本發(fā)明涉及一種電化學(xué)沉積3d打印方法及設(shè)備，屬于3d打印。

背景技術(shù)：

1、3d打印技術(shù)，也稱為增材制造(additive?manufacturing)，是一種基于數(shù)字模型數(shù)據(jù)，通過逐層添加材料來構(gòu)建三維物體的制造過程。這項(xiàng)技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，從快速原型制作到直接制造最終產(chǎn)品，包括但不限于航空航天、汽車、醫(yī)療、教育、藝術(shù)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

2、金屬材料的3d打印有極高的應(yīng)用價(jià)值，雖然已有多種方法可以實(shí)現(xiàn)金屬材料的3d打印，但普遍存在能耗高、成本高、精度低等問題。

3、電化學(xué)沉積是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將金屬離子還原為金屬并沉積在電極表面的過程。相較于其他制造技術(shù)，電化學(xué)沉積技術(shù)具有精確控制材料成分和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬和合金結(jié)構(gòu)的精確制造。將電化學(xué)沉積技術(shù)與3d打印技術(shù)相結(jié)合，形成了電化學(xué)3d打印技術(shù)。該技術(shù)通過精確控制電極的通電軌跡和電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了金屬或合金的逐層沉積，從而構(gòu)建了復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

4、申請(qǐng)?zhí)枮閏n109097797a的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種基于激光局部電鍍的金屬增材制造裝置及方法，該方法將陰極基板放入電解池中，通過激光從電解池下方對(duì)陰極基板進(jìn)行照射，被照射位置因?yàn)榫植繙囟壬?，發(fā)生劇烈的電鍍效應(yīng)，電解液中金屬原子析出，最終使得金屬在激光運(yùn)行路徑完成沉積。

5、該方法在單層沉積幅面逐點(diǎn)、逐線選擇性引導(dǎo)沉積，最終完成單層的沉積，打印的速度相對(duì)較慢，制造大型零件需要較長的時(shí)間，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，該方法需要將激光光斑照射在陰極基板上，無法打印厚度較大或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。最后，該方法需要一套復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整光斑路徑，該系統(tǒng)的精度決定了打印零件的精度，對(duì)設(shè)備的精度要求過高，且增加了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述問題，本公開提供一種電化學(xué)沉積3d打印方法及設(shè)備。

2、第一方面

3、一種電化學(xué)沉積3d打印方法，包括以下步驟：

4、對(duì)待打印模型進(jìn)行切片，得到模型切片；

5、根據(jù)所述模型切片，通過光固化在打印平面形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，所述沉積區(qū)域與所述打印平面連通；

6、清洗所述打印平面和所述涂層表面多余的光固化材料；

7、將所述打印平面以涂層朝下的方式浸入電解池，使得打印平面上的涂層與所述電解池底面貼合，所述電解池內(nèi)填充有包含金屬元素的電解液；

8、所述打印平面連接電源陰極，所述電解液連接電源陽極，在所述沉積區(qū)域沉積金屬元素；

9、清洗所述打印平面和所述涂層表面多余的電解液；

10、重復(fù)以下步驟，直至打印完成：

11、根據(jù)所述模型切片，通過光固化在先前制備的涂層上形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，所述沉積區(qū)域包含與先前制備涂層的沉積區(qū)域連通的區(qū)域；

12、清洗所述打印平面和所述涂層表面多余的光固化材料；

13、將所述打印平面以涂層朝下的方式浸入電解池，使得打印平面上的涂層與所述電解池底面貼合，所述電解池內(nèi)填充有包含金屬元素的電解液；

14、所述打印平面連接電源陰極，所述電解液連接電源陽極，在所述沉積區(qū)域沉積金屬元素；

15、清洗所述打印平面和所述涂層表面多余的電解液。

16、進(jìn)一步地，通過光固化在打印平面形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，具體為：

17、將所述打印平面以待制備涂層面朝下的方式浸入光固化池中，控制所述打印平面與所述光固化池內(nèi)側(cè)底面的間隙為待打印層的厚度，所述光固化池內(nèi)設(shè)置有受光照固化的液體材料，所述光固化池底部透光；

18、根據(jù)所述模型切片，從所述光固化池下方對(duì)待打印層的絕緣區(qū)域進(jìn)行固化，得到包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層；

19、通過光固化在先前制備的涂層上形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，具體為：

20、將所述打印平面以涂層朝下的方式浸入光固化池中，控制所述涂層底面與所述光固化池內(nèi)側(cè)底面的間隙為待打印層的厚度，所述光固化池內(nèi)設(shè)置有受光照固化的液體材料；

21、根據(jù)所述模型切片，通過光固化對(duì)待打印層的絕緣區(qū)域進(jìn)行固化，得到包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層。

22、進(jìn)一步地，還包括打印平臺(tái)，所述打印平臺(tái)包含所述打印平面；對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行絕緣處理，使的打印平臺(tái)浸入所述電解液的外表面，除打印平面外均絕緣。

23、進(jìn)一步地，所述打印模型由逆向建模得到，所述逆向建模具體為：

24、設(shè)置長方體建模空間，所述建模空間能夠完全覆蓋待打印物體，且所述建?？臻g水平截面的形狀、大小與所述打印平面相同；

25、在所述建?？臻g內(nèi)建模，形成模型區(qū)域和非模型區(qū)域，所述非模型區(qū)域與所述待打印物體相同，所述模型區(qū)域?yàn)樗鼋？臻g除所述非模型區(qū)域外的區(qū)域；

26、根據(jù)所述模型切片，通過光固化在打印平面形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層時(shí)，所述模型切片邊緣與打印平面邊緣重合，所述模型區(qū)域被光固化成絕緣區(qū)域，所述非模型區(qū)域成為沉積區(qū)域。

27、進(jìn)一步地，所述逆向建模還包括：

28、在所述模型區(qū)域設(shè)置柱形導(dǎo)電區(qū)，所述導(dǎo)電區(qū)一端連通所述非模型區(qū)域，另一端貫穿所述打印模型的頂面；

29、根據(jù)所述模型切片，通過光固化在打印平面形成一層包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層時(shí)，所述柱形導(dǎo)電區(qū)成為沉積區(qū)域。

30、第二方面

31、一種電化學(xué)沉積3d打印方法，包括以下步驟：

32、s1、對(duì)待打印模型進(jìn)行切片，得到模型切片；

33、s2、將打印平面以待制備涂層面朝下的方式浸入光固化池中，控制所述打印平面與所述光固化池內(nèi)側(cè)底面的間隙為待打印層的厚度，所述光固化池內(nèi)設(shè)置有受光照固化的液體材料；

34、s3、根據(jù)所述模型切片，從所述光固化池下方對(duì)待打印層的絕緣區(qū)域進(jìn)行固化，得到包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，所述沉積區(qū)域與所述打印平面連通；

35、s4、將打印平面抬升高度a，高度a與待打印層厚度相等，且抬升后最下方涂層依然浸沒在所述液體材料中；

36、s5、根據(jù)所述模型切片，從所述光固化池下方對(duì)待打印層的絕緣區(qū)域進(jìn)行固化，得到包含絕緣區(qū)域和沉積區(qū)域的涂層，所述沉積區(qū)域包含與先前制備涂層的沉積區(qū)域連通的區(qū)域；

37、s6、重復(fù)步驟s4～s5，直至所有模型切片打印完成；

38、s7、清洗所述打印平面和所述涂層表面多余的光固化材料；

39、s8、將所述打印平面以涂層朝下的方式浸入電解池，使得打印平面上的涂層底部與所述電解池底面貼合，所述電解池內(nèi)填充有包含金屬元素的電解液；

40、s9、所述打印平面連接電源陰極，所述電解液連接電源陽極，在所述沉積區(qū)域沉積金屬元素。

41、進(jìn)一步地，步驟s7具體為：

42、將所述打印平面以涂層朝上的方式浸入所述電解池，使所述電解池中的電解液流入并充滿所述沉積區(qū)域；

43、翻轉(zhuǎn)所述打印平面，使所述打印平面以涂層朝下的方式與所述電解池底面貼合，且翻轉(zhuǎn)過程中，所述沉積區(qū)域始終充滿電解液。

44、根據(jù)權(quán)利要求7所述電化學(xué)沉積3d打印方法，其特征在于，所述打印模型包括模型區(qū)域、非模型區(qū)域和柱形導(dǎo)電區(qū)，所述模型區(qū)域?qū)?yīng)所述涂層的絕緣區(qū)域，所述非模型區(qū)域和所述導(dǎo)電區(qū)對(duì)應(yīng)所述涂層的沉積區(qū)域；

45、所述導(dǎo)電區(qū)一端連通所述非模型區(qū)域，另一端貫穿所述打印模型的頂面；

46、所述導(dǎo)電區(qū)的直徑大于1毫米。

47、第三方面

48、一種電化學(xué)沉積3d打印設(shè)備，包括光固化模塊、光固化池、電化學(xué)模塊、清洗模塊、運(yùn)動(dòng)模塊和打印平臺(tái)；

49、所述光固化池內(nèi)填充有受光照固化的材料，且所述光固化池底部透光；

50、所述光固化模塊設(shè)置在所述光固化池下方，所述光固化模塊能夠根據(jù)模型切片，從下方對(duì)浸入所述光固化池的打印平臺(tái)底部進(jìn)行光固化并形成包含特定圖案的涂層；

51、所述電化學(xué)模塊包括電源陰極、電源陽極和電解池，所述電解池內(nèi)填充有包含金屬元素的電解液，所述電解液與電源陽極連接；

52、所述清洗模塊能夠?qū)?jīng)過光固化模塊光固化的打印平臺(tái)及涂層進(jìn)行清洗；

53、所述清洗模塊能夠?qū)?jīng)過電化學(xué)模塊電化學(xué)沉積的打印平臺(tái)及涂層進(jìn)行清洗；

54、所述運(yùn)動(dòng)模塊包括控制水平方向運(yùn)動(dòng)的x軸運(yùn)動(dòng)模組和控制縱向運(yùn)動(dòng)的z軸運(yùn)動(dòng)模組，所述運(yùn)動(dòng)模塊能夠控制所述打印平臺(tái)浸入所述光固化池或所述電解池；

55、所述打印平臺(tái)底部為打印平面，所述打印平臺(tái)表面除打印片面外均絕緣，所述打印平面導(dǎo)電；

56、所述打印平面與電源陰極連接。

57、進(jìn)一步地，所述清洗模塊包括光固化材料清洗池、擦拭輥軸和電解液清洗池；

58、所述光固化池、所述光固化材料清洗池、所述擦拭輥軸、所述電解液清洗池和所述電解池沿所述x軸運(yùn)動(dòng)模組的運(yùn)動(dòng)方向依次設(shè)置；

59、所述運(yùn)動(dòng)模塊能夠控制所述打印平臺(tái)浸入所述光固化材料清洗池或所述電解液清洗池；

60、所述擦拭輥軸的軸線方向垂直于所述x軸運(yùn)動(dòng)模組的運(yùn)動(dòng)方向，所述運(yùn)動(dòng)模塊能夠控制所述打印平臺(tái)及所述打印平臺(tái)下方的涂層與所述擦拭輥軸接觸。

61、本公開具有如下有益效果：

62、該電化學(xué)3d打印方法采用逆向切片疊加光固化快速覆蓋每層的非金屬沉積區(qū)域，此基礎(chǔ)上形成每層的金屬沉積形狀界面，基板進(jìn)入電解液后可以通過電化學(xué)成型方法快速沉積本層成型圖案。通過在光固化池和電化學(xué)池之間之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)和成型，解決了傳統(tǒng)電化學(xué)3d打印存在的速度慢、成本與復(fù)雜性高、精確控制難度大等問題

63、同時(shí)，該方法生產(chǎn)成本低，對(duì)原材料的形態(tài)沒有要求，解決了傳統(tǒng)3d金屬打印原材料制取困難，粉末成本高，操作危險(xiǎn)大的問題。不僅如此，這種技術(shù)在打印過程中可以直接產(chǎn)生固體金屬原子，無需任何后處理即可直接應(yīng)用，從而保證了材料的高質(zhì)量和純凈度。