CN209162216U - 基于激光局部电镀的金属增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置，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。本实用新型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。
Description
技术领域
本实用新型属于金属增材制造领域，特别涉及一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置。
背景技术
增材制造技术(又称3D打印技术)，在近几年获得越来越多的关注，增材制造依据三维CAD设计数据，采用离散材料(液体、粉末、丝、片、板、块等)逐层累加原理制造实体零件，是一种集合了机、光、电、计算机、控制等技术的多学科交叉的先进制造技术。相比于传统制造工艺，增材制造技术可以直接利用CAD数据，无需模具、刀具直接制造出空间形状任意复杂结构，并且成形材料广泛，可以迅速地将设计转化为高性能的制件。增材制造可在航天航空、武器装备、汽车、模具及生物医疗等高端制造领域获得应用，直接成形复杂和高性能金属零部件，解决传统制造工艺难以加工甚至无法加工的制造难题。金属增材制造经过发展，逐渐形成了激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形等多种技术。但是，目前的金属3D打印技术都面临表面粗糙，精度差的问题，而且往往都需要二次加工才能满足使用。以激光选区熔化技术为例，成形精度为0.1mm，表面粗糙度通常大于6.4μm，难以满足高精度的要求。这些问题最主要是由于目前的金属3D打印技术多数基于粉末成形，粉末的颗粒大小受成形工艺等限制，在最终零部件表面存在一层金属粉末，严重影响了最终制件的精度和粗糙度。同时，随着技术的进步，对精密、微型部件的加工需求也越来越多，传统的金属增材制造技术无法满足要求。
发明内容
本实用新型所解决的技术问题是提供一种新的金属增材制造装置及方法，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。
本实用新型采用的技术方案是：一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置，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。
激光发生装置可以是激光器、激光处理装置可以是扩束器、光学振镜及有聚焦物镜组合，扩束器位于所述激光器与所述光学振镜之间，光学振镜上方连接有所述聚焦物镜。
阴极基板通过z轴移动平台移动，z轴移动平台一端连接阴极基板，另一端连接在装置侧面上并可以延z轴方向运动。
电解池可以由透光玻璃面板固定在装置侧面上或者由电解池架固定在装置侧面上，使得电解池位于聚焦物镜上方，电解池底面材质为透光玻璃。
激光器的波长范围可以为100nm-2μm，激光发生频率为1Hz-100MHz，工作模式为脉冲工作或连续工作。
光学振镜控制激光扫描速度为100nm/s-10cm/s连续可调，使激光光束在100nm-10cm的范围内移动，z轴移动平台最小分辨率1μm，运动速度10nm/s-10cm/s连续可调，电源及开断控制器中电源的工作电压为0.1V-1kV，电流密度为1uA/cm2-100A/cm2。
阴极基板材质可以为不锈钢、钛合金、镍基合金、铝合金。
电解池中放置的电解液包含所要打印的金属材料经过电镀处理的金属离子溶液，金属材质为纯金属或合金。
本实用新型的有益效果是，随着技术的进步，对精密、微型部件的加工需求也越来越多，传统的金属增材制造技术无法满足要求，本发明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，提高了打印精度，提高了工作效率，降低了材料的浪费。
附图说明
附图1为基于激光局部电镀的金属增材制造装置示意图
附图2为装置另一种电解池固定形式示意图
附图标记：1-激光器 2-电源及开断控制器 3-扩束器 4-光学振镜 5-聚焦物镜6-电解池 7-阴极基板 8-z轴运动平台 9-透光玻璃面板 10-电源阳极 11-装置侧板 12-装置底板 13-电解池架
具体实施方式
激光是能量密度很高的热源，而且具有很好的方向性、单色性和相干性。其基本原理，激光器输出的激光束经透镜聚焦后投射到阴极表面，在阴极附近的微小区域里形成极高的光功率密度。受光照的阴极材料吸收激光能量后，使电解液—阴极界面附近的局部微小区域里的温度骤然升高，产生陡峭的温度梯度并在电解液中引起强烈对流，从而搅拌了溶液。温升和搅拌造成局部区域里离子迁移率增加，阴极还原反应增强和平衡电位正向漂移，最后导致电镀速率的增加。激光电镀使电化学反应大大增强，电镀速率提高二至三个数量级，空间分辨率可以达到微米量级。而且可用计算机控制激光束的运动轨迹而得到预期的复杂几何图形的镀层。
本实用新型提出的金属增材制造技术基于激光电镀效应，将要沉积的金属做成电解液或牺牲阳极，成形基板作为阴极，依据数字三维模型分层切片数据，通过计算器控制激光束的运动轨迹。激光照射部位发生迅速电镀，金属原子从电解液中析出，沉积成激光运行路径图形。非照射部位不发生电镀或者以极其缓慢速度进行。当该层沉积完成后，阴极基板7延Z轴运动指定的层厚，激光再运行下一层切片路径，完成新的镀层，如此往复，直到全部打印完成。
下面结合附图对本实用新型作进一步解释。
如图1，本实用新型为一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置，装置底板12上依次放置激光器1用于提供激光电镀用的高能激光、扩束器3用于扩展激光束的直径，减小激光束的发散角及光学振镜4用于控制激光束的扫描速度，光学振镜4上方连接有聚焦物镜5用于将激光束聚焦在待处理样品基底表面，透光玻璃面板9固定在装置侧面11上，激光可以透过，并且无衰减，位于所述聚焦物镜5上方，透光玻璃面板9上放置有电解池6用于放置电解液，z轴移动平台8一端连接阴极基板7，另一端连接在装置侧面11上并可以延z轴方向运动，该运动平台的导轨部分固定的装置侧面11上，在电机或其他运动执行机构作用下实现Z轴的上下运动，阴极基板7作为打印平台位于电解池6内，一端通过导线连接在电源及开断控制器2，电源及开断控制器2另一端通过导线连接有电源阳极10，电源阳极10置于电解池内，形成闭合回路。电源及开断控制器2采用调制方式保持与激光的开断一致，激光开启时接通电源，激光关闭时，关闭电源，控制频率可以为1Hz-100MHz。
如图1，电解池6放置在透光玻璃面板9上，透光玻璃面板9固定在装置侧面11上或者如图2，电解池6放置在电解池架13上，电解池架13固定在装置侧面11上，使得所述电解池6位于所述聚焦物镜5上方，电解池6底面材质为透光玻璃，透光玻璃材质满足激光可以透过，并且无衰减。
激光器1的工作模式为脉冲工作或连续工作，同时激光输出功率可调，将焦点处的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2，使激光能量小于材料的损伤阈值和电解液的汽化阈值。
光学振镜4控制激光扫描速度为100nm/s-10cm/s连续可调，使激光光束在100nm-10cm的范围内移动。扫描速度与电解液浓度有关，例如，当打印溶液浓度较低时，需要吸收较多能量才可以发生电解沉积，此时选用较慢的扫描速度，反之，电解液浓度较高时，吸收少量能量就可以完成电解沉积，此时选用较快的扫描速度。
z轴移动平台8移动高度可以根据零件进行调整，最小分辨率1μm，运动速度10nm/s-10cm/s连续可调。根据具体打印离子的直径与打印速度设置与之相适应的的z轴移动速度，以满足刚好一层电解沉积完成后，z轴移动一个打印层厚的高度。
阴极基板7材质可以为不锈钢、钛合金、镍基合金、铝合金。
电源及开断控制器2中电源的工作电压为0.1V-1kV，电流密度为1uA/cm2-100A/cm2。
电解池6中放置的电解液包含所要打印的金属材料经过电镀处理的金属离子溶液，金属材质为纯金属或合金。
Claims (8)
1.一种基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：装置底板(12)上依次放置激光发生装置、激光处理装置，所述激光处理装置上方为电解池(6)，所述电解池(6)内放置有可延z轴上下移动的阴极基板(7)，电源及开断控制器(2)一端通过导线连接所述阴极基板(7)另一端通过导线连接有电源阳极(10)，所述电源阳极(10)置于所述电解池(6)内，形成闭合回路。
2.根据权利要求1所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述激光发生装置可以是激光器(1)、所述激光处理装置可以是扩束器(3)、光学振镜(4)及有聚焦物镜(5)组合，所述扩束器(3)位于所述激光器(1)与所述光学振镜(4)之间，所述光学振镜(4)上方连接有所述聚焦物镜(5)。
3.根据权利要求1所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述阴极基板(7)通过z轴移动平台(8)移动，所述z轴移动平台(8)一端连接阴极基板(7)，另一端连接在装置侧面(11)上并可以延z轴方向运动。
4.根据权利要求2所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述电解池(6)可以由透光玻璃面板(9)固定在装置侧面(11)上或者由电解池架(13)固定在装置侧面(11)上，使得所述电解池(6)位于所述聚焦物镜(5)上方，所述电解池(6)底面材质为透光玻璃。
5.根据权利要求2所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述激光器(1)的波长范围可以为100nm-2μm，激光发生频率为1Hz-100MHz，工作模式为脉冲工作或连续工作。
6.根据权利要求2所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述光学振镜(4)控制激光扫描速度为100nm/s-10cm/s连续可调，使激光光束在100nm-10cm的范围内移动，所述z轴移动平台(8)最小分辨率1μm，运动速度10nm/s-10cm/s连续可调，所述电源及开断控制器(2)中电源的工作电压为0.1V-1kV，电流密度为1uA/cm2-100A/cm2。
7.根据权利要求1-6任意一项所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述阴极基板(7)材质可以为不锈钢、钛合金、镍基合金、铝合金。
8.根据权利要求1-6任意一项所述基于激光局部电镀的金属增材制造装置，其特征在于：所述电解池(6)中放置的电解液包含所要打印的金属材料经过电镀处理的金属离子溶液，金属材质为纯金属或合金。
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| CN201821680032.0U CN209162216U (zh) | 2018-10-17 | 2018-10-17 | 基于激光局部电镀的金属增材制造装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109097797A (zh) * | 2018-10-17 | 2018-12-28 | 大连美光速造科技有限公司 | 基于激光局部电镀的金属增材制造装置及方法 |
| CN110284160A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-09-27 | 吉林大学 | 一种光诱导金属电化学3d打印装置及方法 |
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