阴极上，从而沉积出三维结构。

进一步的，所述供液***包括注射器和微量注射泵，注射器卡装于微量注射泵的推拉卡座上。这样，通过微量注射泵提供动力，注射器持续不断地精准泵入新鲜工作液，实现精细电沉积加工，同时保证电沉积加工过程出液率稳定。

进一步的，所述运动平台能够实现XY轴移动，所述移动支架能够实现Z轴移动。这样，在进行微细电沉积加工时，能够从3个维度调整电沉积工件的结构和形状，保证低速运行平稳。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明阳极第二圆柱深入喷嘴内部，阳极的第二圆柱的末端与喷嘴的内壁间隔一定距离，呈多级阶梯式缩小的喷嘴内部流道是阶梯状突变的，能够保证在加工过程中加工副产物气泡不会聚集在阳极附近，或者粘附于侧壁，能够顺利上浮不阻碍加工。

(2)本发明喷嘴内部流道各阶梯截面均为圆形，内部流道的各截面圆心处于同一直线，截面圆的大小数值精确可控制在一个数值内，对外部形状没有确定要求，很大程度降低了加工难度，解决了锥形喷嘴连续变径的加工精度和壁厚不易掌握的问题，从而降低加工成本。

附图说明

图1为本发明中用于微细电沉积加工的喷头的整体示意图。

图2为图1中A处的局部放大图。

图3为本发明中微细电沉积加工装置的整体结构示意图。

图示标记说明如下：

1-阳极，2-三通转接头，3-供液管，4-电源，5-喷嘴，6-移动支架，7-注射器，8-微量注射泵，9-运动平台，10-喷头夹具，11-螺钉，12-螺母，13-液池，14-阴极，15-底座。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种用于微细电沉积加工的喷头，包括：三通转接头2、喷嘴5和阳极1，阳极1插接于三通转接头2上端的第一接口，喷嘴5插接于三通转接头2下端的第二接口，三通转接头2的第三接口用于插接供液管3，第一接口位于三通转接头2的上端，第二接口位于三通转接头2的下端，第一接口和第二接口正对；喷嘴5的内部流道朝着出液口方向呈多级阶梯式缩小，阳极1的一端与第一接口的内壁连接，另一端伸入到喷嘴5内部，阳极1伸入喷嘴5内部的一端与喷嘴5的内壁间隔一定距离。

这样，呈多级阶梯式缩小的喷嘴5内部流道不是渐进缩小的，而是阶梯状突变的，这样的设计可以保证在喷嘴5出液口内径几十微米的前提下依然给阳极1与喷嘴5内壁之间留有足够的间隙，能够保证气泡顺利上浮，进而确保加工顺利进行。

本实施例中，喷嘴5内部流道各阶梯截面均为圆形，各阶梯截面的圆心处于同一直线上。这样，喷嘴5各阶梯的截面圆大小能够根据设计要求，将截面圆的大小数值精确控制在一个数值内，内部流道的各截面圆心处于同一直线，对外部形状没有确定要求，尺寸符合设计要求就能达到技术效果，解决了锥形喷嘴连续变径的加工精度和壁厚不易掌握的问题，喷嘴5内部流道各阶梯便于加工，加工成本低；同时，喷嘴5的内部流道由出液口至下而上为光滑的变径圆柱流道，没有转角，当气泡向上浮动时，不易受到阻碍。

本实施例中，喷嘴5上出液口所在端的末端为毛细管状，毛细管状末端的长度为3mm，喷嘴5出液口的内径为200μm，喷嘴5由耐腐蚀材料制成。这样，喷嘴5能够适用于不同的工作液的电沉积反应，不易损坏，喷嘴5末端毛细管状长度控制保证了加工过程中，工作电极保证在一定距离之内，在同等电压下，为反应提供更强的电场，提高沉积速率，同时出液口的内径控制能够给工作液提供沉积反应所必要的通道，确保反应过程正常进行。

本实施例中，阳极1由直径不同的第一圆柱和第二圆柱组成，第一圆柱与第一接口的内壁连接，第二圆柱伸入喷嘴5内部，第二圆柱直径小于第一圆柱，且第一圆柱和第二圆柱的轴线与喷嘴5内部流道各阶梯截面的圆心处于同一直线上。这样，阳极1保证位于喷嘴5内部流道的中心轴上，阳极1第二圆柱与喷嘴5内部流道各阶梯内壁距离相同，不影响任一部位产生的气泡等副产物的通过效果。

本实施例中，阳极1第二圆柱的直径为喷嘴5出液口内径的2倍，阳极1的第二圆柱伸入喷嘴5内部的一端端头与喷嘴5的内侧壁间隔距离为阳极1第二圆柱直径的2倍。这样，随着反应的持续进行，阳极1产生的气泡不断长大，气泡不会因为喷嘴5内壁与阳极1之间的距离太小而隔断电场，阳极1的第二圆柱末端与阴极14的距离在同等电压下，为反应提供更强的电场，提高沉积速率。

本实施例中，阳极1的材料为惰性金属或与电沉积加工过程中的沉积金属相同。

实施例2

本实施例与实施例1类似，其区别在于，本实施例中，喷嘴5出液口末端为毛细管状，末端长度为5mm，喷嘴5出液口内径为500μm。深入喷嘴5内部的阳极1第二圆柱末端直径为喷嘴5出液口内径的3倍，阳极1的第二圆柱末端与喷嘴5的内壁间隔距离为阳极1第二圆柱直径的1倍。本实施例其他部分的结构及工作原理与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1类似，其区别在于，本实施例中，喷嘴5出液口末端为毛细管状，末端长度为0.5mm，喷嘴5出液口内径为10μm。深入喷嘴5内部的阳极1第二圆柱末端直径为喷嘴5出液口内径的1倍，阳极1的第二圆柱末端与喷嘴5的内壁间隔距离为阳极1第二圆柱直径的5倍。本实施例其他部分的结构及工作原理与实施例1相同。

实施例4

如图3所示，一种微细电沉积加工装置，包括：底座15，设于底座15上的运动平台9，固定在运动平台9上的液池13，放置于液池13中部的阴极14，安装在底座15上且位于液池13上方的移动支架6，固定于移动支架6上的喷头夹具10，连接在喷头夹具10上的用于微细电沉积加工的喷头，用于给阴极14和喷头的阳极1供电的电源4，以及用于连接喷头的供液管3的供液***。

本实施例中，用于微细电沉积加工的喷头通过螺钉11和螺母12固定于喷头夹具10上，电源4负极与阴极14电连接，电源4正极与用于微细电沉积加工的喷头的阳极1电连接，供液***将工作液泵入供液管3、工作液通过供液管到达用于微细电沉积加工的喷头。这样，加工前，先向喷嘴5和供液管3内注满工作液，供液***为电沉积加工提供新鲜工作液，工作液流经供液管3、三通转接头2和喷嘴5，最终流向阴极14，金属离子在阴极14上得电子，变成金属原子，沉积在阴极14上，从而沉积出三维结构。

本实施例中，供液***包括注射器7和微量注射泵8，注射器7卡装于微量注射泵8的推拉卡座上。这样，通过微量注射泵8提供动力，注射器7将工作液6持续不断精准泵入新鲜工作液，实现精细电沉积加工，同时保证电沉积加工过程出液率稳定。

本实施例中，运动平台能够实现XY轴移动，移动支架能够实现Z轴移动。这样，在进行微细电沉积加工时，能够从3个维度调整电沉积工件的结构和形状，其运动的控制精度可达5μm，保证低速运行平稳。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于微细电沉积加工的喷头，包括：三通转接头(2)、喷嘴(5)和阳极(1)，阳极(1)插接于三通转接头(2)的第一接口，喷嘴(5)插接于三通转接头(2)的第二接口，三通转接头(2)的第三接口用于插接供液管(3)；

其特征在于，所述喷嘴(5)的内部流道朝着出液口方向呈多级阶梯式缩小，所述阳极(1)的一端与所述第一接口的内壁连接，另一端伸入到所述喷嘴(5)内部，所述阳极(1)伸入喷嘴(5)内部的一端与所述喷嘴(5)的内壁间隔一定距离；

所述第一接口位于所述三通转接头(2)的上端，所述第二接口位于所述三通转接头(2)的下端，所述第一接口和所述第二接口正对；所述喷嘴(5)内部流道各阶梯截面均为圆形，各阶梯截面的圆心处于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的用于微细电沉积加工的喷头，其特征在于，所述喷嘴(5)由耐腐蚀材料制成，所述喷嘴(5)的出液口所在端的末端为毛细管状，毛细管状末端的长度为0.5mm-5mm，所述喷嘴(5)出液口的内径为10μm-500μm。

3.根据权利要求2所述的用于微细电沉积加工的喷头，其特征在于，所述阳极(1)由直径不同的第一圆柱和第二圆柱组成，所述第一圆柱与第一接口的内壁连接，所述第二圆柱伸入喷嘴(5)内部，所述第二圆柱直径小于第一圆柱，且第一圆柱和第二圆柱的轴线与喷嘴(5)内部流道各阶梯截面的圆心处于同一直线上。

4.根据权利要求3所述的用于微细电沉积加工的喷头，其特征在于，所述阳极(1)第二圆柱的直径为喷嘴(5)出液口内径的1-3倍。

5.根据权利要求4所述的用于微细电沉积加工的喷头，其特征在于，所述阳极(1)的第二圆柱伸入喷嘴(5)内部的一端端头与喷嘴(5)的内侧壁间隔距离为阳极(1)第二圆柱直径的1-5倍。

6.根据权利要求5所述的用于微细电沉积加工的喷头，其特征在于，阳极(1)的材料为惰性金属或与电沉积加工过程中的沉积金属相同。

7.一种微细电沉积加工装置，包括：底座(15)，设于所述底座(10)上的运动平台(9)，固定在运动平台(9)上的液池(13)，放置于液池(13)中部的阴极(14)，安装在底座(15)上且位于所述液池(13)上方的移动支架(6)，固定于移动支架(6)上的喷头夹具(10)，连接在所述喷头夹具(10)上的如权利要求1到6任一所述的用于微细电沉积加工的喷头，用于给所述阴极(14)和喷头的阳极(1)供电的电源(4)，以及用于连接所述供液管(3)的供液***。

8.根据权利要求7所述的微细电沉积加工装置，其特征在于，所述供液***包括注射器(7)和微量注射泵(8)，注射器(7)卡装于微量注射泵(8)的推拉卡座上。

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