中山大学 l 新型图像反馈辅助射流电化学增材制造技术：实现高精度复杂三维金属结构制备

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近日，中山大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Manufacturing Processes》上发表了一项创新研究，他们开发了一种基于图像反馈的射流电化学沉积新技术，成功解决了制约电化学增材制造技术走向三维化的核心难题——沉积速率的非线性控制问题。该技术为实现高精度、复杂三维金属结构的可控制备提供了全新的闭环策略和技术路径。本期谷·专栏将分享这一科研成果。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.09.071

中山大学材料科学与工程学院硕士研究生向雯琳为本文第一作者，杨亚斌副教授为唯一通讯作者。该工作受到了广州市科技计划项目的资助。

1.研究背景与挑战

电化学增材制造技术（ECAM）以其高精度、低成本和材料多样性等优势，在微电子、生物医疗、航空航天等领域展现出巨大潜力。然而，传统的ECAM技术沉积速率普遍较低，且电解质多为静态，限制了离子传输和沉积效率。

射流电化学沉积（Jet ECD）通过高速射流增强溶液内离子对流，抑制浓差极化，从而可实现更高的沉积速率。然而，Jet ECD技术长期以来主要局限于二维图案和简单三维结构的制备。其根本瓶颈在于沉积速率呈现显著的非线性时变特性，在缺乏清晰、准确反馈信号的情况下，难以实现三维结构生长过程的体素级精确控制。

创新方法：图像反馈辅助控制

为解决上述挑战，研究团队在前期工作（https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103956）的基础上，创新性地提出并验证了一种基于图像识别的在线监测与反馈技术。

该技术的核心流程如下：

（1）实时图像采集：利用高倍率工业相机，以每秒1帧的速度实时捕捉沉积区域的图像。

（2）图像识别与处理：将图像转换为灰度图，通过动态算法识别液柱边缘。

（3）多区域分割扫描：系统定义了背景区、触发区、重叠区和尖端区四个功能区域，用于精确判断打印铜柱与液柱的接触状态。

（4）动态运动控制：根据图像识别结果，控制程序向平移台动态发出正向、反向或静止的运动指令，通过调整基底与液柱的相对位置，精确控制沉积位置和时间。

该方法的核心优势在于，它摒弃了传统Jet ECD中难以奏效的电信号反馈，转而利用直观的视觉信息，直接监控并响应沉积过程中的非线性变化，实现了真正的闭环控制。

2.研究成果与验证

(1)成功制备大角度悬垂结构

研究团队利用该图像反馈机制，成功制备了悬垂角度从0°到80°的一系列铜柱结构。实验结果表明，小角度（25°, 35°, 50°）悬垂结构直径均匀、表面光滑；即使对于高达80°的极端悬垂角度，该技术也能实现结构的成型，证明了其卓越的控制能力。

(2)具备制造复杂三维结构的能力

通过结合基底旋转，该技术进一步展示了制造复杂三维结构的能力，成功制备了螺旋多段结构和三叉分支结构。这验证了该方法在制造复杂多向三维结构方面的适用性和扩展性。

(3)内部质量优异

Micro-CT分析表明，所制备的悬垂铜柱内部仅存在少量~10 μm的微小孔洞，无贯穿性孔洞或宏观缺陷，继承了电化学增材制造固有的高致密性优点。

(4)深入揭示非线性沉积动力学

通过分析运动指令（移动时间tm、延迟时间td、反向运动时间tr）的时间分布以及结构高度（垂直高度Hv和投影高度Hp）的演化，该研究首次实时表征并深入揭示了Jet ECD过程中沉积速率的非线性动态演化规律，为过程优化提供了深刻见解。

3.结论与展望

本研究成功开发并系统验证了一种用于射流电化学沉积的图像反馈控制方法。该技术通过实时视觉反馈动态匹配非线性沉积速率，实现了：

·0°至80°范围内多角度悬垂结构的精确制备。

·复杂三维金属结构（如螺旋、分叉结构）的成型。

·对沉积过程非线性动力学的实时表征与响应。

尽管在大角度（>70°）时会出现直径收缩和表面粗糙度增加的问题，但这项研究为解决电化学三维制造的控制难题提供了一条行之有效的创新路径。未来，通过引入旋转轴、融合多源信号（如电压检测）以及升级为三维视觉系统，将进一步突破现有局限，为实现全自动、高精度、复杂三维金属结构的电化学增材制造奠定坚实的技术基础。

▌ 三维科学 l 无限可能

投稿 丨daisylinzhu 微信

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