CN113463139A - 一种金属微纳米打印***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属微纳米打印***及方法，金属微纳米打印***包括高精度喷头、沉积装置、加料控制***及打印轨迹控制***；金属微纳米打印方法包括制备金属离子溶液、将制备好的离子溶液通过进料管装入进液仓、制备电解质溶液、建立三维打印模型并确定打印程序代码、确定电源电压和反应温度、加料控制***控制金属离子溶液恒流量滴出、打印轨迹控制***控制打印基体的形状和尺寸以及逐层打印生成整个金属零件。本发明采用化学沉积技术完成金属零件的3D打印，在常温下即可得到微纳米级内应力均匀的金属零件；同时加料控制***及打印轨迹控制***配合工作，提高了打印精度。

Description

一种金属微纳米打印***及方法

技术领域

本申请涉及3D打印设备技术领域，具体涉及一种金属微纳米打印***及方法。

背景技术

金属组件的增材制造(AM)(例如3D打印)能够通过它们的结合方法(烧结、熔化、聚合物粘合剂)、能量输送方法(激光、电子束)和金属进料方法(粉末床、送粉、送丝)来分类。而现有的结合方法如烧结、熔化、聚合物粘合剂等打印出的金属制品均具有较大的内应力，且生成的晶粒（打印基体）尺寸较大，且结合过程中通常伴随着巨大的能量交换，且对结合环境的要求具有较高要求，如温度和真空度等。

现有技术中的3D打印一般采用逐层打印的方式进行，在逐层打印的过程中，每一层的成型过程均由微小的打印基体构成。现有的3D打印过程，无法保证每个打印基体的成型形状和尺寸达到预设要求，无法实施调节沉积工作台的进给，3D打印精度有待进一步提高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种金属微纳米打印***及方法，以解决上述背景技术中提出的技术问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：一种金属微纳米打印***，包括高精度喷头、沉积装置、加料控制***及打印轨迹控制***。

高精度喷头，包括悬臂梁及喷嘴结构，所述悬臂梁内部设置进液通道，所述喷嘴结构设置在所述悬臂梁的端部，与所述悬臂梁内部设置的进液通道相连通，所述喷嘴结构与所述悬臂梁为一体化结构设置；

沉积装置；包括打印腔室，所述打印腔室内部设置沉积工作台，所述沉积工作台上设置沉积板，所述沉积板位于喷嘴结构下方。所述打印腔室内设置负电极板，所述打印腔室的顶端设置正电极板，所述正电极板和所述负电极板的面积相同且上下正对，并能覆盖整个打印区域，所述负电极板为沉积板。该结构利于形成稳定电场，便于金属离子打印材料稳定的从喷嘴喷出。

加料控制***，包括预装液支架、高压气泵、高精度调压阀、流量监测飞轮、转速传感器、液位传感器及控制器；所述预装液支架内部设进液仓，所述进液仓用于存储金属离子溶液；加料控制***能够精确控制并调节离子溶液从喷嘴流出的流量。

所述预装液支架左侧设置有恒压气管，所述恒压气管连通所述进液仓，用于向进液仓内输入高压气体；所述恒压气管上依次设置有高压气泵、高精度调压阀；所述预装液支架左侧设置有进料管，所述进料管连通所述进液仓，用于向进液仓内输入金属离子溶液；所述进液仓内部设置有流量监测飞轮，所述流量监测飞轮可转动的设置在所述进液仓的内侧壁；流量监测飞轮转轴一侧连接有转速传感器，所述转速传感器用于检测飞轮转速；所述控制器用于接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制高精度调压阀，以保持流量监测飞轮匀速转动；所述进液通道与所述进液仓相连通。

打印轨迹控制***；包括视觉反馈模块、力反馈模块及运动控制器，所述视觉反馈模块用于检测已生成打印基体的形状和/或已生成打印基体上表面与所述喷嘴结构出料口的距离，并将检测信息反馈给所述运动控制器；力反馈模块，用于检测所述喷嘴结构出料口受到的压力，并将压力信息反馈给所述运动控制器，打印轨迹控制***能够控制每个打印基体21的打印精度。

可选的，所述力反馈模块包括压力传感器，所述压力传感器固定安装在喷嘴结构的底端，且紧贴所述喷嘴结构的底壁设置，所述喷嘴结构与压力传感器之间设置密封垫圈，压力传感器能够实时检测喷嘴结构出料口受到的压力的变化，并将该信号反馈给运动控制器。

可选的，所述沉积工作台为高精度XYZ三坐标工作台，高精度XYZ三坐标工作台可实现XYZ三个方向上的高精度位移。

一种金属微纳米打印方法，其采用金属微纳米打印***进行打印，包括如下步骤：

S1制备金属离子溶液，将无水硫酸铜粉末加入硫酸溶液和盐酸溶液形成的混合溶液中，并将其搅拌均匀，直至无水硫酸铜粉末全部溶解。

S2将制备好的离子溶液通过进料管装入进液仓，直至液位传感器监测到离子溶液在进液仓中的液面高度。

S3制备电解质溶液，放入打印腔室内，使所述电解质溶液的液面高度高于所述沉积板上表面1-2cm。

S4采用三维制图软件建立打印模型，并根据打印模型确定打印程序代码，将打印程序代码存入运动控制器。

S5打印开始前，在正电极板和负电极板之间接通高压电源，其中高压电源为880V，且电源负极接地设置。打印腔室内温度为室温，优选为25-30℃。

S6打印开始，加料控制***工作，其中加料控制***中的控制器接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制精密调压阀，以保持流量监测飞轮匀速转动，使金属离子溶液恒速从喷嘴结构喷出；喷嘴结构喷出的金属离子液滴在恒定电场的作用下落在沉积板上，其中2阶铜离子在沉积板被还原为金属铜原子，多个铜原子紧密结合沉积为打印基体。

S7当有金属溶液从喷嘴结构喷出时，打印轨迹控制***工作，打印轨迹控制***中的运动控制器实时接收视觉反馈模块反馈的正在生成的打印基体的形状和尺寸信息以及力反馈模块反馈的压力信息，控制沉积工作台的进给方向和进给速度；

S8打印过程为逐层打印，当某一层沉积完成后，沉积工作台在Z方向上升一个打印基体的高度，进行下一层打印；直至完成整个金属零件的打印。

可选的，所述硫酸溶液和盐酸溶液的浓度分别为0.1-0.3mol/L、0.2-0.4mol/L，且所述硫酸溶液与盐酸溶液的体积比1:1.1~1.2，其中每升混合溶液加入5g无水硫酸铜粉末。

可选的，所述电解质溶液为将等体积比且浓度分别为0.1mol/L的硫酸溶液和0.2mol/L盐酸溶液混合均匀制成。

可选的，在步骤S7中，所述视觉反馈模块将检测到的已生成打印基体的形状和已生成打印基体上表面与所述喷嘴结构2出料口的距离，并反馈给运动控制器，运动控制器判断打印基体是否沉积为预设形状和预设高度。

可选的，在生成某个打印基体的过程中，在预设时间之后，若打印基体仍未达到预设形状或预设高度，则控制沉积工作台20在打印基体的平面尺寸向未达到预设形状和预设高度的方向微动，直至达到预设形状/高度要求；

若打印基体达到预设形状和预设高度，则沉积工作台在XY水平面匀速进给，开始下一打印基体的沉积。

可选的，在步骤S7中，所述力反馈模块检测喷嘴结构出料口受到的压力的变化，运动控制器通过喷嘴结构出料口受到的压力的变化，判断该打印基体是否到达预设高度。

可选的，当视觉反馈模块和力反馈模块中的任一模块反馈的基体高度达到预设高度时，开始下一打印基体的沉积。

本发明具有以下有益效果：

1. 本发明采用化学沉积技术完成金属零件的3D打印，该技术在常温下即可进行，得到的产品具有纳米级的分辨率，并且能够打印复杂的微型金属物体，打印出的金属成品的尺寸可小于100μm，且得到的成品内应力均匀，不需要后处理即可使用。

2. 本发明设置了加料控制***及打印轨迹控制***，加料控制***能够精确控制并调节离子溶液从喷嘴流出的流量，打印轨迹控制***能够控制每个打印基体的打印精度。整体提高了微型金属物体的打印精度。

附图说明

图1为本发明金属微纳米打印方法流程图

图2位本发明金属微纳米打印***的结构示意图；

图3为打印轨迹控制***局部结构图；

图4为图3仰视图；

图5为视觉反馈模块工作时原理图；

图6为压力传感器检测到的压力变化图；

图7为微型金属物体成品图一；

图8为微型金属物体成品图二。

图中，1、悬臂梁；2、喷嘴结构；3、进液通道；4、打印腔室；5、沉积工作台；6、沉积板；7、正电极板；8、预装液支架；9、高压气泵；10、高精度调压阀；11、流量监测飞轮；12、进液仓；13、恒压气管；14、进料管；15、压力传感器；16、CDD摄像头；17、光学传感器、18、发射端；19、接收端；20控制箱；21、打印基体。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。

参见附图1，本发明提供了一种金属微纳米打印方法，并采用金属微纳米打印***进行打印，包括如下步骤：

S1制备金属离子溶液，将无水硫酸铜粉末加入硫酸和盐酸的混合溶液中，并将其搅拌均匀，直至无水硫酸铜粉末全部溶解。

S2将制备好的离子溶液通过进料管14装入进液仓12，直至液位传感器监测到离子溶液在进液仓12中的液面高度。

S3制备电解质溶液，放入打印腔室4内，使电解质溶液的液面高度高于沉积板6上表面1-2cm。

S4采用三维制图软件建立打印模型，并根据打印模型确定打印程序代码，将打印程序代码存入运动控制器。

S5打印开始前，在正电极板7和负电极板之间接通高压电源，其中高压电源为880V，且电源负极接地设置；打印腔室4内温度为室温，优选为25-30℃。

S6打印开始，加料控制***工作，其中加料控制***中的控制器接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制精密调压阀，以保持流量监测飞轮11匀速转动，使金属离子溶液恒速从喷嘴结构2喷出；喷嘴结构2喷出的金属离子液滴在恒定电场的作用下落在沉积板6上，其中2阶铜离子在沉积板6被还原为金属铜原子，多个铜原子紧密结合沉积为打印基体21。

S7当有金属溶液从喷嘴结构2喷出时，打印轨迹控制***工作，打印轨迹控制***中的运动控制器实时接收视觉反馈模块反馈的正在生成的打印基体21的形状和尺寸信息以及力反馈模块反馈的压力信息，控制沉积工作台5的进给方向和进给速度；

S8打印过程为逐层打印，当某一层沉积完成后，沉积工作台5在Z方向上升一个打印基体21的高度，进行下一层打印；直至完成整个金属零件的打印。

其中，硫酸溶液和盐酸溶液的浓度分别为0.1-0.3mol/L、0.2-0.4mol/L，且硫酸溶液与盐酸溶液的体积比1:1.1~1.2，其中每升混合溶液加入5g无水硫酸铜粉末。电解质溶液为将等体积比且浓度分别为0.1mol/L的硫酸溶液和0.2mol/L盐酸溶液混合均匀制成。

图2示出了打印方法所采用的金属微纳米打印***，其包括高精度喷头、沉积装置、加料控制***及打印轨迹控制***。

高精度喷头，包括悬臂梁1及喷嘴结构2，悬臂梁1内部设置进液通道3，喷嘴结构2设置在悬臂梁1的端部，与悬臂梁1内部设置的进液通道3相连通，喷嘴结构2与悬臂梁1为一体化结构设置；

沉积装置；包括打印腔室4，打印腔室4内部设置沉积工作台5，沉积工作台5上设置沉积板6，沉积板6位于喷嘴结构2下方。打印腔室4内设置负电极板，打印腔室4的顶端设置正电极板7，正电极板7和负电极板的面积相同且上下正对，并能覆盖整个打印区域，负电极板为沉积板6。

加料控制***，包括预装液支架8、高压气泵9、高精度调压阀10、流量监测飞轮11、转速传感器、液位传感器及控制器；预装液支架8内部设进液仓12，进液仓12用于存储金属离子溶液；

预装液支架8左侧设置有恒压气管13，恒压气管13连通进液仓12，用于向进液仓12内输入高压气体；恒压气管13上依次设置有高压气泵9、高精度调压阀10；预装液支架8左侧设置有进料管14，进料管14连通进液仓12，用于向进液仓12内输入金属离子溶液；进液仓12内部设置有流量监测飞轮11，流量监测飞轮11可转动的设置在进液仓12的内侧壁；流量监测飞轮11转轴一侧连接有转速传感器，转速传感器用于检测飞轮转速；控制器用于接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制高精度调压阀10，以保持流量监测飞轮11匀速转动；进液通道3与进液仓12相连通。

打印轨迹控制***；包括视觉反馈模块、力反馈模块及运动控制器，视觉反馈模块用于检测已生成打印基体21的形状和/或已生成打印基体21上表面与喷嘴结构2出料口的距离，并将检测信息反馈给运动控制器；力反馈模块，用于检测喷嘴结构2出料口受到的压力，并将压力信息反馈给运动控制器。

其中，控制器和运动控制器集成在控制箱20中，加料控制***能够精确控制并调节离子溶液从喷嘴流出的流量，打印轨迹控制***能够控制每个打印基体21的打印精度。加料控制***和打印轨迹控制***在控制器与运动控制器的共同控制下完成对每个打印基体21的沉积，提高了每个打印基体21的沉积精度，整体提高了微型金属物体的打印精度。

如图2所示，视觉反馈模块包括CDD摄像头16和/或光学传感器17；CDD摄像头16和/或光学传感器17能够检测已生成打印基体21的形状和已生成打印基体21上表面与喷嘴结构2出料口的距离。

如图3-图4所示，光学传感器17包括发射端18及接收端19，发射端18与喷嘴结构2的中轴线呈一定角度的夹角，发射端18和接收端19对称安装在安装支架上。当已生成打印基体21上表面为预设高度时，接收端19正确接收发射端18发出的光学信号，当已生成打印基体21上表面高于或低于预设高度时，接收端19无法正确接收发射端18发出的光学信号。

如图5所示，在步骤S7中，视觉反馈模块将检测到的已生成打印基体21的形状和已生成打印基体21上表面与喷嘴结构2出料口的距离，并反馈给运动控制器，运动控制器判断打印基体21是否沉积为预设形状和预设高度。

在生成某个打印基体21的过程中，在预设时间之后，若打印基体21仍未达到预设形状或预设高度，则控制沉积工作台5在打印基体21的平面尺寸向未达到预设形状和预设高度的方向微动，直至达到预设形状/高度要求；

若打印基体21达到预设形状和预设高度，则沉积工作台5在XY水平面匀速进给，开始下一打印基体21的沉积。

如图2-4所示，力反馈模块包括压力传感器15，压力传感器15固定安装在喷嘴结构2的底端，且紧贴喷嘴结构2的底壁设置，喷嘴结构2与压力传感器15之间设置密封垫圈。

压力传感器15能够实时检测喷嘴结构2出料口受到的压力的变化，并将该信号反馈给运动控制器，运动控制器通过分析喷嘴结构2出料口所受压力的变化过程，判断打印基体21是否到达预设高度，并实时反馈给运动控制器。

在步骤S7中，力反馈模块检测喷嘴结构2出料口受到的压力的变化，运动控制器通过喷嘴结构2出料口受到的压力的变化，判断该打印基体21是否到达预设高度。

具体而言，当视觉反馈模块和力反馈模块中的任一模块反馈的基体高度达到预设高度时，开始下一打印基体21的沉积。

如图6所示，铜离子溶液在负电极板上沉积成打印基体21的过程中，铜离子还原为金属铜后在竖直方向上的迅速增长，会使得喷嘴结构2出料口受到的压力急速增大，且压力的峰值与打印基体21的生成高度具有比例关系，压力的峰值越大，打印基体21的生成高度越高，可以根据该压力峰值判断打印基体21是否达到预设高度，打印基体21到达预设高度之后，喷嘴结构2停止喷出铜离子溶液，嘴结构出料口受到的压力逐渐恢复到初始水平。

如图6所示，a曲线中压力传感器15检测到的压力峰值达到了预设值，则表示打印基体21达到了预设高度，而b曲线中压力传感器15检测到的压力峰值未达到预设值，则表示打印基体21未达到预设高度，需要加料控制***继续出料沉积。

具体而言，沉积工作台5为高精度XYZ三坐标工作台，高精度XYZ三坐标工作台能够在XYZ三个坐标方向上进行精确位移。

图7-图8示出了微型金属物体成品图，该方法得到的微型金属物体成品的尺寸可达到μm级别，且精度高，无需后处理。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属微纳米打印***，其特征在于：包括高精度喷头、沉积装置、加料控制***及打印轨迹控制***；

高精度喷头，包括悬臂梁（1）及喷嘴结构（2），所述悬臂梁（1）内部设置进液通道（3），所述喷嘴结构（2）设置在所述悬臂梁（1）的端部，与所述悬臂梁（1）内部设置的进液通道（3）相连通，所述喷嘴结构（2）与所述悬臂梁（1）为一体化结构设置；

沉积装置，包括打印腔室（4），所述打印腔室（4）内部设置沉积工作台（5），所述沉积工作台（5）上设置沉积板（6），所述沉积板（6）位于喷嘴结构（2）下方；所述打印腔室（4）内设置负电极板，所述打印腔室（4）的顶端设置正电极板（7），所述正电极板（7）和所述负电极板的面积相同且上下正对，并能覆盖整个打印区域，所述负电极板为沉积板（6）；

加料控制***，包括预装液支架（8）、高压气泵（9）、高精度调压阀（10）、流量监测飞轮（11）、转速传感器、液位传感器及控制器；所述预装液支架（8）内部设进液仓（12），所述进液仓（12）用于存储金属离子溶液；

所述预装液支架（8）左侧设置有恒压气管（13），所述恒压气管（13）连通所述进液仓（12），用于向进液仓（12）内输入高压气体；所述恒压气管（13）上依次设置有高压气泵（9）、高精度调压阀（10）；所述预装液支架（8）左侧设置有进料管（14），所述进料管（14）连通所述进液仓（12），用于向进液仓（12）内输入金属离子溶液；所述进液仓（12）内部设置有流量监测飞轮（11），所述流量监测飞轮（11）可转动的设置在所述进液仓（12）的内侧壁；流量监测飞轮（11）转轴一侧连接有转速传感器，所述转速传感器用于检测飞轮转速；所述控制器用于接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制高精度调压阀（10），以保持流量监测飞轮（11）匀速转动；所述进液通道（3）与所述进液仓（12）相连通；

打印轨迹控制***，包括视觉反馈模块、力反馈模块及运动控制器，所述视觉反馈模块用于检测已生成打印基体（21）的形状和/或已生成打印基体（21）上表面与所述喷嘴结构（2）出料口的距离，并将检测信息反馈给所述运动控制器；力反馈模块，用于检测所述喷嘴结构（2）出料口受到的压力，并将压力信息反馈给所述运动控制器。

2.根据权利要求1所述的金属微纳米打印***，其特征在于，所述力反馈模块包括压力传感器（15），所述压力传感器（15）固定安装在喷嘴结构（2）的底端，且紧贴所述喷嘴结构（2）的底壁设置，所述喷嘴结构（2）与压力传感器（15）之间设置密封垫圈。

3.根据权利要求1所述的金属微纳米打印***，其特征在于，所述沉积工作台（5）为高精度XYZ三坐标工作台。

4.一种金属微纳米打印方法，其特征在于，其采用如权利要求1-3任一项所述的金属微纳米打印***进行打印，包括如下步骤：

S1制备金属离子溶液，将无水硫酸铜粉末加入硫酸溶液和盐酸溶液形成的混合溶液中，并将其搅拌均匀，直至无水硫酸铜粉末全部溶解；

S2将制备好的离子溶液通过进料管（14）装入进液仓（12），直至液位传感器监测到离子溶液在进液仓（12）中的液面高度；

S3制备电解质溶液，放入打印腔室（4）内，使所述电解质溶液的液面高度高于所述沉积板（6）上表面1-2cm；

S4采用三维制图软件建立打印模型，并根据打印模型确定打印程序代码，将打印程序代码存入运动控制器；

S5打印开始前，在正电极板（7）和负电极板之间接通高压电源，其中高压电源为880V，且电源负极接地设置；打印腔室（4）内温度为25-30℃；

S6打印开始，加料控制***工作，其中加料控制***中的控制器接收转速传感器检测到的转速信号，并根据该转速信号实时控制精密调压阀，以保持流量监测飞轮（11）匀速转动，使金属离子溶液恒速从喷嘴结构（2）喷出；

S7当有金属溶液从喷嘴结构（2）喷出时，打印轨迹控制***工作，打印轨迹控制***中的运动控制器实时接收视觉反馈模块反馈的正在生成的打印基体（21）的形状和尺寸信息以及力反馈模块反馈的压力信息，控制沉积工作台（5）的进给方向和进给速度；

S8打印过程为逐层打印，当某一层沉积完成后，沉积工作台（5）在Z方向上升一个打印基体（21）的高度，进行下一层打印；直至完成整个金属零件的打印。

5.根据权利要求4所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：所述硫酸溶液和盐酸溶液的浓度分别为0.1-0.3mol/L、0.2-0.4mol/L，且所述硫酸溶液与盐酸溶液的体积比1:1.1~1.2，其中每升混合溶液加入5g无水硫酸铜粉末。

6.根据权利要求4所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：所述电解质溶液为将等体积比且浓度分别为0.1mol/L的硫酸溶液和0.2mol/L盐酸溶液混合均匀制成。

7.根据权利要求4所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：在步骤S7中，所述视觉反馈模块将检测到的已生成打印基体（21）的形状和已生成打印基体（21）上表面与所述喷嘴结构（2）出料口的距离，并反馈给运动控制器，运动控制器判断打印基体（21）是否沉积为预设形状和预设高度。

8.根据权利要求7所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：在生成某个打印基体（21）的过程中，在预设时间之后，若打印基体（21）仍未达到预设形状或预设高度，则控制沉积工作台（5）在打印基体（21）的平面尺寸向未达到预设形状和预设高度的方向微动，直至达到预设形状/高度要求；

若打印基体（21）达到预设形状和预设高度，则沉积工作台（5）在XY水平面匀速进给，开始下一打印基体（21）的沉积。

9.根据权利要求4所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：在步骤S7中，所述力反馈模块检测喷嘴结构（2）出料口受到的压力的变化，运动控制器通过喷嘴结构（2）出料口受到的压力的变化，判断该打印基体（21）是否到达预设高度。

10.根据权利要求4所述的金属微纳米打印方法，其特征在于：当视觉反馈模块和力反馈模块中的任一模块反馈的基体高度达到预设高度时，开始下一打印基体（21）的沉积。

Images