激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置及方法，属于增材制造技术与局部电沉积技术领域。支架固定在底座上，丝杠装置安装在支架上方并同时与xy轴移动装置连接，z轴移动装置安装在xy轴移动装置上，微阳极装置连接在z轴移动装置上，打印室安装在可调节支架上，可做z轴移动，光调制装置安装在可调节镜架上，可做z轴移动，可调节镜架、激光器固定在底座上。优点是将激光调制技术与电化学沉积技术相结合，使用激光调制生成图案化光从而产生虚拟电极实现局部电沉积，极大地提高了打印分辨率和零件性能，进一步提高了打印精度，避免在金属零件内部产生热残余应力，零件的性能更优越，用于微米级金属零件制造。用于微米级金属零件制造。用于微米级金属零件制造。

【技术实现步骤摘要】
激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置及方法


[0001]本专利技术属于增材制造技术与局部电沉积
，具体涉及一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置及方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，将模型切片分层处理，运用粉末状金属或聚合物等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
[0003]局部电化学沉积LECD是一种新兴的非常规制造技术，起源于精密电铸和电镀。它是一种新型的增材制造技术，在原子尺度上逐层形成三维结构。作为一种方法，LECD能够打印微型元件或直接从原子尺度在一定位置制造出没有任何模具、支撑的结构，不需要任何额外的热源的结构，因此没有在沉积过程中产生热应力。LECD既不需要严格的真空环境，也不需要惰性气体环境。因此，该工艺操作简单方便，成本低。
[0004]已有的局部电化学沉积技术包括月牙形电解液约束电沉积、微型阳极局域电沉积等。月牙形电解液约束电沉积利用液体的表面张力在阳极和阴极之间形成微纳米尺度的月牙形电解液团作为为电化学沉积反应池，但受限于液压头液压不足，导致在数百微米的出口直径下月牙形液团无法稳定存在，从而降低了打印精度和打印速度。微型阳极局域电沉积以微阳极作为打印头，阴极作为打印基板，阳极和阴极都浸入电解液中。在阳极电极和阴极基板之间施加电压，产生的电场强度将集中在微阳极的附近。微阳极下方周围还原电解质溶液中的金属离子以形成金属原子，从而在阴极上产生沉积物。但这种方法的打印分辨率受限于微阳极的大小，并且阳极定位精度不足。r/>[0005]综上所述，已有的LECD技术由于打印方法的限制，存在打印分辨率不高和阳极定位精度低等问题需要解决。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置及方法，以解决LECD技术由于打印方法的限制，存在打印分辨率不高和阳极定位精度低的问题。
[0007]本专利技术采取的技术方案是：激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，包括底座、支架、丝杠装置、xy轴移动装置、z轴移动装置、微阳极装置、打印室、可调节支架、光调制装置、可调节镜架、激光器，其中支架固定在底座上，丝杠装置安装在支架上方并同时与xy轴移动装置连接，z轴移动装置安装在xy轴移动装置上，微阳极装置连接在z轴移动装置上，打印室安装在可调节支架上，可做z轴移动，光调制装置安装在可调节镜架上，可做z轴移动，可调节镜架、激光器固定在底座上。
[0008]所述的丝杠装置包括两端的丝杠支座、丝杠、步进电机，其中两端的丝杠支座通过螺栓与支架的顶部相连接。
[0009]所述的xy轴移动装置包括移动支架一、两个丝杠支座、丝杠、移动支架二、步进电机，其中的移动支架一由支架平台一、螺母块一组成，螺母块一固定在支架平台一的底部，
丝杠装置的旋转带动螺母块一运动，进而带动xy轴移动装置沿水平面内的一个方向自由运动，其中的移动支架二由支架平台二、螺母块二、电机外壳组成，螺母块二固定在移动支架二的顶部，丝杠通过两端的丝杠支座固定在移动支架一上方，丝杠的旋转带动螺母块二运动，进而带动xy轴移动装置沿水平面内的另一个方向自由运动。
[0010]所述的z轴移动装置包括步进电机、齿轮、齿条组成，步进电机的旋转带动齿轮的旋转，进而带动齿条沿z方向的自由运动，齿条下方加工成矩形状，通过绝缘块与微阳极装置相连，可最终实现微阳极装置沿x轴、y轴、z轴三个方向的自由运动。
[0011]所述的微阳极装置包括绝缘块、圆盘、铜柱、微阳极，其中铜柱连接电源正极，微阳极由外壳、环氧树脂、铂丝组成，绝缘块将z轴移动装置与微阳极装置相连接，使微阳极装置可以沿xyz三轴移动，保持在虚拟阴极正上方，且间距可调，微阳极被环氧树脂胶封，底端需用研磨器磨平，以保证沉积时微阳极附近的电场强度聚集在阴阳极之间。
[0012]所述的打印室包括导电胶带、氧化铟锡、纳米二氧化钛、玻璃罩，其中导电胶带固定在氧化铟锡边缘以及玻璃罩底部和内壁上，氧化铟锡固定在玻璃罩底部中央，纳米二氧化钛通过水热法沉积在氧化铟锡上，导电胶带连接电源负极。
[0013]所述的可调节支架由固定板、滑块、螺栓、支撑杆组成，固定板固定于滑块上，滑块可沿着支撑杆上下移动，螺栓用于固定滑块，支撑杆固定于底座上。
[0014]所述的光调制装置用于与电脑连接，电脑将图案输入光调制装置，激光器发出激光透过光调制装置形成图案化光。
[0015]所述的可调节镜架由固定板、支撑杆、螺栓、滑块组成，固定板固定在滑块上，支撑杆固定在底座上，滑块可沿着支撑杆上下移动，螺栓用于固定滑块。
[0016]所述的激光器发出的激光束，经光调制装置调制后，穿过玻璃罩和氧化铟锡照射到纳米二氧化钛上。
[0017]一种采用激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置的增材制造方法，包括下列步骤：
[0018](1)电沉积金属盐溶液的配置：配制的材料为单一金属离子的盐溶液，将粉末状硫酸盐溶于去离子水，加入适量的浓硫酸用于稳定溶液pH值，得到所需的电沉积金属盐溶液；
[0019](2)零件模型数据转化：用Catia软件构建零件模型，将模型从Z方向切片分层处理，使每层厚度为纳米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；
[0020](3)金属盐溶液注入：把金属离子溶液注入打印室中，使金属离子溶液的液面高度高于纳米二氧化钛上表面；
[0021](4)微观金属零件打印：将微阳极装置的铜柱和打印室的导电胶带与电化学直流电源的阳极和阴极导线相连，打开电化学直流电源；打开激光器和光调制装置，使光调制装置将模型每层的图形信息转化为特定截面形状的图案化光，透过玻璃罩和氧化铟锡照射在纳米二氧化钛上，纳米二氧化钛具有良好的光电催化活性：当激光照射在纳米二氧化钛表面时，价带上的电子被激发到导带上，被激发的电子到达电解质的界面并参与金属离子还原反应，同时，价带激发电子后留下的空穴向界面传输并参与水分子的氧化反应，而无激光照射的区域则不发生氧化还原反应，使纳米二氧化钛表面会形成与图案化光形状相同的虚拟电极，该区域上方的溶液中的金属阳离子在电流作用下，得到电子被还原成金属，沉积在纳米二氧化钛上形成金属层，并且该金属层具有与图案化光相同的形状；激光器和光调制
装置输出的图案化光会根据金属模型的切片数据时刻变化，随着微阳极装置移动，逐面打印出金属零件；
[0022](5)零件的清洗及干燥：打印结束后，关闭电化学直流电源，将微阳极装置的铜柱和打印室的导电胶带与电化学直流电源的阳极和阴极导线断开，z轴移动装置将微阳极装置移动到装置的顶端，用镊子将从溶液中取出，清洗零件并干燥。
[0023]本专利技术的优点如下：
[0024](1)将激光调制技术与电化学沉积技术相结合，开发了微纳米尺寸金属结构增材制造的新方法，使用激光调制生成图案化光从而产生虚拟电极实现局部电沉积，极大地提高了打印分辨率和零件性能，解决了已有方法打印精度不高的问题，可实现复杂三维结构的制造。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：包括底座、支架、丝杠装置、xy轴移动装置、z轴移动装置、微阳极装置、打印室、可调节支架、光调制装置、可调节镜架、激光器，其中支架固定在底座上，丝杠装置安装在支架上方并同时与xy轴移动装置连接，z轴移动装置安装在xy轴移动装置上，微阳极装置连接在z轴移动装置上，打印室安装在可调节支架上，可做z轴移动，光调制装置安装在可调节镜架上，可做z轴移动，可调节镜架、激光器固定在底座上。2.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：所述的丝杠装置包括两端的丝杠支座、丝杠、步进电机，其中两端的丝杠支座通过螺栓与支架的顶部相连接。3.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：所述的xy轴移动装置包括移动支架一、两个丝杠支座、丝杠、移动支架二、步进电机，其中的移动支架一由支架平台一、螺母块一组成，螺母块一固定在支架平台一的底部，丝杠装置的旋转带动螺母块一运动，进而带动xy轴移动装置沿水平面内的一个方向自由运动，其中的移动支架二由支架平台二、螺母块二、电机外壳组成，螺母块二固定在移动支架二的顶部，丝杠通过两端的丝杠支座固定在移动支架一上方，丝杠的旋转带动螺母块二运动，进而带动xy轴移动装置沿水平面内的另一个方向自由运动。4.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：所述的z轴移动装置包括步进电机、齿轮、齿条组成，步进电机的旋转带动齿轮的旋转，进而带动齿条沿z方向的自由运动，齿条下方加工成矩形状，通过绝缘块与微阳极装置相连，可最终实现微阳极装置沿x轴、y轴、z轴三个方向的自由运动。5.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：所述的微阳极装置包括绝缘块、圆盘、铜柱、微阳极，其中铜柱连接电源正极，微阳极由外壳、环氧树脂、铂丝组成，绝缘块将z轴移动装置与微阳极装置相连接，使微阳极装置可以沿xyz三轴移动，保持在虚拟阴极正上方，且间距可调，微阳极被环氧树脂胶封，底端需用研磨器磨平，以保证沉积时微阳极附近的电场强度聚集在阴阳极之间。6.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征在于：所述的打印室包括导电胶带、氧化铟锡、纳米二氧化钛、玻璃罩，其中导电胶带固定在氧化铟锡边缘以及玻璃罩底部和内壁上，氧化铟锡固定在玻璃罩底部中央，纳米二氧化钛通过水热法沉积在氧化铟锡上，导电胶带连接电源负极。7.根据权利要求1所述的一种激光辅助微阳极局域电沉积增材制造装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文征，狄梓博，赵成晗，王静，张兴斌，唐晓杰，李森，赵继，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：