CN118028941A - 飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置及方法，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造。本发明采用飞秒激光诱导和调控电沉积方法，通过大数值孔径物镜将激光光斑聚焦到微米/亚微米级，实现微量材料的可控堆积增材制造，抑制气孔及裂纹等缺陷，提高定域电沉积微结构的加工效率和加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种增材制造领域的技术，具体是一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法。
背景技术
金属微结构增材制造常用的方法有LIGA技术、3D打印技术、化学沉积、电化学沉积技术、激光驱动微滴打印技术及复合加工技术等。LIGA技术可用于复杂微结构的加工，但是工艺流程繁琐、耗时长、成本高；3D打印技术可定制化生产，但加工精度不高，无法满足特定结构与材料的加工；化学沉积和电化学沉积在复杂三维微结构加工中尺度均匀性难以控制；激光驱动微滴打印技术虽可实现复杂三维微结构的加工，但破碎液滴多，微滴沉积界面重熔效果差。
改进的电沉积工艺中采用透明导电玻璃以改善电场分布不均匀性、采用基于微管的微区电沉积装置，通过激光辐照在微管尖端沉积液滴在试样表面形成的弯月面上，制备三维微纳尺度图案、以及采用电化学沉积氧化层方法或者旋转/沉浸涂胶/旋转涂胶-烘烤的方式在基底表面形成光刻胶薄膜屏蔽层，但这些改进技术或加工效率较低，或沉积区域受限于设备精度，或工艺繁琐的同时，均无法实现复杂形状三维微结构的柔性增材制造。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置及方法，采用飞秒激光诱导和调控电沉积方法，通过大数值孔径物镜将激光光斑聚焦到微米/亚微米级，实现微量材料的可控堆积增材制造，抑制气孔及裂纹等缺陷，提高定域电沉积微结构的加工效率和加工质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，其中：带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造。
所述的惰性金属工作阳极为带有微小通孔的铂电极或铱电极。
所述的飞秒激光加工运动平台采用X-Y-Z-A-C五轴精密平台，安装在大理石底座和龙门支架上，具有1μm的定位精度，可用于实现复杂微小三维微结构的增材制备。
本发明涉及一种基于上述装置的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，先采用惰性金属工作阳极在电沉积区域构建电场，当飞秒激光束通过大数值孔径物镜系统后，穿过工作阳极微小通孔后在工件阴极表面聚焦得到微米/亚微米级激光光斑；利用聚焦激光在流固界面微爆炸产生的等离子体力热电效应改变沉积点的离子浓度、加快液相传质、削弱浓差极化、提高阴极材料的极化电位并抑制气孔及裂纹，实现属材料在微区域的精确定域电沉积增材制造。
所述的微爆炸是指：当飞秒激光聚焦到电介质体内非常小的焦点附近时，极高的光强引发了多光子电离的非线性极化租用，多光子电离产生的自由电子大量吸收激光能量形成高温、高压区，继而形成高密度等离子体，并且由于飞秒激光超短脉宽小于电子与晶格的相互作用时间，使得等离子体形成过程中自由电子能量来不及传递给晶格，形成超高温的等离子体和冷的晶格。等离子体持续吸收激光能量向外膨胀辐射形成冲击波，等离子体产生冲击的同时伴随着空泡脉动冲击和溃灭射流冲击，在微加工区域内产生强烈的扰动效应。
附图说明
图1为激光辅助电沉积示意图；
图中：有机玻璃夹具1、工作阳极2、电沉积槽3、电沉积液循环管道4、流量泵5、电沉积液6、微结构7、工件阴极8、大理石底座9、X-Y-A-C轴10、电沉积电源11、控制系统12、工控机13、示波器14、飞秒激光器15、反射镜16、Z轴17、大数值孔径物；
图2为五轴联动示意图
图3a为二维扫描振镜聚焦系统示意图；
图3b为F-θ场镜实物示意图；
图3c为大数值孔径(近红外)物镜实物示意图；
图4为飞秒激光扫描路径示意图；
图中：(a)正交网格路径，(b)螺旋线路径，(c)r-θ放射性路径，(d)螺旋线叠加正交网格路径；
图5为实施例效果示意图；
图6为实施例中有无激光辅助电沉积铜层厚度仿真模拟结果示意图；
图7为实施例中无激光辅助金属基底表面电沉积铜金属层实验结果示意图；
图8为实施例中激光辅助电沉积铜柱体微结构实验结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，采用带有微小通孔的惰性金属电极(铂、铱电极)作为工作阳极在电沉积区域构建电场，设置飞秒激光通过该微小通孔后通过大数值孔径物镜在阴极工件表面聚焦得到微米/亚微米级激光光斑；利用聚焦激光在流固界面微爆炸产生的等离子体力热电效应改变沉积点的离子浓度、加快液相传质、削弱浓差极化、提高阴极材料的极化电位并抑制气孔及裂纹，实现属材料在微区域的精确定域电沉积增材制造。
所述方法具体包括：
步骤1、制备惰性金属工作阳极表面微小通孔，通孔直径在0.1-1mm之间；
步骤2、将惰性金属工作阳极与有机玻璃上端夹具固定，并与电沉积电源正极连接；
步骤3、将工件阴极与有机玻璃下端夹具固定，与工作阳极保持平行，并与电沉积电源负极连接；
步骤4、将有机玻璃夹具固定在电沉积储液槽中，并将储液槽固定在五轴精密运动平台上；
步骤5、调整飞秒激光光斑位置，使其通过工作阳极表面微小通孔辐照在工件阴极表面上；
步骤6、使用飞秒激光加工装备工控机自带绘图软件绘制待沉积微结构图案；
步骤7、开启流量泵进行电沉积液循环，用以保证电沉积液在工作阳极和工具阴极夹具体型腔内匀速流动，流动泵具有0-600rpm转速范围和0-3000ml/min流量范围；
步骤8、打开电沉积电源，设置电沉积参数，所述电沉积电源具有高电压范围(0-35V/4A)和低电压范围(0-15V/7A)两种输出模式，电压和电流分辨率分别可达1mV和0.1mA，示波器用于监测电沉积过程中电压及电流参数变化。
步骤9、开启飞秒激光脉冲激光器，根据不同电沉积微结构图案设置飞秒激光加工参数，通过协同优化飞秒激光扫描路径和五轴运动平台三维位置规划，可实现侧向和高度方向金属材料的接续累积，获得三维复杂微结构。
步骤10、设置飞秒激光器激光波长为1028nm，输出功率为40w，脉冲宽度＜290fs，单脉冲能量0.4mJ，脉冲频率1MHz，光束质量M2＜1.2，F-θ场镜聚焦的激光光斑直径为12μm。其中，大数值孔径物镜聚焦光斑直径＝(1.22*波长)/数值孔径，例如，选用数值孔径为0.8的物镜，可实现聚焦激光光斑直径为1.6μm。
如图1所示，为本实施例涉及的基于上述方法的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，包括：用以提供激光光路和光斑与沉积点相对位置的调控的飞秒激光加工系统和用以提供电沉积液离子输送通道和基础电场的电化学沉积系统，其中：飞秒激光器产生的激光通过激光光路传输和聚焦模块传输、扩束、合束/耦合、衰减、监控，扫描光束经过物镜聚焦后作用到待沉积微结构的阴极样件上，通过激光力热电效应对电沉积极化效应的作用实现微结构的加工。
所述的飞秒激光加工系统包括：飞秒激光光源、激光光路传输系统、物镜聚焦系统、二维扫描振镜与机械运动平台结合的精密定位系统，激光器控制器、精密定位平台控制器、扫描振镜控制板卡、工控机控制系统。
所述的飞秒激光加工工艺装备运动平台采用五轴精密平台，定位精度可达1微米，用以调整和移动样件的位置，从而保证复杂微结构阵列的柔性制造。
所述的控制系统包括：激光器控制器、精密定位平台控制器、扫描振镜控制板卡、工控机和整套装备的控制子单元。
所述的飞秒激光加工系统的五轴精密驱动电化学沉积系统，通过增材制造的三维位置规划，可实现侧向和高度方向金属材料的接续累积，获得三维复杂微结构。
所述的电化学沉积系统包括：电沉积电源、电沉积液、工作阳极、工具阴极和电沉积液循环系统，其中：电源为电沉积过程提供驱动力，电沉积液循环系统实现沉积金属阳离子的不断补充。
与现有技术相比，本方法通过大数值孔径物镜将激光光斑聚焦到微米/亚微米级，可实现如图5所示蘑菇状上大下小的微结构图案以及其他更为复杂形状微结构，实现功能化微结构的高性能柔性制造。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征在于，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，其中：带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造；
所述的飞秒激光加工系统包括：飞秒激光光源、激光光路传输系统、物镜聚焦系统、二维扫描振镜与机械运动平台结合的精密定位系统，激光器控制器、精密定位平台控制器、扫描振镜控制板卡和工控机控制系统；
所述的惰性金属工作阳极为带有微小通孔的铂电极或铱电极。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征是，所述的控制系统包括：激光器控制器、精密定位平台控制器、扫描振镜控制板卡、工控机和整套装备的控制子单元。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征是，所述的电化学沉积系统包括：电沉积电源、电沉积液、工作阳极、工具阴极和电沉积液循环系统，其中：电源为电沉积过程提供驱动力，电沉积液循环系统实现沉积金属阳离子的不断补充。
4.一种基于权利要求1-3中任一所述装置的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征在于，先采用惰性金属工作阳极在电沉积区域构建电场，当飞秒激光束通过大数值孔径物镜系统后，穿过工作阳极微小通孔后在工件阴极表面聚焦得到微米/亚微米级激光光斑；利用聚焦激光在流固界面微爆炸产生的等离子体力热电效应改变沉积点的离子浓度、加快液相传质、削弱浓差极化、提高阴极材料的极化电位并抑制气孔及裂纹，实现属材料在微区域的精确定域电沉积增材制造。
5.根据权利要求4所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征是，所述的微爆炸是指：当飞秒激光聚焦到电介质体内非常小的焦点附近时，极高的光强引发了多光子电离的非线性极化租用，多光子电离产生的自由电子大量吸收激光能量形成高温、高压区，继而形成高密度等离子体，并且由于飞秒激光超短脉宽小于电子与晶格的相互作用时间，使得等离子体形成过程中自由电子能量来不及传递给晶格，形成超高温的等离子体和冷的晶格，等离子体持续吸收激光能量向外膨胀辐射形成冲击波，等离子体产生冲击的同时伴随着空泡脉动冲击和溃灭射流冲击，在微加工区域内产生强烈的扰动效应。
6.根据权利要求4或5所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征是，具体包括：
步骤1、制备惰性金属工作阳极表面微小通孔，通孔直径在0.1-1mm之间；
步骤2、将惰性金属工作阳极与有机玻璃上端夹具固定，并与电沉积电源正极连接；
步骤3、将工件阴极与有机玻璃下端夹具固定，与工作阳极保持平行，并与电沉积电源负极连接；
步骤4、将有机玻璃夹具固定在电沉积储液槽中，并将储液槽固定在五轴精密运动平台上；
步骤5、调整飞秒激光光斑位置，使其通过工作阳极表面微小通孔辐照在工件阴极表面上；
步骤6、使用飞秒激光加工装备工控机自带绘图软件绘制待沉积微结构图案；
步骤7、开启流量泵进行电沉积液循环，用以保证电沉积液在工作阳极和工具阴极夹具体型腔内匀速流动，流动泵具有0-600rpm转速范围和0-3000ml/min流量范围；
步骤8、打开电沉积电源，设置电沉积参数，所述电沉积电源具有高电压范围(0-35V/4A)和低电压范围(0-15V/7A)两种输出模式，电压和电流分辨率分别可达1mV和0.1mA，示波器用于监测电沉积过程中电压及电流参数变化；
步骤9、开启飞秒激光脉冲激光器，根据不同电沉积微结构图案设置飞秒激光加工参数，通过协同优化飞秒激光扫描路径和五轴运动平台三维位置规划，可实现侧向和高度方向金属材料的接续累积，获得三维复杂微结构；
步骤10、设置飞秒激光器激光波长为1028nm，输出功率为40w，脉冲宽度＜290fs，单脉冲能量0.4mJ，脉冲频率1MHz，光束质量M2＜1.2，F-θ场镜聚焦的激光光斑直径为12μm，其中：大数值孔径物镜聚焦光斑直径＝(1.22*波长)/数值孔径，例如，选用数值孔径为0.8的物镜，可实现聚焦激光光斑直径为1.6μm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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