一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置与方法

本发明属于电化学增材制造，特别涉及一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置与方法。

背景技术：

1、金属3d打印技术，是快速成型技术中的一种，放弃了传统的加工形式，应用逐层堆积的方式进行生产和加工，既节省了大量的原材料、又节省了制造的时间,给制造行业带来了重大的影响。

2、现有金属3d打印技术以激光熔融和粉末床烧结为主，但其存在以下不足：

3、1.高人力和时间成本，且现有3d打印机普遍昂贵。现有金属3d打印技术主要是借助激光或电子束进行金属粉末的熔融烧结为主，原理是通过激光束或电子束对金属粉末进行加热，将其熔化成液态，并在逐层堆积的基板上进行逐层成型，最终获得需要的3d打印金属零件。材料、机械和操作成本高。零件必须通过支撑结构(以防止翘曲)连接到构建板上，这会产生废料并需要手动后处理移除。构建尺寸有限，并且金属粉末处理具有危险性，需要严格的过程控制。

4、2.打印材料方面，目前的3d打印技术可打印的材料种类有限，现有的金属熔融烧结技术对不同的金属需要考虑不同金属的熔点、成型特点等因素，无法完全适应工业生产中所需的各种各样的材料的打印，这使得3d打印技术只能应用于一些特定场合，普及推广仍有很大的障碍。

5、3.在精度和效率方面，由于金属3d打印技术原理不够完善，所以目前成品的精度还不足，不能作为功能性零件。在打印效率方面，层层叠加、激光熔化的加工方式，决定了金属3d打印机打印出成品所需的时间比较长，效率不高。

6、4.现有的激光熔融和粉末床烧结技术，由于温度高，会在金属工件内部产生热应力，对成型后的金属制品的力学性能产生负面影响。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置与方法，不仅大大提高了打印的质量和效率，而且节约了打印成本，适用于绝大多数金属，加工材料广泛。

2、为实现上述目的，本发明采用以下方案：

3、一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，包括针筒，所述针筒连接有纳秒脉冲激光机构，所述针筒的底部连通有阳极喷头，所述阳极喷头的下方设有与所述针筒连接的溶液池，所述溶液池与所述阳极喷头之间设有阴极棒，所述阴极棒连接有b轴运动平台，所述针筒连接有xyz三轴运动平台，所述b轴运动平台和xyz三轴运动平台分别连接有控制单元，所述溶液池内设有金属离子溶液，所述金属离子溶液内添加有添加剂。

4、进一步的，所述纳秒脉冲激光机构包括纳秒脉冲激光器，所述纳秒脉冲激光器输出端连接有导光臂，所述导光臂输出端连接有出光口，所述出光口连接有光纤，所述导光臂通过同轴夹具与所述针筒固定。

5、进一步的，所述针筒的上端口可拆卸的密封有密封塞，所述针筒内靠近所述阳极喷头的位置固设有多孔塞，所述光纤顺次贯穿所述密封塞和多孔塞，并延伸至所述阳极喷头的上方，所述出光口、阳极喷头和多孔塞下方的光纤段在同一直线上。

6、进一步的，所述纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光波长为532nm、785nm、1064nm，频率为1hz～10hz，能量密度为50mj/cm2～1000mj/cm2。

7、进一步的，所述溶液池与所述针筒之间通过导管连通，导管上连通有恒流泵，导管与所述针筒连接的一端贯穿所述密封塞并延伸至针筒内。

8、进一步的，所述阳极喷头连接有脉冲电源正极，所述阴极棒连接有脉冲电源负极。

9、进一步的，所述脉冲电源的电压大小为4v～12v，占空比为0.1～0.5。

10、进一步的，所述阳极喷头与阴极棒的竖直距离为1cm～5cm，所述阳极喷头采用0.2mm～1.5mm直径的金属针头。

11、进一步的，所述添加剂包括金属光亮剂，所述金属离子溶液(3)为硫酸铜溶液时，浓度选用0.5mol/l，所述硫酸铜溶液内的添加剂还包括硫酸、氯离子、聚乙二醇、聚二硫二丙烷磺酸钠。

12、一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置的工作方法，包括如下步骤：

13、步骤一、向金属离子溶液中加入对应金属的添加剂，然后将含有添加剂的金属离子溶液注入溶液池以及针筒中；

14、步骤二、启动恒流泵，溶液池中的金属离子溶液通过导管流入针筒中，不断提供稳定的金属离子溶液；

15、步骤三、通过计算机调节xyz三轴运动平台，继而使xyz三轴运动平台带动针筒移动直至阳极喷头喷出的金属离子溶液微射流束位于阴极棒的中央位置，并且阳极喷头与阴极棒的竖直距离控制在1cm～5cm范围内；

16、步骤四、设置脉冲电源的电压与占空比，启动脉冲电源，开始电化学沉积；同时设置纳秒脉冲激光的波长、频率和能量密度，启动纳秒脉冲激光器；

17、步骤五、当沉积点的金属沉积出设定高度后，通过计算机和控制单元控制z轴移动平台向上以设计速度匀速移动；

18、步骤六、工件沉积完成后，关闭纳秒脉冲激光器，切断脉冲电源，关闭恒流泵，完成纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积过程。

19、本发明具有的有益效果为：首先本发明采用射流式实现金属离子的电化学沉积，可以根据不同的金属，调配相应金属离子溶液的浓度、添加剂的种类来实现在阴极金属棒上沉积出金属材料，适用于绝大多数金属，加工材料广泛。相对现有技术，无需高温环境，在常温环境下就可以实现3d打印，常温下实现的打印工件热应力小，力学性能好，而且调控溶液的浓度、添加剂种类，结合调控脉冲电流的电压、占空比等参数，就可大大的提高工件的质量，节省了大量成本。

20、而且本发明引入了脉冲激光，能量小，有升温效果，通过显微镜探究打印出的金属内部的晶粒可以看出金属的晶粒细化明显，提高了力学性能，可以加强内部结构的致密性、减少甚至消除内部气泡、减少裂隙的生成，进一步改善打印出的金属的表面形貌。本装置保证激光与阳极喷头处在同一直线上，使得激光照射位置与金属电化学沉积位置相同，可以避免光纤因电解液冲击而损坏，从而顺利的进行纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积加工。

21、另外，本发明通过溶液池、恒流泵、导管和针筒实现金属离子溶液的循环利用，减小了整个装置的体积，同时大大节省了金属离子溶液的消耗。

技术特征：

1.一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：包括针筒(10)，所述针筒(10)连接有纳秒脉冲激光机构，所述针筒(10)的底部连通有阳极喷头(8)，所述阳极喷头(8)的下方设有与所述针筒(10)连接的溶液池(2)，所述溶液池(2)与所述阳极喷头(8)之间设有阴极棒(9)，所述阴极棒(9)连接有b轴运动平台(7)，所述针筒(10)连接有xyz三轴运动平台(6)，所述b轴运动平台(7)和xyz三轴运动平台(6)分别连接有控制单元(1)，所述溶液池(2)内设有金属离子溶液(3)，所述金属离子溶液(3)内添加有添加剂。

2.根据权利要求1所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述纳秒脉冲激光机构包括纳秒脉冲激光器(13)，所述纳秒脉冲激光器(13)输出端连接有导光臂(14)，所述导光臂(14)输出端连接有出光口(16)，所述出光口(16)连接有光纤(17)，所述导光臂(14)通过同轴夹具(11)与所述针筒(10)固定。

3.根据权利要求2所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述针筒(10)的上端口可拆卸的密封有密封塞(15)，所述针筒(10)内靠近所述阳极喷头(8)的位置固设有多孔塞(18)，所述光纤(17)顺次贯穿所述密封塞(15)和多孔塞(18)，并延伸至所述阳极喷头(8)的上方，所述出光口(16)、阳极喷头(8)和多孔塞(18)下方的光纤(17)段在同一直线上。

4.根据权利要求2所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述纳秒脉冲激光器(13)发出的脉冲激光波长为532nm、785nm、1064nm，频率为1hz～10hz，能量密度为50mj/cm2～1000mj/cm2。

5.根据权利要求3所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述溶液池(2)与所述针筒(10)之间通过导管(4)连通，导管(4)上连通有恒流泵(5)，导管(4)与所述针筒(10)连接的一端贯穿所述密封塞(15)并延伸至针筒(10)内。

6.根据权利要求1所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述阳极喷头(8)连接有脉冲电源(12)正极，所述阴极棒(9)连接有脉冲电源(12)负极。

7.根据权利要求6所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述脉冲电源(12)的电压大小为4v～12v，占空比为0.1～0.5。

8.根据权利要求1所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述阳极喷头(8)与阴极棒(9)的竖直距离为1cm～5cm，所述阳极喷头(8)采用0.2mm～1.5mm直径的金属针头。

9.根据权利要求1所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置，其特征在于：所述添加剂包括金属光亮剂，所述金属离子溶液(3)为硫酸铜溶液，浓度选用0.5mol/l，所述硫酸铜溶液内的添加剂还包括硫酸、氯离子、聚乙二醇、聚二硫二丙烷磺酸钠。

10.如权利要求1-9任一所述的一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于电化学增材制造技术领域，提供了一种纳秒脉冲激光辅助微射流电化学沉积装置与方法，包括针筒，所述针筒连接有纳秒脉冲激光机构，所述针筒的底部连通有阳极喷头，所述阳极喷头的下方设有与所述针筒连接的溶液池，所述溶液池与所述阳极喷头之间设有阴极棒，所述阴极棒连接有B轴运动平台，所述针筒连接有XYZ三轴运动平台，所述B轴运动平台和XYZ三轴运动平台分别连接有控制单元，所述溶液池内设有金属离子溶液，所述金属离子溶液内添加有添加剂。本方案不仅大大提高了打印的质量和效率，而且节约了打印成本，适用于绝大多数金属，加工材料广泛。

技术研发人员：刘勇,董鹏飞,王丽,王侃,彭传校,徐生洋,陈李晓雪
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16