[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

说明书

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，属于金属3D打印技术与电化学制造技术领域。电解液从喷嘴中挤出并与阴极基板接触形成弯液面，弯液面划分为倒锥形、圆柱形和锥形三个部分；通过调节打印喷头与阴极基底的距离，使沉积层分别位于弯液面不同的部分；当沉积层分别位于弯液面的锥形、圆柱形和倒锥状时，沉积层会沿着弯液面液‑气界面的形状沉积，形成对应的倒锥形金属柱、圆柱形金属柱和锥形金属柱。当加工串联式变直径金属柱结构时，电化学反应先在阴极基板进行锥柱的沉积，随后进行直径变化梯度较大的倒锥柱沉积，然后锥柱‑倒锥柱沉积交替进行，直至加工完成。本发明具有易操作、低成本、可控性好等优点。

技术领域

本发明属于金属3D打印技术与电化学制造技术领域，涉及一种加工变直径金属柱结构的电化学金属3D打印方法，以及基于此方法加工串联锥形亲水自运输导线的方法。

背景技术

锥形柱结构由于其特殊的几何特性，液滴在其表面可实现自发、定向的运动，在无泵运输、散热冷却、雾气收集等领域具有广泛的应用前景。2004年，法国的浓缩物质物理等研究发现液滴在锥形纤维上会在拉普拉斯压力梯度的作用下，自发地向下曲率区域移动，表明锥形的亲水细导线能够作为液滴自发运输的基体(J.Fluid Mech.2004,510:29–45)。2014年，Wang等使用电化学刻蚀的方法，将均匀铜导线刻蚀为锥形亲水细导线，该导线能够实现对液滴的定向运输(ACS Nano 2014,8,8757–8764)。研究人员发现串联式锥形金属柱结构可实现长距离、自发、定向运输。2018年，Shi等利用化学刻蚀及电化学刻蚀相结合的方法加工获得串联式锥形亲水铜导线，该导线由于具有串联锥形柱结构，液滴在拉普拉斯压力差的作用下，能够实现长距离的液滴定向运输(ACS Appl.Mater.Inter.2018,10,34735–34743)。但目前串联式锥形金属柱结构的加工方法大多为减材制造，通过去除大量的金属材料以获得目标锥形结构，造成大量金属材料的浪费且难以获得复杂的几何结构；而增材制造(3D打印)可以高效地提高金属利用率，减少加工工序，并且可以制造复杂结构件。

目前金属3D打印的方法主要有：激光烧结金属3D打印、电子束熔炼金属3D打印和电化学金属3D打印等。电化学金属3D打印作为一种新型的金属3D打印技术，通过使用电化学沉积的方式，将金属离子还原成金属单质沉积在阴极基板上；与传统的激光烧结、电子束熔炼等金属3D打印技术相比，因其不需要昂贵的热源和惰性气体保护，加工成本低，引起了各国研究人员的浓厚兴趣。2010年，Hu等提出了一种基于弯液面约束的电化学金属3D打印技术，利用打印喷嘴与阴极之间的半月形的电解液限制电流的扩散，使电流可以集中于一点，可有效的制造金属柱状结构(Science 2010,329:313-316)。2015年，Seol等利用弯液面约束的电化学金属3D打印技术，通过改变不同电势和占空比加工出了实心的等直径柱和等直径空心管(Small.2015,11:3896-3902)。2020年，Liao等针对弯液面-电化学金属3D打印技术提出了一种闭环恒电流控制方法，进一步提高了加工等直径柱的稳定性(AIPAdvances.2020,10:045118)。

综合来看，目前串联式锥形金属柱结构加工工序复杂，加工难度大，难以满足如今的加工需求；电化学金属3D打印方法在制造金属柱结构具有优异的应用前景。然而目前电化学金属3D打印只能加工沿生长方向等直径的柱状结构，对于加工变直径金属柱的研究鲜有所闻。因此，有必要研发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。

发明内容

本发明的目的就是针对上述电化学金属3D打印技术只能加工沿生长方向等直径金属柱结构，而无法加工变直径金属柱结构的问题，提出了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。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：