[发明专利]一种加工串联式变直径金属柱结构的电化学金属3D打印方法

权利要求书

1.一种加工串联式变直径金属柱结构的电化学金属3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据所需要打印的金属配置对应的电解液(9)，电解液(9)添加至打印喷头(1)内；将阳极棒(5)和阴极基板(11)分别与电源的正极和负极相连；微量进给泵(7)与打印喷头(1)连接，喷嘴(10)内部设置多孔水凝胶(12)，计算机通过控制微量进给泵(7)调节打印喷头(1)内的气压，进而微量供给电解液(9)，使电解液(9)穿过喷嘴(10)、多孔水凝胶(12)，在喷嘴(10)底部形成弯液面(13)；

在打印开始前，喷嘴(10)与阴极基板(11)分离，此时喷嘴(10)底部到阴极基板(11)表面之间垂直方向的距离为L；在打印开始时，喷嘴(10)的底部与阴极基板(11)接触后逐渐提升至两者相距80～120μm；随后调节微量进给泵(7)，收缩喷嘴(10)内的压力，使弯液面(13)保持连续不断开；由于毛细效应，喷嘴(10)与阴极基板(11)形成弯液面(13)；所述弯液面(13)包括三部分：从喷嘴(10)底部到阴极基板(11)表面之间分别为倒锥形部分(14)、圆柱形部分(15)和锥形部分(16)；

第二步，电化学沉积开始时，弯液面(13)与阴极基板(11)相接触，弯液面(13)中与阴极基板(11)接触的金属离子被还原成金属单质，随着反应进行，金属单质逐渐堆积形成金属柱；所述金属柱与弯液面(13)相接触的区域为电化学反应所在区域，该区域为电化学反应界面；

当加工金属柱时，通过高倍率工业相机观察喷嘴(10)底部与电化学反应界面之间的距离，通过调节该距离，可使电化学反应界面分别位于弯液面(13)的不同部分；随着反应进行，电化学反应界面会逐渐经过弯液面(13)的锥形部分(16)、圆柱形部分(15)、倒锥形部分(14)，电化学反应界面会沿着弯液面液-气界面的形状沉积，形成对应的锥形金属柱(17)、圆柱形金属柱(18)和倒锥形金属柱(19)；

第三步，加工锥形金属柱(17)的过程如下：

电化学沉积开始时，保持打印喷头(1)不动，当观察到阴极基板(11)表面有金属单质生成后，开始移动打印喷头(1)，保持金属柱顶部始终在锥形部分(16)内；同时，在移动打印喷头(1)的过程中，实时控制微量进给泵(7)以减少电解液(9)挤出量，此时弯液面(13)将会收缩；随着反应的进行，电化学反应界面将会沿着弯液面(13)由阴极基板(11)向喷嘴(10)移动；

控制喷嘴(10)与阴极基板(11)之间的距离，调节微量进给泵(7)以控制打印喷头(1)的气压，保持弯液面(13)的形状；并使电化学反应界面沿着锥形部分(16)逐渐沉积，电化学沉积产生的锥形金属柱(17)顶部直径将会随着沉积的进行，沿着电解液锥形部分(16)的外缘持续减小，直至打印完成设计高度的锥形金属柱(17)；

第四步，加工倒锥形金属柱的过程如下：

通过移动打印喷头(1)减小喷嘴(10)与阴极基板(11)的距离，使电化学反应界面位于倒锥形部分(14)所在区域内；并通过控制微量进给泵(7)增加电解液(9)的挤出量，增大弯液面(13)曲率，使电化学反应界面保持在倒锥形部分(14)；随着反应的进行，电化学反应界面将会沿着弯液面(13)由已成型区域向喷嘴(10)移动，控制喷嘴(10)与阴极基板(11)的距离，调节微量进给泵(7)，保持弯液面(13)的形状仅具有倒锥形部分(14)；电化学反应界面会随着反应的进行，在倒锥形部分(14)内由阴极基板(11)向喷嘴(10)的方向持续生长，直至打印完成设计高度的倒锥形金属柱(19)；

此时打印完成的锥形金属柱(17)和倒锥形金属柱(19)形成串联式变直径金属柱的第一层结构；

第五步，形成第二层结构

5.1)形成第二层弯液面(13)：在加工完成第一层结构后，使喷嘴(10)底部与阴极基板(11)的距离重新相距L；实时控制微量进给泵(7)调节打印喷头(1)内的气压，收缩弯液面(13)重新获得锥形部分(16)、圆柱形部分(15)和倒锥形部分(14)；

5.2)沉积第二层的锥形金属柱结构：重复第三步和第四步的过程，依次打印完成设计高度的锥形金属柱(17)、倒锥形金属柱(19)，形成串联式变直径金属柱的第二层结构；

第六步，重复第五步，即通过调节在各沉积阶段的电化学反应界面位置，连续依次加工锥形金属柱(17)、倒锥形金属柱(19)，直至达到串联式变直径金属柱结构的设计高度，最终完成制造串联式变直径金属柱结构；

第七步，加工完成后，控制打印喷头(1)使弯液面(13)与串联式变直径金属柱分离。