CN111560628A - 一种高精度3d电化学沉积增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的属于增材制造技术领域，具体为一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，包括阴极、阳极、电镀液、直流电源。所述阴极、阳极的位置相对；所述阳极上集成激光输出端和喷液管，可以相对阴极生长点进行三自由度定位移动；所述激光输出端包括激光光源、光导纤维、激光功率调节装置和光源通断装置；所述激光功率调节装置和光源通断装置控制激光光源输出激光的功率和通断；所述激光直接或经光导纤维聚焦在阴极生长点，同时喷液管喷射镀液液流实现高离子更新率；在激光诱导下在阴极目标生长点实现高效高选择性电化学沉积目标金属，从而3D增材制造出目标工件。本发明技术具有高精度、高表面光洁度、高效、低成本等优点。

Description

一种高精度3D电化学沉积增材制造装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种高精度3D电化学沉积增材制造装置。

背景技术

增材制造又称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，通常是是利用光固化和材料熔覆层叠等技术进行快速成型。主要过程一般为先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型逐层切片，然后指导打印机逐层打印成型，目前主要技术包括熔融沉积式(FDM)，电子束自由成形制造(EBF)，直接金属激光烧结(DMLS)，电子束熔化成型(EBM)，选择性激光熔化成型(SLM)，选择性热烧结(SHS)，选择性激光烧结(SLS)，石膏3D打印(PP)，分层实体制造(LOM)，立体平板印刷(SLA)，数字光处理(DLP)等。其中适用于金属材料成型的主要为将特定粒度和形状金属粉末(常见为细粉15-53μm用于激光能量源，粗粉53-105μm用于电子或等离子束能量源，形状为球形以增强流动性)通过电子束或激光进行选择性熔融烧结的方法，通常需要在惰性气体保护气氛中或真空环境中进行，因而存在很大局限性。

电镀即电化学沉积技术，是利用电解原理在导电性材料表面上沉积一层其它金属或合金的过程，采用镀层金属或其他不溶性导电材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀液中镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。主要起到改善基体材料硬度、耐磨性、导电性、导热性、反光性、抗腐蚀性及增进美观等作用。常规电化学沉积技术镀层沉积速度在0.1-5μm/min。

激光是一种具有极好的方向性、单色性和相干性的高能量密度光源。1980年德国贵金属研究所(PrcciousmetalReaserchInstitute)应用激光电沉积金、钯、铜、银和镍成功。但要求电极基片极薄，热导率高，并使用强光束以获得高的能量密度。此后研究人员进行了系列深入研究，通过连续或脉冲激光诱导后沉积速度可以大大提高，在激光辐照微区激光能量密度可达10⁴-10⁵W/cm²，受光照的阴极材料吸收激光能量后将使电解液-阴极界面的局部微区温度骤然升高而产生巨大的温度梯度并使电解液产生强烈对流从而增强传质，使局部区域内离子迁移率和阴极还原反应增强，平衡电位向正向漂移，从而使得镀层沉积速度可达到普通电镀的近10³倍，而且通过控制激光聚焦光斑的大小，激光电化学沉积具有极高选择性，可实现微米级别的精度；此外激光照射能提高成核的速度,使镀层结晶颗粒细小致密，获得高质量的镀层。

中国发明专利CN109097797和实用新型专利CN209162216公开了一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置和方法，装置底板上依次放置激光发生装置、激光处理装置，激光处理装置上方为电解池，电解池内放置有可延z轴上下移动的阴极基板，电源及开断控制器一端通过导线连接阴极基板，另一端通过导线连接有电源阳极，电源阳极置于所述电解池内，形成闭合回路。该发明声称可解决现有技术精度差、表面粗糙的问题，同时满足微型部件的打印的需求。该专利在说明书中说明其激光位于槽底，但会存在激光能量被槽底材料反射吸收和镀液吸收而严重衰减的问题，同时随着电镀过程的进行，槽底容易沉积沉淀物而进一步影响透光性，此外该结构还存在阳极材料不便于一直对正激光照射点且保持恒定距离的问题。

中国发明专利CN105239110公开了一种三维电铸加工方法，该方法包括：根据获取的电铸部件对应的电铸模具实体造型的分层切片信息，利用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；在所述铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层；分层制备铸模绝缘材料层和分层电铸加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。但该方案施行时需要同时3D打印出绝缘材料以限制镀层的生长，同时电铸工艺认为传统电镀方法，与本发明方案相比其镀层沉积效率极低，且精度受制于绝缘材料打印精度；此外，由于该方案施行时各层的生长需要重复进行绝缘材料的3D打印和金属的电沉积，而电沉积需要在镀液中进行，也就意味着工件在电铸该层完毕需要取出并清洗干净之后并干燥之后才能进行下一层的绝缘材料打印，从而更是严重限制了加工效率。

中国实用新型专利CN201420482471公开了一种二维阵列电镀堆积3D打印机，属于3D打印技术领域。所述二维阵列电镀堆积3D打印机，包括直流电源、中心控制器、金属导电底板和装有电解质溶液的二维阵列微管，其中：所述二维阵列微管位于所述金属导电底板的下方，所述二维阵列微管的每个微管内均设置有金属电极块；所述金属导电底板的上方连接有升降马达；所述直流电源的负极连接所述金属导电底板，正极经所述中心控制器连接至所述二维阵列微管的每个微管内的金属电极块。该实用新型存在难以实现精细打印且效率远低于本发明的不足。

中国发明专利CN104164683公开了点阵阳极式电还原金属沉积零件3D打印装备，该发明包括有计算机数控系统等，其特点在于：设有一水平x和y轴方向点阵分布状的阳极台面，每个点阵处均固定设有阳极并相互绝缘形成点阵分布式阳极台柱，所有阳极均并联的与其电化学电源连接，阳极台柱中还设有点阵分布的阳极输液通道与带压的金属离子溶液输送装置连通，计算机数控系统将待成型工件的三维图像数据转换为水平x和y轴方向点阵和垂直步进的三维控制数据。该发明所有电极点都可以同时工作，就是并联打印，从而在厚壁或实心金属件的3D打印时采用数万个电极同时工作则效率可提高。但该发明的采用不溶性阳极则镀液稳定性控制将成为一大挑战，同时由于点阵钛丝阳极直径0.5mm，阳极扩容口腔更是数毫米量级，因而难以胜任精细金属件成型的要求，同时由于阴极附近金属离子的迁移主要还是由扩散和普通对流实现，因而其金属离子沉积效率仍仅是在常规电镀水平。

中国发明专利CN108914177公开了一种五轴微细液束流金属3D打印的装置和方法，其特征是采用绝缘毛细管作为微细喷嘴，中间插入微米铂丝与电源阳极链接，将电解液喷射到阴极基底表面上实现指定区域的电沉积，并且采用恒流直流电源，控制电流密度在100～800A/dm2，通过控制XYZ三轴与两个旋转轴的运动来沉积出所需的三维金属结构。但该发明无法避免阳极铂丝在阴极投影区之外部位沉积，因而仍难以实现高精度3D成型。

中国发明专利CN103481672公开了一种3D打印机，其特征是，包括X轴轨道架,Z轴轨道架,Y轴轨道架,万向数控转向架，导电底板,安装在万向数控转向架上的同轴套管打印头,与同轴套管打印头外管相连的回流外软管,与同轴套管打印头内管相连的自流内软管),装有电解液的储液槽,金属电极块,安装在回流外软管末端回吸电解液到储液槽的数控吸泵。该发明的3D打印机金属电极块、电解质溶液、导电底板、直流电源构成电解装置，用电解质溶液电解在导电底板析出金属镀层作为堆积打印材料。美国发明专利US2019/0017185公开了一种电化学3D打印与焊接装置，主要为一种析氢辅助电镀喷嘴，包括被设置成为与基底局部区域对应的喷嘴尖。喷嘴还包括连接到包含电解液和阳极的储液器的内同轴管，内同轴管被设置为通过喷嘴尖端将电解液分配到基底局部区域。喷嘴还包括包围内同轴管的外同轴管，设置为从基底的局部区域吸取电解质。喷嘴还包括至少一个触针，该触针被设置成与基板上的导电路径进行电接触。这两项发明由于电沉积主要发生在自流内管和回流外管与阴极接触部位，其范围较广，因而无法实现精细的金属沉积，此外其效率也远比采用激光增强的电沉积系统低。

国际发明专利WO2018/028000公开了一种多电位吸液电沉积3D打印的装置和方法。通过构造不同电位的内外复合电极对工件进行加工，外电极与电源负极相连，具有低电位，内电极与电源正极连接，具有高电位，工件基板通过可调电阻与电源负极相连，具有中电位，以约束电场方向，采用中间吸液的管电极作为工具电极，使电沉积液向中心汇聚并吸走沉积层的气泡，减小浓差极化、提高定域性和加工表面质量。通过调节辅助电极的电位和吸液流量的方式可实现对沉积面积的调控；通过吸力传感器和流量计反馈调节电极轴向进给以保障合适的加工间隙。但该方法由于内电极具有高电位，外电极具有低电位，因而无法避免金属在外电极上的沉积和内电极的溶蚀，从而使得工具电极变形及体系电阻的大幅变化，难以实现长时间持续的成型加工。

国际发明专利WO2008/018471公开了一种能够实施精细的坚硬镀金的局部电镀方法、一种能够以高位置精度向微小区域实施局部电镀的激光电镀设备、以及一种电镀构件。该局部电镀方法包括通过投射具有330nm以上和450nm以下的波长的激光束来对待电镀区域进行电镀。但该方法主要适用于对诸如连接器端子的接触部位的微小区域进行局部电镀，并未用于进行3D金属成型。

现有的电化学沉积技术尚都难以实现高精度高效金属3D增材制造的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，以解决上述背景技术中提出的现有的电化学沉积技术和金属粉末烧结技术尚都难以实现高精度高效金属3D增材制造的问题。适用于定制首饰、工业零件等各种从小型到大型金属精细成型加工环境，可实现一些现有金属粉末选择性激光熔化成型(SLM)或选择性激光烧结(SLS)技术难以实现的金属成型加工。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，包括阴极、阳极、电镀液、直流电源，所述阴极、阳极的位置相对；所述阳极上集成激光输出端和喷液管，所述阳极、激光输出端和喷液管连接在三维或二维驱动机构上，可以相对阴极生长点进行三自由度定位移动；所述激光输出端包括激光光源、光导纤维、激光功率调节装置和光源通断装置；所述激光功率调节装置和光源通断装置控制激光光源输出激光的功率和通断；所述激光直接或经光导纤维聚焦在阴极生长点，同时喷液管喷射镀液液流实现高离子更新率；所述电镀液为可满足实现稳定高效电化学沉积的含目标金属离子的导电性镀液；所述直流电源受3D模型切片调控实现电流的大小和通断，在激光诱导下在阴极目标生长点实现高效高选择性电化学沉积目标金属，从而3D增材制造出目标工件；

所述阴极与相对的阳极、激光输出端、喷液管与阴极上的镀覆生长点保持恒定距离，所述阴极与阳极浸没在电镀镀液中或者用喷射镀液液流连接，采用对该镀液体系透过率较高的波长的激光光源，聚焦在阴极上镀覆生长点，接通电镀电流并开启激光输出，在激光照射点会以高速率沉积镀层金属，控制阴极与阳极之间相对移动扫描，根据目标工件各层切片图案控制激光光源和电镀电流通断实现目标微区金属的高速沉积生长，在一层扫描完成后控制提升阴极与阳极间距为3D模型切片厚度，实现逐层沉积。

优选的，所述激光光源用于产生连续或脉冲激光光束，激光光束波长在210-1800nm范围内，所述光导纤维用于将激光光源所产生的激光光束导向并聚焦投射在目标生长点，所述光纤保护层用于保护光导纤维侧壁不受损伤或被镀液侵蚀，激光功率调节装置，用于调节所述激光光源的输出功率；光源通断装置，用于控制激光束的输出或中断输出。

优选的，所述系统采用喷射高速镀液流和激光光束照射实现高选择性和高速电化学沉积，从而高效制备出高精度导电性工件；所述激光光束聚焦在阴极沉积点的光斑大小主要决定电化学成型的精度。

优选的，所述阳极为单体阳极或者为单体阳极集成的阵列式集成体阳极。

优选的，所述阳极单元包含喷液结构、激光束导光结构、可溶性或不可溶性阳极。

优选的，该高精度3D电化学沉积增材制造装置支持常规可镀金属材料及其相关可镀合金，还支持复合金刚石、碳纳米管、石墨烯等形成具有相应功能的均一或非均一复合材料。

优选的，该高精度3D增材制造装置对每层镀层金属所通过电流进行时间积分获得每层所通过电量，根据该镀液体系沉积效率计算所沉积镀层质量与模型切片理论质量进行验算，实现自动修正下一层每单元施镀电流，通过自我校验实现更精确的沉积量控制和更高成型精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与普通金属粉末选择性激光熔化成型(SLM)或选择性激光烧结(SLS)技术相比，SLM或SLS为避免熔融状态下的金属或高温的粉末氧化，在加工过程中需要惰性气体保护，通常是先对打印室抽真空，再填充惰性保护气体，并反复抽真空与填充惰性气体几次以得到较为纯净的惰性气体环境。而本发明方案无需惰性气体保护或高真空环境，可在常温至水沸点(100℃)以内温度范围内进行，如果选择非水相电解液系统则温度范围还可进一步拓展，本发明方案对打印室的密封性要求不高，仅需要避免雾沫飞溅及气味扩散出来，可通过对打印室抽气施加轻微负压即可实现；

由于本发明方案具有高度选择性，因而成型精度可超过SLM与SLS技术；

本发明方案针对大多数可电镀金属材料均可实现较高的沉积速度，因而整个加工周期也可缩短；

可在镀液中加入金刚石、碳化硅等磨粒，或者碳纳米管、石墨烯等形成复合材料，这是其它激光烧结或熔融工艺难以实现的；

本发明方案在工艺条件控制合适的情况下可得到致密的金属沉积层，避免了金属粉末选择性激光熔化成型(SLM)或选择性激光烧结(SLS)技术所可能造成的工件内部产生孔洞、气穴、热裂纹、交界面开裂、翘曲变形等缺陷；

由于本发明方案在低温溶液中进行的冷加工，相应的可以避免因急剧温度变化所产生的的应力，在合理控制镀液成分与操作条件可以获得低应力沉积层；

由于本发明方案可以采用不同添加剂和不同工艺条件调整应力方向和大小，因而针对一些特殊需求可以设计制造不同部位应力分布可控的工件，这是现有其它金属3D成型技术难以实现的；

由于本发明方案在低温下进行，使得制备以其它材料作为骨架或与其它材料无损嵌套成为可能，例如可以在塑料或其它绝缘材料作为骨架或嵌套材料，通过3D运算沉积镀层；也可以在其它金属骨架基础上外延沉积特定形状镀层；

由于本发明方案在低温下进行，使得在金属工件中嵌入或植入各种传感器或芯片成为可能，从而制造智能工件，这也是现有其它金属3D成型技术难以实现的。由于采用本方法可以实现镀层金属与传感器或芯片的紧密接触，从而可以获得更佳的检测灵敏度、更短的响应时间和更好的散热能力；

对于某些镀液体系，可以进行合金镀层的电沉积，从而实现包含金属-金属和金属-非金属的二元或多元合金材料的增材制造；

可实现通过更换或更改镀液配方而实现不同金属的增材制造，通过控制镀液更替方法可以实现有过渡或无过渡的金属间界面；

因本发明方案的喷液头与激光照射头都可以做得尺寸很小，因而还可将喷液头与激光照射单元阵列化，多个电沉积模块同时工作，进一步提高3D成型的效率；

因本发明方案的实质是通过电流的电解作用，将阳极材料迁移到作为目标工件的阴极上去，因而材料利用效率极高，且无需采用特定粒度和形状的金属粉，从而大幅降低了成本；

本发明既可以实现小尺寸金属工件的三维成型，也可以很容易实现超大尺寸金属工件的三维成型；

本发明通过以上结构与功能设计上的改进，具有高精度、高表面光洁度、高效、低成本等优点。

附图说明

图1为本发明第一种阳极单元的结构示意图；

图2为本发明第二种阳极单元的结构示意图；

图3为本发明图2的阵列化排布结构示意图；

图4为本发明第三种阳极单元的结构示意图；

图5为本发明图4的阵列化排布结构示意图；

图6为本发明阳极单元进行激光辅助化学沉积的结构示意图；

图7为本发明的一种实施方案的结构示意图；

图8为本发明的另一种实施方案的结构示意图；

图9为本发明的实施流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，包括阴极、阳极、电镀液、直流电源。所述阴极、阳极的位置相对，所述阳极上集成激光输出端和喷液管，所述阴极、阳极、激光输出端和喷液管连接在三维驱动机构上，所述激光输出端包括激光光源、光导纤维、激光功率调节装置和光源通断装置，所述激光功率调节装置和光源通断装置与激光光源电性连接，所述激光光源与光导纤维连接；

三维驱动机构为横向、径向、纵向的三个伺服滑台，能够带动阳极、激光输出端和喷液管相对阴极进行三维方式移动；

所述阴极与相对的阳极、激光输出端、喷液管与阴极上的镀覆生长点保持恒定距离，所述阴极与阳极浸没在电镀镀液中或者用喷射镀液液流连接，采用对该镀液体系透过率较高的波长的激光光源，聚焦在阴极上镀覆生长点，接通电镀电流并开启激光输出，在激光照射点会以高速率沉积镀层金属，控制阴极与阳极之间相对移动扫描，根据目标工件各层切片图案控制激光光源和电镀电流通断实现目标微区金属的高速沉积生长，在一层扫描完成后控制提升阴极与阳极间距为3D模型切片厚度，实现逐层沉积并形成所需要三维尺寸的金属工件。

以表1所述方式控制阴阳极之间相对移动扫描，其中设定阴极为xy方向面，z方向指与之垂直的方向。

表1

优选的，所述光纤的外部设置保护层并可将所导出的激光光束在阴极生长点聚焦成或经透镜装置聚焦成微细光斑。

优选的，所述激光光源用于产生连续或脉冲激光光束，激光光束波长在210-1800nm范围内，所述光导纤维用于将激光光源所产生的激光光束导向并聚焦投射在目标生长点，所述光纤保护层用于保护光导纤维侧壁不受损伤或被镀液侵蚀，激光功率调节装置，用于调节所述激光光源的输出功率；光源通断装置，用于控制激光束的输出或中断输出。

优选的，所述激光光源包括CO₂、Ar、He-Ne、N₂等气体激光器，红宝石、钕玻璃、Nd:YAG等固体激光器，GaAs、InAs、InSb、CdS等激光器和光纤激光器。

优选的，所述阳极单体包含喷液结构、激光束导光结构、可溶性或不可溶性阳极。

优选的，所述阳极为单体阳极或者为单体阳极集成的阵列式集成体阳极。

优选的，该高精度3D电化学沉积增材制造装置支持常规可镀金属材料及其相关可镀合金，还支持复合金刚石、碳纳米管、石墨烯等形成具有特殊功能的均一或非均一复合材料。

优选的，该高精度3D电化学沉积增材制造装置可根据直流电源输出相同电流的电压变化控制可溶性阳极的进给或补充。

优选的，该高精度3D电化学沉积增材制造装置对每层镀层金属所通过电流进行时间积分获得每层所通过电量，根据该镀液体系沉积效率计算所沉积镀层质量与模型切片理论质量进行验算，实现自动修正下一层每单元施镀电流，通过自我校验实现更精确的沉积量控制和更高成型精度。

图1为一基本阳极单元，其中1为光导纤维，其末端输出直径较小的激光束，或者可在阴极表面聚焦为直径很小光斑的激光；2为保护层，具有柔韧可弯折的特性；3为绝缘性材料所制喷液管，用以向镀层生长点喷射高速液流；4为可溶性阳极或笼形钛篮内充满可溶性阳极，接直流电源正极；

图2为另一种阳极单元，其光导纤维1外层仍有保护层2，置于绝缘性材料所制喷液管3中，喷液管3向镀层生长点喷射高速镀液流，激光经光导纤维1穿透镀液照射在镀层生长点引起镀层高速沉积生长，可溶性阳极4位于喷液管外；

图3为本发明另一种阳极方案，为图2单元的阵列化排布，从而可实现多个镀头协同工作，实现多点镀层同时生长，从而成倍提高镀层生长成型速度，其中9为镀液流喷射腔道，12为绝缘性材料所制固定板，可将喷液管3与光纤1等呈阵列排布固定在该板上，阳极4可通过该固定板12上的开孔根据阴阳极间回路电压而自动进给；

图4为本发明另一种阳极单元，其光纤1外层仍有保护层(未标示)，该光纤置于惰性导电性材料所制喷液管3中，本方案喷液管用导线连接直流电源正极成为阳极，适用于采用不溶性阳极的镀液体系；

图5为本发明另一种阳极方案，为图4单元的阵列化排布，采用板状不溶性阳极，开多个孔作为喷液管腔，在其中置入光导纤维，各光导纤维分别受控制系统控制，分别照射在各自区域镀层生长点上诱导镀层快速生长，成倍提高镀层生长成型速度，适用于采用不溶性阳极的镀液体系；

图6为本发明另一种图1阳极单元进行激光辅助化学沉积的示意图，其中5为光纤头所发出的聚焦激光束；6为阴极上的镀层生长点；7为阴极基板，接直流电源负极；8为在阴极基板上所沉积产生的工件；9为经由喷液管3高速喷出的镀液射流；

图7为本发明的一种实施方案，采用图4阳极单元激光诱导电沉积工件，适用于采用不溶性阳极的镀液体系；

图8为本发明的一种实施方案，其中10为连接阴极基板7的旋转轴，由电机11驱动，阴极基板7通过碳刷或滑环(图中未示出)与直流电源负极连接；

图9为本发明的实施流程图，结合表1与具体金属类型、镀液体系、设备类型等进行实施。

实施例一：如图6所示，本发明的一种新型激光辅助电化学沉积技术进行高精度3D电化学沉积增材制造的方法，包括以下主要步骤:

(1)依照流程(图9)操作；

(2)使用氩离子激光束源作为激光光源：该激光光源所发出的514.5nm氩离子激光被镀液吸收较少，适合于局部加热目标沉积点并产生高效电化学沉积，该激光通过光导纤维1导入并聚焦在阴极目标沉积点；

(3)镀液采用通用氨基磺酸镍配方体系，其中Ni²⁺含量为100±20g/L，H₃BO₃含量为40±15g/L，NiCl₂*6H₂O或NiBr₂*6H₂O含量为10±10g/L，表面活性剂含量为1±1g/L，消泡剂含量为1±1g/L，镀液pH控制在4±1.0，温度控制在55±10℃；

(4)采用电解镍丝为阳极4，连接直流电源正极，通过阴阳极间电阻(直流电源阴阳极间回路电压与所通过电流之比值)保持在一设定范围而自动进给；

(5)阴极基板为3系不锈钢材质，连接直流电源负极；

(6)启动循环泵向喷液管3中注入镀液，使镀液高速向阴极基板上激光束投射点处喷射并接通电路；

(7)沿阴极面xy方向扫描移动阴极或阳极(光导纤维、喷液管与阳极一起组成阳极单元并共同位移)，通过对目标工件进行切片计算该区域是否需要沉积而进行激光的通断；

(8)沉积完成一层工件切片后沿阴极面z方向移动阳极单元或阴极，使阳极单元与阴极基板间距离增加一个工件切片厚度；

(9)重复步骤(7)、(8)直至形成目标工件；

(10)关闭直流电源、激光器和循环喷液泵，卸载阴极基板与工件；

(11)从阴极基板上分离工件并清洗干净，进行局部修饰即得成品纯镍工件。

实施例二：如图7所示，本发明的一种新型激光辅助电化学沉积技术进行高精度3D电化学沉积增材制造的方法，包括以下主要步骤：

(1)依照流程操作；

(2)使用波长330-450nm范围的半导体激光器作为激光光源，其所发出的激光通过光导纤维1导入并聚焦在阴极目标沉积点；

(3)镀液采用无氰镀金配方体系，其中以Na₃Au(SO₃)₂形式存在的金含量为18±5g/L，Na₂SO₃含量为110±20g/L，羟基乙叉二膦酸(HEDP)含量为50±15g/L，氨基三亚甲基膦酸(ATMP)含量为75±20g/L，酒石酸锑钾含量为0.3±0.2g/L，表面活性剂含量为1±1g/L，消泡剂含量为1±1g/L，镀液pH控制在11.5±1.0，操作温度控制在35±10℃；

(4)采用镀液体系中不溶性导电材料为阳极4，如316不锈钢、纯钛、镀铂钛、镀钌钛、石墨等材料作为阳极并连接直流电源正极，与阴极镀层生长点距离保持恒定,根据施镀电流积分所得电量补充金离子，每消耗1000库伦的电量添加4.3gNa₃Au(SO₃)₂，折合沉积纯金2.0g；

(5)阴极基板为3系不锈钢材质，连接直流电源负极；

(6)启动循环泵向喷液管3中注入镀液，使镀液高速向阴极基板上激光束投射点处喷射并接通电路；

(7)沿阴极面xy方向扫描移动阴极或阳极(光导纤维、喷液管与阳极一起组成阳极单元并共同位移)，通过对目标工件进行切片计算该区域是否需要沉积而进行激光的通断；

(8)沉积完成一层工件切片后沿阴极面z方向移动阳极单元或阴极，使阳极单元与阴极基板间距离增加一个工件切片厚度；

(9)可对每层所通过电流进行时间积分获得每层所通过电量，根据该镀液体系沉积效率计算所沉积镀层质量与模型切片理论质量进行验算，从而实现自动修正下一层每单元施镀电流，通过自我校验实现更精确的沉积量控制和更高成型精度；

(10)重复步骤(7)-(9)直至形成目标工件；

(11)关闭直流电源、激光器和循环喷液泵，卸载阴极基板与工件；

(12)从阴极基板上分离工件并清洗干净，进行局部修饰即得成品纯金工件。

实施例三：如图8所示，本发明的一种新型激光辅助电化学沉积技术进行高精度3D电化学沉积增材制造的方法，包括以下主要步骤:

(1)依照流程操作；

(2)用波长为308nm的XeCl准分子激光器作为激光光源，其所发出的连续或脉冲激光通过光导纤维1导入并聚焦在阴极目标沉积点；

(3)镀液采用通用酸铜配方体系，其中CuSO₄·5H₂O含量为220±20g/L，H₂SO₄含量为60±10g/L，Cl^-含量为70±20mg/L，表面活性剂含量为1±1g/L，消泡剂含量为1±1g/L，温度控制在28±5℃；

(4)采用纯度99.5％以上的铜丝为阳极4，连接直流电源正极，通过阴阳极间电阻(直流电源阴阳极间回路电压与所通过电流之比值)保持在一设定范围而自动进给；

(5)阴极基板为3系不锈钢材质，连接直流电源负极；

(6)驱动电机11以一定速率转动，阴极基板旋转轴心为镀层生长基本轴；

(7)启动循环泵向喷液管3中注入镀液，使镀液高速向阴极基板上激光束投射点处喷射并接通电路；

(8)阴极可沿其旋转轴转动，阳极单元可在与旋转轴崔直方向上前后移动以根据工件模型切片控制其与旋转轴距离，此外阳极单元或阴极单元之一还可沿旋转轴方向移动；

(9)光导纤维、喷液管与阳极一起组成阳极单元并共同位移，通过对目标工件进行切片计算该区域是否需要沉积而进行激光的通断、阳极单元与阴极旋转轴和与阴极基板间距离的调整；

(10)根据阳极单元与阴极旋转轴距离，调整电机11转速使镀层生长点保持恒定转动线速度；

(11)沉积完成一层工件切片后沿转动轴方向移动阳极单元或阴极，使阳极单元与阴极基板间距离增加一个工件切片厚度；

(12)重复步骤(9)-(11)直至形成目标工件；

(13)关闭直流电源、激光器和循环喷液泵，卸载阴极基板与工件；

(14)从阴极基板上分离工件并清洗干净，进行局部修饰即得成品纯铜工件。

实施例四：与实施例一不同之处在于，采用图3所示阵列化排布阳极单元，在绝缘性固定板12上开有孔洞，分别布置喷液管3和光纤1，各单元阳极4根据阴阳极间回路电压而自动进给。在电沉积过程中各阵列化阳极单元协同作用，根据目标沉积区域成型要求而自动控制各单元直流电流和激光通断，从而成倍提高成型效率，实现超高速3D电化学沉积增材制造。其它步骤均同实施例一。

实施例五：与实施例二不同之处在于，采用图5、图3所示阵列化排布阳极单元，直接采用316不锈钢、纯钛、镀铂钛、镀钌钛、石墨等材料所制的不溶性阳极板3，其上阵列化开有孔洞作为喷液腔9并布置光纤1，此集成阳极模块与阴极上目标生长点保持固定距离，随工件模型切片层数增加而每次增加其与阴极基板7间一个切片层高度距离。在电沉积过程中各阵列化喷液与光纤激光输出单元协同作用，根据目标沉积区域成型要求而自动控制各单元直流电流和激光通断，从而成倍提高成型效率，实现超高速3D电化学沉积增材制造。其它步骤均同实施例二。

实施例六：与实施例三不同之处在于：

(1)采用波长为400-900nm范围的光纤激光器作为激光光源，其所发出的连续或脉冲激光通过光导纤维1导入并聚焦在阴极目标沉积点；

(2)镀液采用无氰镀银配方体系，其中AgNO₃含量为50±10g/L，(NH₄)S₂O₃含量为230±30g/L，焦亚硫酸钾K₂S₂O₅含量为45±10g/L，辅助剂含量为5±5g/L，表面活性剂含量为1±1g/L，消泡剂含量为1±1g/L，镀液pH控制在5.5±1.0，操作温度控制在30±10℃；

(3)采用图5、图3所示阵列化排布阳极单元，直接采用316不锈钢、纯钛、镀铂钛、镀钌钛、石墨等材料所制的不溶性阳极板3，其上阵列化开有孔洞作为喷液腔9并布置光纤1，此集成阳极模块与阴极基板平行(与旋转轴垂直)并且与阴极上目标生长点保持固定距离，随工件模型切片层数增加而每次增加其与阴极基板7间一个切片层高度距离；

(4)根据施镀电流积分所得电量补充银离子，每消耗1000库伦的电量添加1.73gAgNO₃，折合沉积纯银1.1g；

(5)在电沉积过程中各阵列化喷液与光纤激光输出单元协同作用，根据目标沉积区域成型要求而自动控制各单元直流电流和激光通断，从而成倍提高成型效率，实现超高速3D电化学沉积增材制造。其它步骤均同实施例三得到成品3D成型纯银工件。

实施例七：与实施例四不同之处在于，镀液中加入碳纳米管，其它步骤均同实施例一，实现碳纳米管增强镍复合材料的高效高精度成型加工。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，包括但不限于改变工艺配方、参数、流程增减调整等；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，包括阴极、阳极、电镀液、直流电源，其特征在于：所述阴极、阳极的位置相对；所述阳极上集成激光输出端和喷液管，所述阳极、激光输出端和喷液管连接在三维或二维驱动机构上，可以相对阴极生长点进行三自由度定位移动；所述激光输出端包括激光光源、光导纤维、激光功率调节装置和光源通断装置；所述激光功率调节装置和光源通断装置控制激光光源输出激光的功率和通断；所述激光直接或经光导纤维聚焦在阴极生长点，同时喷液管喷射镀液液流实现高离子更新率；所述电镀液为可满足实现稳定高效电化学沉积的含目标金属离子的导电性镀液；所述直流电源受3D模型切片调控实现电流的大小和通断，在激光诱导下在阴极目标生长点实现高效高选择性电化学沉积目标金属，从而3D增材制造出目标工件；

所述阴极与相对的阳极、激光输出端、喷液管与阴极上的镀覆生长点保持恒定距离，所述阴极与阳极浸没在电镀镀液中或者用喷射镀液液流连接，采用对该镀液体系透过率较高的波长的激光光源，聚焦在阴极上镀覆生长点，接通电镀电流并开启激光输出，在激光照射点会以高速率沉积镀层金属，控制阴极与阳极之间相对移动扫描，根据目标工件各层切片图案控制激光光源和电镀电流通断实现目标微区金属的高速沉积生长，在一层扫描完成后控制提升阴极与阳极间距为3D模型切片厚度，实现逐层沉积。

2.根据权利要求1所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：所述激光光源用于产生连续或脉冲激光光束，激光光束波长在210-1800nm范围内，所述光导纤维用于将激光光源所产生的激光光束导向并聚焦投射在目标生长点，所述光纤保护层用于保护光导纤维侧壁不受损伤或被镀液侵蚀，激光功率调节装置，用于调节所述激光光源的输出功率；光源通断装置，用于控制激光束的输出或中断输出。

3.根据权利要求1所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：所述系统采用喷射高速镀液流和激光光束照射实现高选择性和高速电化学沉积，从而高效制备出高精度导电性工件；所述激光光束聚焦在阴极沉积点的光斑大小主要决定电化学成型的精度。

4.根据权利要求1所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：所述阳极为单体阳极或者为单体阳极集成的阵列式集成体阳极。

5.根据权利要求4所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：所述阳极单元包含喷液结构、激光束导光结构、可溶性或不可溶性阳极。

6.根据权利要求1所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：该高精度3D电化学沉积增材制造装置支持常规可镀金属材料及其相关可镀合金，还支持复合金刚石、碳纳米管、石墨烯等形成具有相应功能的均一或非均一复合材料。

7.根据权利要求1所述的一种高精度3D电化学沉积增材制造装置，其特征在于：该高精度3D增材制造装置对每层镀层金属所通过电流进行时间积分获得每层所通过电量，根据该镀液体系沉积效率计算所沉积镀层质量与模型切片理论质量进行验算，实现自动修正下一层每单元施镀电流，通过自我校验实现更精确的沉积量控制和更高成型精度。

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