局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置及方法

1.本发明属于3d打印技术与电化学沉积领域，具体涉及局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置及方法。


背景技术：

2.3d打印技术也称为增材制造技术，是基于离散或者堆积原理，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。它利用计算机将成形零件的3d模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3d打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”最后叠加成形出三维的实体零件。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造,并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。作为一种综合性应用技术，3d打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。
3.局部电化学沉积(lecd)是一种典型的无掩膜微型电化学增材制造技术，它使用超细惰性阳极尖端产生非常局部的电场来诱导阴极上的电沉积，形成微尺度和纳米尺度的3d特征。在lecd中，阳极和阴极都以恒定的小极间间隙浸泡在电解质中，阳极按照预先设计的路径相对于阴极(或形成的沉积物)进行精确的空间移动。同时，在阳极尖端正下方的局部区域发生金属电沉积，生成三维微观结构。目前常见的lecd微阳极都是用毛细玻璃管包裹的铂丝圆盘电极，由于lecd常常成型尺度非常小的微观结构，所以需要将直径非常小的惰性金属电丝封装在毛细玻璃管内，在此过程中由于惰性金属丝的直径很小、硬度减小，给微阳极的制备带来了极大的挑战，同时封装好的电极需通过砂纸、研磨仪等磨削出平面度要求很高的端面，这也给微阳极的制备带来了极大的困难。


技术实现要素：

4.本发明提供一种局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置及方法，以解决目前封装超细惰性金属丝困难的问题。
5.本发明采取的技术方案是，包括包括机架装置、y轴移动装置、双喷头装置、z轴移动装置、热床载物平台和惰性金属丝剪断装置，其中y轴移动装置与机架装置通过螺纹连接，双喷头装置与y轴移动装置通过螺纹连接，z轴移动装置固定在机架装置上，热床载物平台固定在z轴移动装置上，惰性金属丝剪断装置安装在z轴移动装置与热床载物平台之间的连接轴上。
6.所述机架装置包括机架、y轴光杠装置一、y轴丝杠装置和y轴光杠装置二，其中y轴光杠装置一与机架通过螺纹连接，y轴丝杠装置与机架通过螺纹连接，y轴光杠装置二与机架通过螺纹连接；
7.所述y轴光杠装置一包括光杠支座一、光杠一和光杠支座二，其中光杠一安装在光杠支座一和光杠支座二内，光杠支座一与光杠支座二与机架通过螺纹连接；
8.所述y轴丝杠装置包括丝杠支座一、丝杠一、丝杠支座二和步进电机一，其中步进
电机一的输出轴与丝杠一连接，步进电机一旋转可带动丝杠一在丝杠支座一与丝杠支座二内转动，丝杠支座一、丝杠支座二与机架通过螺纹连接；
9.所述y轴光杠装置二包括光杠支座三、光杠二和光杠支座四，其中光杠三安装在光杠支座三和光杠支座四内，光杠支座三与光杠支座四与机架通过螺纹连接。
10.所述y轴移动装置包括移动平台、x轴丝杠装置、x轴光杠装置、光孔和螺纹孔，其中移动平台上的光孔与光杠一和光杠三间隙配合，螺纹孔与丝杠一螺纹连接。
11.所述x轴丝杠装置包括丝杠支座三、丝杠二、丝杠支座四和步进电机一，其中步进电机一的输出轴与丝杠二连接，步进电机一旋转可带动丝杠二在丝杠支座三与丝杠支座四内转动，丝杠支座三、丝杠支座四与移动平台通过螺纹连接。
12.所述x轴光杠装置包括光杠支座五、光杠三和光杠支座六，其中光杠三安装在光杠支座五和光杠支座六内，光杠支座五与光杠支座六与移动平台通过螺纹连接。
13.所述双喷头装置包括喷头一、喷头二、喷头夹块、光孔、螺纹孔、pla进料管一和pla进料管二，其中喷头一和喷头二固定在喷头夹块上，pla进料管一和pla进料管二分别与喷头一和喷头二连接，光孔与光杠三间隙配合，螺纹孔与丝杠二螺纹连接，步进电机一旋转可以使双喷头装置沿着光杠三实现x轴移动。
14.所述喷头夹块包括主动轮一、从动轮一、主动轮二、从动轮二、步进电机二和步进电机三，其中步进电机二的输出轴与主动轮一连接，步进电机三的输出轴与主动轮二连接，pla进料管一内的颜色一pla丝材在主动轮一和从动轮一的作用下输送到喷头一处，喷头一加热熔融挤出颜色一pla丝材，pla进料管二内的颜色二pla丝材在主动轮二和从动轮二的作用下输送到喷头二处，喷头二加热熔融挤出颜色二pla丝材，进而堆积成型想要的电极形状。
15.所述z轴移动装置包括底板、圆轴一、圆轴二、步进电机四、丝杠三和光杠四，其中圆轴二固定在底板中心，圆轴一固定在圆轴二中心，步进电机四固定在机架上，丝杠三与步进电机四的输出轴连接，光杠四固定在机架上，步进电机四旋转可使底板沿着光杠四上下运动。
16.所述热床载物平台包括加热板、打印平台、卷轴支架和卷轴，其中加热板的几何中心固定在圆轴一上，打印平台固定在加热板上，卷轴支架固定在打印平台上，卷轴安装在卷轴支架上并可在卷轴支架上转动，卷轴上缠绕惰性金属丝。
17.所述惰性金属丝剪断装置包括压电陶瓷电动机、摩擦环、支撑架、夹紧剪断装置一和夹紧剪断装置二，其中压电陶瓷电动机螺纹连接在底板上，摩擦带固定在支撑架上，夹紧剪断装置一安装在支撑架上，夹紧剪断装置二安装在支撑架上，压电陶瓷电动机给摩擦带施加摩擦力可使支撑架绕z轴旋转，夹紧剪断装置一与夹紧剪断装置二结构完全相同，夹紧剪断装置一与夹紧剪断装置二在支撑架上相隔180度布置，惰性金属丝剪断装置套在z轴移动装置的圆轴一外、且卡在圆轴二上。
18.所述夹紧夹断装置一包括步进电机五、光杠五、丝杠四、夹紧装置一、滑动轨道一、丝杠五、步进电机六和剪断装置一，其中步进电机五固定在支撑架上，光杠五固定在支撑架上，步进电机五的输出轴与丝杠四连接，滑动轨道一与光杠五间隙配合，与丝杠四螺纹连接，步进电机六固定在夹紧装置一上，夹紧装置一安装在滑动轨道一上，并可在滑动轨道一内滑动，剪断装置一固定在滑动轨道一的一侧，与滑动轨道一之间无相对运动，剪断装置一
与丝杠五之间螺纹连接，步进电机五旋转带动丝杠四旋转，使得夹紧装置一与剪断装置一向上运动，步进电机六旋转，可使夹紧装置一沿滑动轨道一滑动。
19.所述夹紧装置一包括夹紧板一、两板连接块一、连接臂一、连接板一、步进电机七和丝杠六，其中两个夹紧板一与两板连接块二通过螺纹连接，两个夹紧板一与两个连接臂一通过螺纹连接，两个连接臂一与连接板一通过螺纹连接，步进电机七固定在连接板一上，两板连接块一中间开有螺纹孔，与丝杠六螺纹连接，步进电机七的输出轴与丝杠六连接，步进电机七旋转带动丝杠六旋转使得两板连接块一沿着丝杠六上下移动，从而实现夹紧装置一的夹紧和张开。
20.所述剪断装置一包括刀片一、两板连接块二、连接臂二、连接板二、步进电机八和丝杠七，其中两个刀片一与两板连接块二通过螺纹连接，两个刀片一与两个连接臂二通过螺纹连接，两个连接臂二与连接板二通过螺纹连接，步进电机八固定在连接板二上，两板连接块二中间开有螺纹孔，与丝杠七螺纹连接，步进电机八的输出轴与丝杠七连接，步进电机八旋转带动丝杠七旋转使得两板连接块二沿着丝杠七上下移动，从而实现刀片一的夹紧和张开。
21.所述夹紧夹断装置二包括步进电机九、光杠六、丝杠八、夹紧装置二、滑动轨道二、丝杠九、步进电机十和剪断装置二，其中步进电机九固定在支撑架上，光杠六固定在支撑架上，步进电机九的输出轴与丝杠八连接，滑动轨道二与光杠六间隙配合，与丝杠八螺纹连接，步进电机十固定在夹紧装置二上，夹紧装置二安装在滑动轨道二上，并可在滑动轨道二内滑动，剪断装置二固定在滑动轨道二的一侧，与滑动轨道二之间无相对运动，剪断装置二与丝杠九之间螺纹连接，步进电机九旋转带动丝杠八旋转，使得夹紧装置二与剪断装置二向上运动，步进电机十旋转，可使夹紧装置二沿滑动轨道二滑动。
22.所述夹紧装置二包括夹紧板二、两板连接块三、连接臂三、连接板三、步进电机十一、丝杠十，两个夹紧板二与两板连接块三通过螺纹连接，两个夹紧板二与两个连接臂三通过螺纹连接，两个连接臂三与连接板三通过螺纹连接，步进电机十一固定在连接板三上，两板连接块三中间开有螺纹孔，与丝杠十螺纹连接，步进电机十一的输出轴与丝杠十连接，步进电机十一旋转带动丝杠十旋转使得两板连接块三沿着丝杠十上下移动，从而实现夹紧装置二的夹紧和张开。
23.所述剪断装置二包括刀片二、两板连接块四、连接臂四、连接板四、步进电机十二、丝杠十一，两个刀片二与两板连接块四通过螺纹连接，两个刀片二与两个连接臂四通过螺纹连接，两个连接臂四与连接板四通过螺纹连接，步进电机十二固定在连接板四上，两板连接块四中间开有螺纹孔，与丝杠十一螺纹连接，步进电机十二的输出轴与丝杠十一连接，步进电机十二旋转带动丝杠十一旋转使得两板连接块四沿着丝杠十一上下移动，从而实现刀片二的夹紧和张开。
24.采用局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置的制备方法，包括下列步骤：
25.(1)、模型数据转化：根据所需电极结构设计3d打印的零件结构，电极结构由结构一和结构二两部分组成，结构一由颜色一pla熔融堆积而成，结构二由颜色二pla熔融堆积而成，之后构建相应的catia模型，将模型从z方向切片分层处理，使每层厚度为微米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
26.(2)、下半部分电极结构打印：计算机控制程序控制加热板加热，使打印平台温度
升高至所需温度，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板升高至合适高度，在控制程序的控制下，喷头一熔融挤出颜色一pla丝材，喷头二熔融挤出颜色二pla丝材在打印平台上逐层堆积成型所需的电极的结构，直至电极结构二打印完成之后停止打印；
27.(3)、铺设惰性金属丝：电极结构一打印完成之后，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板降低至最低位置，夹紧装置一上的步进电机七旋转使夹紧装置一张开，剪断装置一上的步进电机八旋转使剪断装置一张开，夹紧装置二上的步进电机十一旋转使夹紧装置二张开，剪断装置二上的步进电机十二旋转使剪断装置二张开，压电陶瓷电动机促使支撑架旋转，使夹紧剪断装置一移动到卷轴与打印平台之间，初次使用本装置需要手动拉直惰性金属丝，拉直之后，夹紧装置一上的步进电机七旋转使夹紧装置一夹紧，此时惰性金属丝被夹在两夹紧板一之间，随后为了防止惰性金属丝与打印平台之间发生干涉，夹紧剪断装置一上的步进电机五旋转使夹紧剪断装置一上升一定高度，紧剪断装置二上的步进电机九旋转使夹紧剪断装置二上升一定高度，压电陶瓷电动机使支撑架旋转180度，此时夹紧剪断装置二正好旋转到原夹紧剪断装置一的位置，夹紧剪断装置一上的步进电机五旋转使夹紧剪断装置一下降至原来的高度，紧剪断装置二上的步进电机九旋转使夹紧剪断装置二下降至原来的高度，夹紧装置二上的步进电机十一旋转夹紧卷轴上的惰性金属丝，然后夹紧剪断装置一上的步进电机六和夹紧剪断装置二上的步进电机十做微量的旋转使铺设在下半部分电极结构上的惰性金属丝张紧；
28.(4)、上半部分电极结构打印：铺设好惰性金属丝之后，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板升高至合适高度，由于电极结构二已经打印完成，此时只需打印结构一的剩余部分，控制程序控制喷头一熔融挤出颜色一pla丝材，在打印平台上堆积成型电极的上半部分；
29.(5)、惰性金属丝剪断：电极结构二打印好之后，惰性金属丝就被完全封装在了结构一和结构二之间，此时剪断装置一上的步进电机八旋转使两刀片一夹紧和剪断装置二上的步进电机十二旋转使两刀片二夹紧，从而实现被夹紧惰性金属丝两端的剪断；
30.(6)、电极的后处理：将封装好的电极用铲子从打印平台上铲下，根据所需的长度利用激光切割机切断得到切口齐平的电极。
31.本发明的优点是：实现了制备局域电化学沉积增材制造微阳极的自动化，提高了制备微阳极的效率，节省人力物力财力；解决了传统使用毛细玻璃管封装极细惰性金属丝的困难，可方便封装直径为20微米以下的惰性金属丝，利用激光切割来后处理电极，避免了磨削光滑电极平面的困难；电极形状可通过计算机来设计，无形状方面的限制。
附图说明
32.图1是本发明的结构示意图；
33.图2是本发明机架装置的结构示意图；
34.图3是本发明y轴光杠装置一的结构示意图；
35.图4是本发明y轴丝杠装置的结构示意图；
36.图5是本发明y轴光杠装置二的结构示意图；
37.图6是本发明y轴移动装置的结构示意图一；
38.图7是本发明y轴移动装置的结构示意图二；
39.图8是本发明x轴丝杠装置的结构示意图；
40.图9是本发明x轴光杠装置的结构示意图；
41.图10是本发明双喷头装置的结构示意图；
42.图11是本发明双喷头装置的剖视图一；
43.图12是本发明双喷头装置的剖视图二；
44.图13是本发明z轴移动装置的结构示意图；
45.图14是本发明热床载物平台的结构示意图；
46.图15是本发明惰性金属丝剪断装置的结构示意图；
47.图16是本发明夹紧夹断装置一的结构示意图；
48.图17是本发明夹紧装置一的结构示意图；
49.图18是本发明夹紧装置一的张开状态示意图；
50.图19是本发明剪断装置一的结构示意图；
51.图20是本发明剪断装置一的张开状态示意图；
52.图21是本发明夹紧夹断装置二的结构示意图；
53.图22是本发明夹紧装置二的结构示意图；
54.图23是本发明剪断装置二的结构示意图；
55.图24是本发明实验例中三角形电极结构一的三维模型示意图；
56.图25是本发明实验例中三角形电极结构二的三维模型示意图；
57.图26是本发明实验例中装配后的三角形电极三维模型示意图；
58.图27是本发明实验例中打印三角形电极下半部分结构示意图；
59.图28是本发明实验例中初步制备的电极示意图；
60.图29是本发明实验例中去除支撑得到所需的三角形电极示意图；
61.图30是本发明实验例中激光切割机切断后的三角形电极示意图；
62.图31是本发明实验例中激光切割机切断后的三角形电极端面示意图。
具体实施方式
63.如图1所示，包括包括机架装置1、y轴移动装置2、双喷头装置3、z轴移动装置4、热床载物平台5和惰性金属丝剪断装置6，其中y轴移动装置2与机架装置1通过螺纹连接，双喷头装置3与y轴移动装置2通过螺纹连接，z轴移动装置4固定在机架装置1上，热床载物平台5固定在z轴移动装置4上，惰性金属丝剪断装置6安装在z轴移动装置4与热床载物平台5之间的连接轴上。
64.如图2所示，所述机架装置1包括机架101、y轴光杠装置一102、y轴丝杠装置103和y轴光杠装置二104，其中y轴光杠装置一102与机架101通过螺纹连接，y轴丝杠装置103与机架101通过螺纹连接，y轴光杠装置二104与机架101通过螺纹连接。
65.如图3所示，所述y轴光杠装置一102包括光杠支座一10201、光杠一10202和光杠支座二10203，其中光杠一10202安装在光杠支座一10201和光杠支座二10203内，光杠支座一10201与光杠支座二10203与机架101通过螺纹连接。
66.如图4所示，所述y轴丝杠装置103包括丝杠支座一10301、丝杠一10302、丝杠支座二10303和步进电机一10304，其中步进电机一10304的输出轴与丝杠一10302连接，步进电
机一10304旋转可带动丝杠一10302在丝杠支座一10301与丝杠支座二10303内转动，丝杠支座一10301、丝杠支座二10303与机架101通过螺纹连接。
67.如图5所示，所述y轴光杠装置二104包括光杠支座三10401、光杠二10402和光杠支座四10403，其中光杠三10402安装在光杠支座三10401和光杠支座四10403内，光杠支座三10401与光杠支座四10403与机架101通过螺纹连接。
68.如图6、图7所示，所述y轴移动装置2包括移动平台201、x轴丝杠装置202、x轴光杠装置203、光孔204和螺纹孔205，其中移动平台上的光孔204与光杠一10202和光杠三10402间隙配合，螺纹孔205与丝杠一10302螺纹连接。
69.如图8所示，所述x轴丝杠装置202包括丝杠支座三20201、丝杠二20202、丝杠支座四20203和步进电机一20204，其中步进电机一20204的输出轴与丝杠二20202连接，步进电机一20204旋转可带动丝杠二20202在丝杠支座三20201与丝杠支座四20203内转动，丝杠支座三20201、丝杠支座四20203与移动平台201通过螺纹连接。
70.如图9所示，所述x轴光杠装置203包括光杠支座五20301、光杠三20302和光杠支座六20303，其中光杠三20302安装在光杠支座五20301和光杠支座六20303内，光杠支座五20301与光杠支座六20303与移动平台201通过螺纹连接。
71.如图10所示，所述双喷头装置3包括喷头一301、喷头二302、喷头夹块303、光孔304、螺纹孔305、pla进料管一306和pla进料管二307，其中喷头一301和喷头二302固定在喷头夹块303上，pla进料管一306和pla进料管二307分别与喷头一301和喷头二302连接，光孔304与光杠三20302间隙配合，螺纹孔305与丝杠二20202螺纹连接，步进电机一20204旋转可以使双喷头装置3沿着光杠三20302实现x轴移动。
72.如图11、图12所示，所述喷头夹块303包括主动轮一30301、从动轮一30302、主动轮二30304、从动轮二30303、步进电机二30305和步进电机三30306，其中步进电机二30305的输出轴与主动轮一30301连接，步进电机三30306的输出轴与主动轮二30304连接，pla进料管一306内的颜色一pla丝材在主动轮一30301和从动轮一30302的作用下输送到喷头一301处，喷头一301加热熔融挤出颜色一pla丝材，pla进料管二307内的颜色二pla丝材在主动轮二30304和从动轮二30303的作用下输送到喷头二302处，喷头二302加热熔融挤出颜色二pla丝材，进而堆积成型想要的电极形状。
73.如图13所示，所述z轴移动装置4包括底板401、圆轴一402、圆轴二403、步进电机四404、丝杠三405和光杠四406，其中圆轴二403固定在底板401中心，圆轴一402固定在圆轴二403中心，步进电机四404固定在机架101上，丝杠三405与步进电机四404的输出轴连接，光杠四406固定在机架101上，步进电机四404旋转可使底板401沿着光杠四406上下运动。
74.如图14所示，所述热床载物平台5包括加热板501、打印平台502、卷轴支架503和卷轴504，其中加热板501的几何中心固定在圆轴一402上，打印平台502固定在加热板501上，卷轴支架503固定在打印平台502上，卷轴504安装在卷轴支架503上并可在卷轴支架503上转动，卷轴504上缠绕惰性金属丝。
75.如图15所示，所述惰性金属丝剪断装置6，包括压电陶瓷电动机601、摩擦环602、支撑架603、夹紧剪断装置一604和夹紧剪断装置二605，其中压电陶瓷电动机601螺纹连接在底板401上，摩擦带602固定在支撑架603上，夹紧剪断装置一604安装在支撑架603上，夹紧剪断装置二605安装在支撑架603上，压电陶瓷电动机601给摩擦带602施加摩擦力可使支撑
架603绕z轴旋转，夹紧剪断装置一604与夹紧剪断装置二605结构完全相同，夹紧剪断装置一604与夹紧剪断装置二605在支撑架603上相隔180度布置，惰性金属丝剪断装置6套在z轴移动装置的圆轴一402外、且卡在圆轴二403上。
76.如图16所示，所述夹紧夹断装置一604，包括步进电机五60401、光杠五60402、丝杠四60403、夹紧装置一60404、滑动轨道一60405、丝杠五60406、步进电机六60407和剪断装置一60408，其中步进电机五60401固定在支撑架603上，光杠五60402固定在支撑架603上，步进电机五60401的输出轴与丝杠四60403连接，滑动轨道一60405与光杠五60402间隙配合，与丝杠四60403螺纹连接，步进电机六60407固定在夹紧装置一60404上，夹紧装置一60404安装在滑动轨道一60405上，并可在滑动轨道一60405内滑动，剪断装置一60408固定在滑动轨道一60405的一侧，与滑动轨道一60405之间无相对运动，剪断装置一60408与丝杠五60406之间螺纹连接，步进电机五60401旋转带动丝杠四60403旋转，使得夹紧装置一60404与剪断装置一60408向上运动，步进电机六60407旋转，可使夹紧装置一60404沿滑动轨道一60405滑动。
77.如图17、图18所示，所述夹紧装置一60404，包括夹紧板一6040401、两板连接块一6040402、连接臂一6040403、连接板一6040404、步进电机七6040405和丝杠六6040406，其中两个夹紧板一6040401与两板连接块二6040402通过螺纹连接，两个夹紧板一6040401与两个连接臂一6040403通过螺纹连接，两个连接臂一6040403与连接板一6040404通过螺纹连接，步进电机七6040405固定在连接板一6040404上，两板连接块一6040402中间开有螺纹孔，与丝杠六6040406螺纹连接，步进电机七6040405的输出轴与丝杠六6040406连接，步进电机七6040405旋转带动丝杠六6040406旋转使得两板连接块一6040402沿着丝杠六6040406上下移动，从而实现夹紧装置一60404的夹紧和张开。
78.如图19、图20所示，所述剪断装置一60408，包括刀片一6040801、两板连接块二6040802、连接臂二6040803、连接板二6040804、步进电机八6040805和丝杠七6040806，其中两个刀片一6040801与两板连接块二6040802通过螺纹连接，两个刀片一6040801与两个连接臂二6040803通过螺纹连接，两个连接臂二6040803与连接板二6040804通过螺纹连接，步进电机八6040805固定在连接板二6040804上，两板连接块二6040802中间开有螺纹孔，与丝杠七6040806螺纹连接，步进电机八6040805的输出轴与丝杠七6040806连接，步进电机八6040805旋转带动丝杠七6040806旋转使得两板连接块二6040802沿着丝杠七6040806上下移动，从而实现刀片一6040801的夹紧和张开。
79.如图21所示，所述夹紧夹断装置二605，包括步进电机九60501、光杠六60502、丝杠八60503、夹紧装置二60504、滑动轨道二60505、丝杠九60506、步进电机十60507和剪断装置二60508，其中步进电机九60501固定在支撑架603上，光杠六60502固定在支撑架603上，步进电机九60501的输出轴与丝杠八60503连接，滑动轨道二60505与光杠六60502间隙配合，与丝杠八60503螺纹连接，步进电机十60507固定在夹紧装置二60504上，夹紧装置二60504安装在滑动轨道二60505上，并可在滑动轨道二60505内滑动，剪断装置二60508固定在滑动轨道二60505的一侧，与滑动轨道二60505之间无相对运动，剪断装置二60508与丝杠九60506之间螺纹连接，步进电机九60501旋转带动丝杠八60503旋转，使得夹紧装置二60504与剪断装置二60508向上运动，步进电机十60507旋转，可使夹紧装置二60504沿滑动轨道二60505滑动。
80.如图22所示，所述夹紧装置二60504，包括夹紧板二6050401、两板连接块三6050402、连接臂三6050403、连接板三6050404、步进电机十一6050405、丝杠十6050406，两个夹紧板二6050401与两板连接块三6050402通过螺纹连接，两个夹紧板二6050401与两个连接臂三6050403通过螺纹连接，两个连接臂三6050403与连接板三6050404通过螺纹连接，步进电机十一6050405固定在连接板三6050404上，两板连接块三6050402中间开有螺纹孔，与丝杠十6050406螺纹连接，步进电机十一6050405的输出轴与丝杠十6050406连接，步进电机十一6050405旋转带动丝杠十6050406旋转使得两板连接块三6050402沿着丝杠十6050406上下移动，从而实现夹紧装置二60504的夹紧和张开。
81.如图23所示，所述剪断装置二60508，包括刀片二6050801、两板连接块四6050802、连接臂四6050803、连接板四6050804、步进电机十二6050805、丝杠十一6050806，两个刀片二6050801与两板连接块四6050802通过螺纹连接，两个刀片二6050801与两个连接臂四6050803通过螺纹连接，两个连接臂四6050803与连接板四6050804通过螺纹连接，步进电机十二6050805固定在连接板四6050804上，两板连接块四6050802中间开有螺纹孔，与丝杠十一6050806螺纹连接，步进电机十二6050805的输出轴与丝杠十一6050806连接，步进电机十二6050805旋转带动丝杠十一6050806旋转使得两板连接块四6050802沿着丝杠十一6050806上下移动，从而实现刀片二6050801的夹紧和张开。
82.采用局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置的制备方法，包括下列步骤：
83.(1)、模型数据转化：根据所需电极结构设计3d打印的零件结构，电极结构由结构一和结构二两部分组成，结构一由颜色一pla熔融堆积而成，结构二由颜色二pla熔融堆积而成，之后构建相应的catia模型，将模型从z方向切片分层处理，使每层厚度为微米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
84.(2)、下半部分电极结构打印：计算机控制程序控制加热板501加热，使打印平台502温度升高至所需温度，z轴移动装置上的步进电机四404旋转使底板401升高至合适高度，在控制程序的控制下，喷头一301熔融挤出颜色一pla丝材，喷头二302熔融挤出颜色二pla丝材在打印平台502上逐层堆积成型所需的电极的结构，直至电极结构二打印完成之后停止打印；
85.(3)、铺设惰性金属丝：电极结构一打印完成之后，z轴移动装置上的步进电机四404旋转使底板401降低至最低位置，夹紧装置一上的步进电机七6040405旋转使夹紧装置一60404张开，剪断装置一上的步进电机八6040805旋转使剪断装置一60408张开，夹紧装置二上的步进电机十一6050405旋转使夹紧装置二60504张开，剪断装置二上的步进电机十二6050805旋转使剪断装置二60508张开，压电陶瓷电动机601促使支撑架603旋转，使夹紧剪断装置一604移动到卷轴504与打印平台502之间，初次使用本装置需要手动拉直惰性金属丝，拉直之后，夹紧装置一上的步进电机七6040405旋转使夹紧装置一60404夹紧，此时惰性金属丝被夹在两夹紧板一6040401之间，随后为了防止惰性金属丝与打印平台502之间发生干涉，夹紧剪断装置一上的步进电机五60401旋转使夹紧剪断装置一604上升一定高度，紧剪断装置二上的步进电机九60501旋转使夹紧剪断装置二605上升一定高度，压电陶瓷电动机601使支撑架603旋转180度，此时夹紧剪断装置二605正好旋转到原夹紧剪断装置一604的位置，夹紧剪断装置一上的步进电机五60401旋转使夹紧剪断装置一604下降至原来的高度，紧剪断装置二上的步进电机九60501旋转使夹紧剪断装置二605下降至原来的高度，夹
紧装置二上的步进电机十一6050405旋转夹紧卷轴504上的惰性金属丝，然后夹紧剪断装置一上的步进电机六60407和夹紧剪断装置二上的步进电机十60507做微量的旋转使铺设在下半部分电极结构上的惰性金属丝张紧；
86.(4)、上半部分电极结构打印：铺设好惰性金属丝之后，z轴移动装置上的步进电机404旋转使底板401升高至合适高度，由于电极结构二已经打印完成，此时只需打印结构一的剩余部分，控制程序控制喷头一301熔融挤出颜色一pla丝材，在打印平台502上堆积成型电极的上半部分；
87.(5)、惰性金属丝剪断：电极结构二打印好之后，惰性金属丝就被完全封装在了结构一和结构二之间，此时剪断装置一上的步进电机八6040805旋转使两刀片一6040801夹紧和剪断装置二上的步进电机十二6050805旋转使两刀片二6050801夹紧，从而实现被夹紧惰性金属丝两端的剪断；
88.(6)、电极的后处理：将封装好的电极用铲子从打印平台502上铲下，根据所需的长度利用激光切割机切断得到切口齐平的电极。
89.下边结合实验例来说明三角形局域电化学沉积增材制造微阳极的制备。
90.(1)、模型数据转化：利用catia软件构建如图24和图25所示的两个三维零件图，将两零件装配成一个三角形电极，如图26，其中支撑的作用是便于三角形电极从打印平台502上铲下，保存为stl格式文件，将stl文件导入ultimaker cura软件中并分别设置结构一用喷头一打印，结构二用喷头二打印，将模型从z方向切片分层处理，使每层厚度为微米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
91.(2)、下半部分电极结构打印：计算机控制程序控制加热板501加热，使打印平台502温度升高至所需温度，z轴移动装置上的步进电机四404旋转使底板401升高至合适高度，在控制程序的控制下，喷头一301熔融挤出颜色一pla丝材，喷头二302熔融挤出颜色二pla丝材在打印平台502上逐层堆积成型所需的电极的结构，直至电极结构二打印完成之后停止打印，如图27；
92.(3)、铺设惰性金属丝：电极结构一打印完成之后，z轴移动装置上的步进电机四404旋转使底板401降低至最低位置，夹紧装置一上的步进电机八6040405旋转使夹紧装置一60404张开，剪断装置一上的步进电机八6040805旋转使剪断装置一60408张开，夹紧装置二上的步进电机十一6050405旋转使夹紧装置二60504张开，剪断装置二上的步进电机十二6050805旋转使剪断装置二60508张开，压电陶瓷电动机601促使支撑架603旋转，使夹紧剪断装置一604移动到卷轴504与打印平台502之间，初次使用本装置需要手动拉直惰性金属丝，拉直之后，夹紧装置一上的步进电机旋转七6040405使夹紧装置一60404夹紧，此时惰性金属丝被夹在两夹紧板一6040401之间，随后为了防止惰性金属丝与打印平台502之间发生干涉，夹紧剪断装置一上的步进电机五60401旋转使夹紧剪断装置一604上升一定高度，紧剪断装置二上的步进电机九60501旋转使夹紧剪断装置二605上升一定高度，压电陶瓷电动机601使支撑架603旋转180度，此时夹紧剪断装置二605正好旋转到原夹紧剪断装置一604的位置，夹紧剪断装置一上的步进电机五60401旋转使夹紧剪断装置一604下降至原来的高度，紧剪断装置二上的步进电机九60501旋转使夹紧剪断装置二605下降至原来的高度，夹紧装置二上的步进电机十一6050405旋转夹紧卷轴504上的惰性金属丝，然后夹紧剪断装置一上的步进电机六60407和夹紧剪断装置二上的步进电机十60507做微量的旋转使铺设在
下半部分电极结构上的惰性金属丝张紧；
93.(4)、上半部分电极结构打印：铺设好惰性金属丝之后，z轴移动装置上的步进电机四404旋转使底板401升高至合适高度，由于电极结构二已经打印完成，此时只需打印结构一的剩余部分，控制程序控制喷头一301熔融挤出颜色一pla丝材，在打印平台502上堆积成型电极的上半部分；
94.(5)、惰性金属丝剪断：电极结构二打印好之后，惰性金属丝就被完全封装在了结构一和结构二之间，此时剪断装置一上的步进电机八6040805旋转使两刀片一6040401夹紧和剪断装置二上的步进电机十二6050805旋转使两刀片二6050401夹紧，从而实现被夹紧惰性金属丝两端的剪断，得到初步制备的电极，如图28；
95.(6)、电极的后处理：将封装好的电极用铲子从打印平台502上铲下，去除支撑得到所需的三角形电极，如图29，根据所需的长度利用激光切割机切断得到切口齐平的电极，如图30，激光切割后的电极端面，如图31。

技术特征：
1.一种局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：包括包括机架装置、y轴移动装置、双喷头装置、z轴移动装置、热床载物平台和惰性金属丝剪断装置，其中y轴移动装置与机架装置通过螺纹连接，双喷头装置与y轴移动装置通过螺纹连接，z轴移动装置固定在机架装置上，热床载物平台固定在z轴移动装置上，惰性金属丝剪断装置安装在z轴移动装置与热床载物平台之间的连接轴上。2.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述机架装置包括机架、y轴光杠装置一、y轴丝杠装置和y轴光杠装置二，其中y轴光杠装置一与机架通过螺纹连接，y轴丝杠装置与机架通过螺纹连接，y轴光杠装置二与机架通过螺纹连接；所述y轴光杠装置一包括光杠支座一、光杠一和光杠支座二，其中光杠一安装在光杠支座一和光杠支座二内，光杠支座一与光杠支座二与机架通过螺纹连接；所述y轴丝杠装置包括丝杠支座一、丝杠一、丝杠支座二和步进电机一，其中步进电机一的输出轴与丝杠一连接，步进电机一旋转可带动丝杠一在丝杠支座一与丝杠支座二内转动，丝杠支座一、丝杠支座二与机架通过螺纹连接；所述y轴光杠装置二包括光杠支座三、光杠二和光杠支座四，其中光杠三安装在光杠支座三和光杠支座四内，光杠支座三与光杠支座四与机架通过螺纹连接。3.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述y轴移动装置包括移动平台、x轴丝杠装置、x轴光杠装置、光孔和螺纹孔，其中移动平台上的光孔与光杠一和光杠三间隙配合，螺纹孔与丝杠一螺纹连接；所述x轴丝杠装置包括丝杠支座三、丝杠二、丝杠支座四和步进电机一，其中步进电机一的输出轴与丝杠二连接，步进电机一旋转可带动丝杠二在丝杠支座三与丝杠支座四内转动，丝杠支座三、丝杠支座四与移动平台通过螺纹连接；所述x轴光杠装置包括光杠支座五、光杠三和光杠支座六，其中光杠三安装在光杠支座五和光杠支座六内，光杠支座五与光杠支座六与移动平台通过螺纹连接。4.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述双喷头装置包括喷头一、喷头二、喷头夹块、光孔、螺纹孔、pla进料管一和pla进料管二，其中喷头一和喷头二固定在喷头夹块上，pla进料管一和pla进料管二分别与喷头一和喷头二连接，光孔与光杠三间隙配合，螺纹孔与丝杠二螺纹连接，步进电机一旋转可以使双喷头装置沿着光杠三实现x轴移动；所述喷头夹块包括主动轮一、从动轮一、主动轮二、从动轮二、步进电机二和步进电机三，其中步进电机二的输出轴与主动轮一连接，步进电机三的输出轴与主动轮二连接，pla进料管一内的颜色一pla丝材在主动轮一和从动轮一的作用下输送到喷头一处，喷头一加热熔融挤出颜色一pla丝材，pla进料管二内的颜色二pla丝材在主动轮二和从动轮二的作用下输送到喷头二处，喷头二加热熔融挤出颜色二pla丝材，进而堆积成型想要的电极形状。5.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述z轴移动装置包括底板、圆轴一、圆轴二、步进电机四、丝杠三和光杠四，其中圆轴二固定在底板中心，圆轴一固定在圆轴二中心，步进电机四固定在机架上，丝杠三与步进电机四的输出轴连接，光杠四固定在机架上，步进电机四旋转可使底板沿着光杠四上下运动。
6.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述热床载物平台包括加热板、打印平台、卷轴支架和卷轴，其中加热板的几何中心固定在圆轴一上，打印平台固定在加热板上，卷轴支架固定在打印平台上，卷轴安装在卷轴支架上并可在卷轴支架上转动，卷轴上缠绕惰性金属丝。7.根据权利要求1所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述惰性金属丝剪断装置包括压电陶瓷电动机、摩擦环、支撑架、夹紧剪断装置一和夹紧剪断装置二，其中压电陶瓷电动机螺纹连接在底板上，摩擦带固定在支撑架上，夹紧剪断装置一安装在支撑架上，夹紧剪断装置二安装在支撑架上，压电陶瓷电动机给摩擦带施加摩擦力可使支撑架绕z轴旋转，夹紧剪断装置一与夹紧剪断装置二结构完全相同，夹紧剪断装置一与夹紧剪断装置二在支撑架上相隔180度布置，惰性金属丝剪断装置套在z轴移动装置的圆轴一外、且卡在圆轴二上。8.根据权利要求7所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述夹紧夹断装置一包括步进电机五、光杠五、丝杠四、夹紧装置一、滑动轨道一、丝杠五、步进电机六和剪断装置一，其中步进电机五固定在支撑架上，光杠五固定在支撑架上，步进电机五的输出轴与丝杠四连接，滑动轨道一与光杠五间隙配合，与丝杠四螺纹连接，步进电机六固定在夹紧装置一上，夹紧装置一安装在滑动轨道一上，并可在滑动轨道一内滑动，剪断装置一固定在滑动轨道一的一侧，与滑动轨道一之间无相对运动，剪断装置一与丝杠五之间螺纹连接，步进电机五旋转带动丝杠四旋转，使得夹紧装置一与剪断装置一向上运动，步进电机六旋转，可使夹紧装置一沿滑动轨道一滑动；所述夹紧装置一包括夹紧板一、两板连接块一、连接臂一、连接板一、步进电机七和丝杠六，其中两个夹紧板一与两板连接块二通过螺纹连接，两个夹紧板一与两个连接臂一通过螺纹连接，两个连接臂一与连接板一通过螺纹连接，步进电机七固定在连接板一上，两板连接块一中间开有螺纹孔，与丝杠六螺纹连接，步进电机七的输出轴与丝杠六连接，步进电机七旋转带动丝杠六旋转使得两板连接块一沿着丝杠六上下移动，从而实现夹紧装置一的夹紧和张开；所述剪断装置一包括刀片一、两板连接块二、连接臂二、连接板二、步进电机八和丝杠七，其中两个刀片一与两板连接块二通过螺纹连接，两个刀片一与两个连接臂二通过螺纹连接，两个连接臂二与连接板二通过螺纹连接，步进电机八固定在连接板二上，两板连接块二中间开有螺纹孔，与丝杠七螺纹连接，步进电机八的输出轴与丝杠七连接，步进电机八旋转带动丝杠七旋转使得两板连接块二沿着丝杠七上下移动，从而实现刀片一的夹紧和张开。9.根据权利要求7所述的局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置，其特征在于：所述夹紧夹断装置二包括步进电机九、光杠六、丝杠八、夹紧装置二、滑动轨道二、丝杠九、步进电机十和剪断装置二，其中步进电机九固定在支撑架上，光杠六固定在支撑架上，步进电机九的输出轴与丝杠八连接，滑动轨道二与光杠六间隙配合，与丝杠八螺纹连接，步进电机十固定在夹紧装置二上，夹紧装置二安装在滑动轨道二上，并可在滑动轨道二内滑动，剪断装置二固定在滑动轨道二的一侧，与滑动轨道二之间无相对运动，剪断装置二与丝杠九之间螺纹连接，步进电机九旋转带动丝杠八旋转，使得夹紧装置二与剪断装置二向上运动，步进电机十旋转，可使夹紧装置二沿滑动轨道二滑动；
所述夹紧装置二包括夹紧板二、两板连接块三、连接臂三、连接板三、步进电机十一、丝杠十，两个夹紧板二与两板连接块三通过螺纹连接，两个夹紧板二与两个连接臂三通过螺纹连接，两个连接臂三与连接板三通过螺纹连接，步进电机十一固定在连接板三上，两板连接块三中间开有螺纹孔，与丝杠十螺纹连接，步进电机十一的输出轴与丝杠十连接，步进电机十一旋转带动丝杠十旋转使得两板连接块三沿着丝杠十上下移动，从而实现夹紧装置二的夹紧和张开；所述剪断装置二包括刀片二、两板连接块四、连接臂四、连接板四、步进电机十二、丝杠十一，两个刀片二与两板连接块四通过螺纹连接，两个刀片二与两个连接臂四通过螺纹连接，两个连接臂四与连接板四通过螺纹连接，步进电机十二固定在连接板四上，两板连接块四中间开有螺纹孔，与丝杠十一螺纹连接，步进电机十二的输出轴与丝杠十一连接，步进电机十二旋转带动丝杠十一旋转使得两板连接块四沿着丝杠十一上下移动，从而实现刀片二的夹紧和张开。10.采用如权利要求1～9任一项所述局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置的制备方法，包括下列步骤：(1)、模型数据转化：根据所需电极结构设计3d打印的零件结构，电极结构由结构一和结构二两部分组成，结构一由颜色一pla熔融堆积而成，结构二由颜色二pla熔融堆积而成，之后构建相应的catia模型，将模型从z方向切片分层处理，使每层厚度为微米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；(2)、下半部分电极结构打印：计算机控制程序控制加热板加热，使打印平台温度升高至所需温度，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板升高至合适高度，在控制程序的控制下，喷头一熔融挤出颜色一pla丝材，喷头二熔融挤出颜色二pla丝材在打印平台上逐层堆积成型所需的电极的结构，直至电极结构二打印完成之后停止打印；(3)、铺设惰性金属丝：电极结构一打印完成之后，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板降低至最低位置，夹紧装置一上的步进电机七旋转使夹紧装置一张开，剪断装置一上的步进电机八旋转使剪断装置一张开，夹紧装置二上的步进电机十一旋转使夹紧装置二张开，剪断装置二上的步进电机十二旋转使剪断装置二张开，压电陶瓷电动机促使支撑架旋转，使夹紧剪断装置一移动到卷轴与打印平台之间，初次使用本装置需要手动拉直惰性金属丝，拉直之后，夹紧装置一上的步进电机七旋转使夹紧装置一夹紧，此时惰性金属丝被夹在两夹紧板一之间，随后为了防止惰性金属丝与打印平台之间发生干涉，夹紧剪断装置一上的步进电机五旋转使夹紧剪断装置一上升一定高度，紧剪断装置二上的步进电机九旋转使夹紧剪断装置二上升一定高度，压电陶瓷电动机使支撑架旋转180度，此时夹紧剪断装置二正好旋转到原夹紧剪断装置一的位置，夹紧剪断装置一上的步进电机五旋转使夹紧剪断装置一下降至原来的高度，紧剪断装置二上的步进电机九旋转使夹紧剪断装置二下降至原来的高度，夹紧装置二上的步进电机十一旋转夹紧卷轴上的惰性金属丝，然后夹紧剪断装置一上的步进电机六和夹紧剪断装置二上的步进电机十做微量的旋转使铺设在下半部分电极结构上的惰性金属丝张紧；(4)、上半部分电极结构打印：铺设好惰性金属丝之后，z轴移动装置上的步进电机四旋转使底板升高至合适高度，由于电极结构二已经打印完成，此时只需打印结构一的剩余部分，控制程序控制喷头一熔融挤出颜色一pla丝材，在打印平台上堆积成型电极的上半部
分；(5)、惰性金属丝剪断：电极结构二打印好之后，惰性金属丝就被完全封装在了结构一和结构二之间，此时剪断装置一上的步进电机八旋转使两刀片一夹紧和剪断装置二上的步进电机十二旋转使两刀片二夹紧，从而实现被夹紧惰性金属丝两端的剪断；(6)、电极的后处理：将封装好的电极用铲子从打印平台上铲下，根据所需的长度利用激光切割机切断得到切口齐平的电极。

技术总结
本发明涉及局域电化学沉积增材制造微阳极制备装置及方法，属于3D打印技术与电化学沉积领域。y轴移动装置与机架装置通过螺纹连接，双喷头装置与y轴移动装置通过螺纹连接，z轴移动装置固定在机架装置上，热床载物平台固定在z轴移动装置上，惰性金属丝剪断装置安装在z轴移动装置与热床载物平台之间的连接轴上。优点是实现了制备局域电化学沉积增材制造微阳极的自动化，提高了制备微阳极的效率，节省人力物力财力；解决了传统使用毛细玻璃管封装极细惰性金属丝的困难，可方便封装直径为20微米以下的惰性金属丝，利用激光切割来后处理电极，避免了磨削光滑电极平面的困难；电极形状可通过计算机来设计，无形状方面的限制。无形状方面的限制。无形状方面的限制。


技术研发人员：吴文征 唐晓杰 王静 狄梓博 张兴斌 李森 赵继
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.07
技术公布日：2023/7/22