一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置及方法，阳极和激光发生机构相连，防护镜位于激光发生机构和阳极之间，阴极为沉积基板，所述沉积基板设置于沉积槽内，电源分别连接阴极和阳极；Z轴移动平台分别与阳极和激光发生机构相连，X轴移动平台和Y轴移动平台依次设置于沉积槽之下；恒温储液机构的进液端和阳极相连，回液端和沉积槽相连，控制器分别连接激光发生机构、电源、X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和恒温储液机构。本发明将高能量密度激光束和高速电沉积溶液通过管状的钝性阳极中心孔同步射向阴极表面，实现激光强化电沉积技术与电沉积溶液喷射的结合，达到很高的沉积速度。
【专利说明】一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种快速成形加工技术，尤其涉及的是一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置及方法。
【背景技术】
[0002]快速成形技术(Rapid Prototyping, RP)是从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成形系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。由于RP技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染，所以也是一种绿色制造技术。
[0003]随着新型材料特别是能直接快速成形的高性能材料的研制和应用，产生了越来越多的更为先进的快速成形工艺技术，其中较成熟和典型的工艺主要有光固化技术(Stereolithography apparatus, SLA)、分层实体制造技术(Laminated object manufacturing,L0M)、激光选区烧结技术(Selective laser sintering, SLS)、三维打印技术(Threedimension printing, 3DP)和溶融沉积造型技术(Fused deposition modeling, FDM)等。但是这些方法的加工对象主要是非金属材料，而实际需要的零件大部分都是金属材料。
[0004]目前，金属零件快速成形工艺方法以激光快速成形技术为主，例如，由美国Sandia国家实验室发展的激光近形制造技术(Laser engineered net shaping, LENS),英国利物浦大学和美国密西根大学发展的直接金属沉积技术(Direct metal deposition, DMD),英国伯明翰大学发展的直接激光制造技术(Direct laser fabrication, DLF),德国亚琢工业大学Fraunhofer激光技术研究所发展的激光选择性熔化技术(Laser selective melting,LSM)以及西北工业大学发展的激光立体成形技术(Laser solid forming, LSF)等。但这些金属零件快速成形方法普遍存在设备运行费用高，难以直接制备致密、形状复杂、精密的金属零件等不足，所制备的零件精度、表面光洁度及机械性能还达不到实际需要的水平，与传统加工手段有相当大的差距，这些不足严重地制约了快速制造技术在生产中的推广应用。
[0005] 由于可选材料多，运行费用低，容易将材料形成与原型结合起来，将电沉积技术与快速成形技术相结合电沉积快速成形金属零件技术在最近几年受到越来越多的重视。南京航空航天大学将喷射式电沉积技术应用到快速成形【技术领域】，提出了选择性电沉积工艺(CN00133282.1),在成形过程中，作为阳极的喷嘴将高速流动的电沉积溶液喷射至阴极表面，电沉积溶液中的金属离子在外加电场的作用下被源源不断地沉积下来，控制喷嘴的扫描运动就能选择性地在特定区域沉积出零件的一个层面，逐层沉积叠加可制作出三维实体原型零件；喷射电沉积采用特殊的液相传质方式，使沉积速度提高几十倍，乃至上百倍，但受射流定域性的影响，成形件精度不高。浙江理工大学将电化学沉积技术、快速成型技术和数控技术有机结合，提出了数控选区电沉积快速成形技术，该加工方式可以直接成形和制造金属零件，为了提高沉积精度，采用丝状阳极，再加上电沉积速度本身的限制，成形速度慢。专利CN200710025121.1提出了一种利用叠层模板电沉积技术直接制造金属零件的方法，它通过将复杂零件进行分层切模后放入电沉积系统中逐层沉积，最终得到所需形状金属零件；为了有效阻止杂质的吸附，避免毛刺、积瘤等表面缺陷的产生，从而获得良好的电沉积均匀性，最近南京航空航天大学又在叠层模板电沉积技术基础上分别提出了辅助磨削电沉积成形技术(范晖，黄因慧.辅助磨削在叠层模板电铸成形中的应用[J].机械科学与技术，2013，32 (5):722-725.)和摩擦喷射电沉积快速成形技术(田宗军，王桂峰，黄因慧，等.射流电沉积快速成形金属镍制件[J].华南理工大学学报，2010，38 (12):41-44);但是基于叠层模板的电沉积技术增加了制备模板和安装模板等工序，使制备工艺复杂。由此可见，上述各种电沉积方法在快速制备结构复杂、精度高的金属零件上还有明显的不足。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置及方法，实现激光强化电沉积技术、数控喷射电沉积、快速成形技术的有机结
口 ο
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括激光发生机构、阳极、阴极、防护镜、电源、三维移动平台、沉积槽、恒温储液机构和控制器；所述阳极和激光发生机构相连，防护镜位于激光发生机构和阳极之间，阴极为沉积基板，所述沉积基板设置于沉积槽内，电源分别连接阴极和阳极；所述三维移动平台包括X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台，Z轴移动平台分别与阳极和激光发生机构相连，X轴移动平台和Y轴移动平台依次设置于沉积槽之下；恒温储液机构的进液端和阳极相连，回液端和沉积槽相连，控制器分别连接激光发生机构、电源、X 轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和恒温储液机构。
[0008]所述恒温储液机构包括储液槽、回液管、过滤器、泵、进液管、溢流阀、节流阀、温度控制仪和电加热器；所述过滤器、泵和节流阀依次设置在进液管上，阳极上设有阳极座，阳极座和Z轴移动平台相连，进液管和阳极座相连，回液管和沉积槽相连，溢流阀一端连接在储液槽，另一端和进液管相连，温度控制仪和电加热器相连，温度控制仪和电加热器分别连接在储液槽内，控制器和泵相连。
[0009]所述激光发生机构包括激光器、反射镜和透镜，反射镜位于激光器发出激光束的光路上，透镜位于反射镜折射后激光束的光路上，经透镜聚焦后的激光束位于阳极的中心孔，激光器和Z轴移动平台相连，激光器和控制器相连。
[0010]作为本发明的优选方式之一，所述阳极为中空管状钝性阳极。
[0011]所述激光器选自氩离子激光器、氪离子激光器、YAG激光器中的一种。
[0012]一种激光强化喷射电沉积快速成形加工方法，包括以下步骤:
[0013](I)对沉积基板进行表面预处理；
[0014](2)将激光束和电沉积溶液通过阳极的中心同时射向沉积基板，实现激光与电沉积的复合，根据扫描路径，在沉积基板表面逐点沉积，完成第一层沉积后，阳极上升，完成第二层沉积，依次循环，经过层层叠加快速成形为所需的三维金属零件。
[0015]所述沉积基板表面预处理依次包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。
[0016]激光强化电沉积技术是将激光技术与电沉积技术相结合，利用激光所具有的高能量密度来增强电沉积中的电化学反应过程，提高沉积速率、改善电沉积层质量与性能的一种新型加工技术。而激光强化喷射电沉积技术，将激光强化电沉积技术与电沉积溶液喷射结合起来，使激光与电沉积溶液同步射向阴极表面，其传质速度大大超过激光照射所引起的微观搅拌的传质速度，从而达到很高的沉积速度。与传统的电沉积技术相比，激光强化电沉积技术具有以下优点:(1)电沉积速度快，如激光强化电沉积金可达I μ m/s，激光强化电沉积铜可达10 μ m/s，激光强化喷射电沉积金可达12 μ m/s，激光强化喷射电沉积铜可达50 μ m/s ；(2)金属沉积仅发生在激光照射区域，无需采用屏蔽措施便可得到局部沉积镀层，从而简化了生产工艺；(3)沉积层间结合力高；(4)容易实现自动控制；(5)节省设备投资和加工时间。因此，本发明将激光强化喷射电沉积技术用于快速成形，可以解决现有电沉积快速成形技术的不足。
[0017]本发明相比现有技术具有以下优点:本发明将高能量密度激光束和高速电沉积溶液通过管状的钝性阳极中心孔同步射向阴极表面，实现激光强化电沉积技术与电沉积溶液喷射的结合，其传质速度大大超过激光照射所引起的微观搅拌的传质速度，从而达到很高的沉积速度，结合优化的工艺参数，在经过表面处理的沉积基板表面逐点沉积、层层叠加快速成形三维金属零件。激光强化电沉积和喷射电沉积在沉积时都具有较好的区域选择性，将两者结合在一起的激光强化喷射电沉积技术具有更好的沉积区域选择性，因此其沉积精度高，无需采用屏蔽措施便可得到局部沉积层，从而简化了生产工艺；采用钝性阳极，阳极本身不发生电化学反应，可以精确控制两极之间的微小间隙，降低沉积时能量消耗和杂质的产生。通过温度控仪和电加热器组合的方法保持电沉积溶液工作在一个稳定的温度范围内，从而保证电沉积的效果。本发明的方法将激光强化电沉积、数控喷射电沉积、快速成形技术有机结合起来，具有沉积速度快、成形精度高、无需屏蔽、可直接快速制造出形状复杂、结构致密、组织均匀且机械性能好的精密金属零件等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图；
[0019]图2是本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0021]实施例1
[0022]如图1所示，本实施例包括激光发生机构、阳极7、阴极、防护镜9、电源10、三维移动平台、沉积槽15、恒温储液机构和控制器13 ;所述阳极7和激光发生机构相连，防护镜9位于激光发生机构和阳极7之间，阴极为沉积基板16，所述沉积基板16设置于沉积槽15内，电源10分别连接阴极和阳极7 ;所述三维移动平台包括X轴移动平台17、Y轴移动平台18和Z轴移动平台4，Z轴移动平台4分别与阳极7和激光发生机构相连，X轴移动平台17和Y轴移动平台18依次设置于沉积槽15之下；恒温储液机构的进液端和阳极7相连，回液端和沉积槽15相连，X轴移动平台17、Υ轴移动平台18和Z轴移动平台4分别固定在机床座11上。
[0023]所述恒温储液机构包括储液槽21、回液管20、过滤器22、泵23、进液管12、溢流阀、节流阀25、温度控制仪26和电加热器27 ;所述过滤器22、泵23和节流阀25依次设置在进液管12上，阳极7上设有阳极座6，阳极座6和Z轴移动平台4相连，进液管12和阳极座6相连，回液管20和沉积槽15相连，溢流阀24 —端连接在储液槽21，另一端和进液管12相连，温度控制仪26和电加热器27相连，温度控制仪26和电加热器27分别连接在储液槽21内。
[0024]所述激光发生机构包括激光器1、反射镜和透镜5，反射镜3位于激光器I发出激光束2的光路上，透镜5位于反射镜3折射后激光束2的光路上，经透镜5聚焦后的激光束2位于阳极7的中心孔，激光器I和Z轴移动平台4相连。
[0025]所述阳极7为中空管状钝性阳极7。
[0026]控制器13分别连接激光器1、电源10、X轴移动平台17、Y轴移动平台18、Z轴移动平台4和泵23的驱动电机。
[0027]本实施例工作时，阴极(沉积基板16)通过夹具安装在沉积槽15内；阳极7置于阳极座6之内，防护镜9固定在阳极座6上端，阳级座固定在Z轴移动平台4上，激光器I也固定在Z轴移动平台4上；由激光器I发出的激光束2，经过反射镜3转向、透镜5聚焦后，通过防护镜9及阳极7中心孔辐射到成型件8沉积区，而电沉积溶液19也经由阳极7中心孔同步射向沉积区，实现激光强化电沉积技术与电沉积溶液19喷射的结合，其传质速度大大超过激光照射所引起的微观搅拌的传质速度，从而达到很高的沉积速度；电源10的正极与阳极7相连使其带有正电，从阳极7内孔喷射的电沉积溶液19也带正电，负极与沉积基板16连接使其带负电；电源10为直流电源10或脉冲直流电源10 ;储液槽21中的电沉积溶液19经过滤器22、泵23和节流阀25，由进液管12通过阳极座6、阳极7的中心孔高速射向沉积区，经回液管20再流回储液槽21，输液压力由溢流阀24调节，喷射速度(流量)由节流阀25控制；温度控制仪26的测温传感器插入储液槽21中的电沉积溶液19中，温度控制仪26的输出和电加热器27的控制端相连，从而使电沉积溶液19工作在一个稳定的温度范围内；X、Y、Z三轴的运动由控制器13控制，使得阳极7与沉积基板16产生X、Y、Z向的相对运动，从而实现阳极7在沉积基板16表面上的扫描；激光器I和电源10也与控制器13相连，其输出工艺参数由控制器13控制，另外在扫描空行程时自动切断激光器I和电源10的输出；控制器13与计算机14相连，计算机14把生成的扫描路径和工艺参数传输到控制器13。
[0028]如图2所示，本实施例在lCrl8Ni9Ti不锈钢表面采用激光强化电沉积快速成形Ni金属零件，具体步骤如下:
[0029](I)首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；
[0030](2)配制电沉积溶液19:硫酸镍(NiSO4.6H20) 250~300g.L—1，氯化镍(NiCl2.6Η20)35 ~40g.L-1 硼酸(H3B03)40 ~45g.L-1 润湿剂(C12H25SO4Na)0.1 ~0.2g.L-1光亮剂(糖精)I~3g -L-',ρΗ值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在55°C左右；对ICrlSNiOTi不锈钢沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；
[0031](3)选择氩离子激光器1，波长0.488 μ m，控制激光输出功率为30W，光斑直径为
0.5mm，将高能量密度激光束2和高速电沉积溶液19通过阳极7 (阳极7材料为钼)中心孔同步射向lCrl8Ni9Ti不锈钢阴极(沉积基板16)表面(阳极I到阴极的初始距离为4mm,电沉积熔液喷射速度8m.s—1)，控制电压为40V，平均电流密度为4000A.dm2，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积(通过计算机14控制X轴移动平台17、Y轴移动平台18实现)，当第一层沉积完成后，阳极7上升一个薄层高度(通过计算机14控制Z轴移动平台4实现)，然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Ni金属零件。
[0032]实施例2
[0033]本实施例为在石墨表面采用激光强化电沉积快速成形Cu金属零件，具体步骤如下:
[0034](I)首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；
[0035](2 ))配制电沉积溶液 19:硫酸铜(CuSO4.5H20) 50g.L-1，硫酸(H2SO4) 50g.L-1，润湿剂(C12H25SO4Na)0.1~0.2g.?Λ光亮剂(糖精)I~3g.?Λ pH值保持在4 ± 0.1，电沉积溶液19的温度保持在45°C左右；对石墨沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；
[0036](3)选择YAG激光器1，波长1064nm，控制激光输出功率为100W，光斑直径为1mm，将高能量密度激光束2和高速电沉积溶液19通过阳极7 (阳极7材料为钼)中心孔同步射向石墨阴极(沉积基板16)表面(阳极7到阴极的初始距离为4_，电沉积熔液喷射速度8m.s—1)，控制电压为40V，平均电流密度为3600A.dm2，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积(通过计算机14控制X轴移动平台17、Y轴移动平台18实现)，当第一层沉积完成后，阳极7上升一个薄层高度(通过计算机14控制Z轴移动平台4实现)，然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，·经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Cu金属零件。
[0037]其他实施方式和实施例1相同。
[0038]实施例3
[0039]本实施例为在lCrl8Ni9Ti不锈钢表面采用激光强化电沉积快速成形N1-Mn合金零件，具体步骤如下:
[0040](I)首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；
[0041](2)配制电沉积溶液19:氨基磺酸镍(Ni (NH2SO3)2.4H20)430~600g.L-1，氨基磺酸锰(Mn(NH2SO3)2.4H20) 12 ~28g.?Λ 氯化镍(NiCl2.6Η20) 15 ~25g.?Λ 硼酸(H3BO3) 30 ~35g.L—1，润湿剂(C12H25SO4Na) 0.1 ~0.2g.L—1，光亮剂(糖精)I ~3g.?ΛpH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在50°C左右；对lCrl8Ni9Ti不锈钢沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；
[0042](3)选择氩离子激光器1，波长0.488 μ m，控制激光输出功率为35W，光斑直径为
0.5mm，将高能量密度激光束2和高速电沉积溶液19通过阳极7 (阳极7材料为钼)中心孔同步射向lCrl8Ni9Ti不锈钢阴极(沉积基板16)表面(阳极7到阴极的初始距离为4mm,电沉积熔液喷射速度8m.s—1)，控制电压为40V，平均电流密度为4500A.dm2，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积(通过计算机14控制X轴移动平台17、Y轴移动平台18实现)，当第一层沉积完成后，阳极7上升一个薄层高度(通过计算机14控制Z轴移动平台4实现)，然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维N1-Mn合金零件。
[0043]其他实施方式和实施例1相同。
[0044]实施例4
[0045]本实施例为在石墨表面采用激光强化复合电沉积快速成形N1-Al2O3零件，具体步骤如下:(I)首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；
[0046](2)硫酸镍(NiSO4.6Η20)250 ~300g.?Λ 氯化镍(NiCl2.6Η20)35 ~40g.?Λ 纳米 Al2O3 陶瓷颗粒 20g.ΙΛ 硼酸(H3BO3) 40 ~45g.?Λ 润湿剂(C12H25SO4Na) 0.1 ~0.2g.?Λ光亮剂(糖精)I~3g.L_\ pH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在55°C左右；对石墨沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；
[0047](3)选择YAG激光器1，波长1064nm，控制激光输出功率为80W，光斑直径为1mm，将高能量密度激光束2和高速电沉积溶液19通过阳极7 (阳极7材料为钼)中心孔同步射向石墨阴极(沉积基板16)表面(阳极7到阴极的初始距离为4_，电沉积熔液喷射速度8m.s—1)，控制电压为40V，平均电流密度为3200A.dm2，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积(通过计算机14控制X轴移动平台17、Y轴移动平台18实现)，当第一层沉积完成后，阳极7上升一个薄层高度(通过计算机14控制Z轴移动平台4实现)，然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维N1-Al2O3零件。
[0048]其他实施方式和实施例1相同。`
【权利要求】
1.一种激光强化喷射电沉积快速成形加工装置，其特征在于，包括激光发生机构、阳极、阴极、防护镜、电源、三维移动平台、沉积槽、恒温储液机构和控制器；所述阳极和激光发生机构相连，防护镜位于激光发生机构和阳极之间，阴极为沉积基板，所述沉积基板设置于沉积槽内，电源分别连接阴极和阳极；所述三维移动平台包括X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台，Z轴移动平台分别与阳极和激光发生机构相连，X轴移动平台和Y轴移动平台依次设置于沉积槽之下；恒温储液机构的进液端和阳极相连，回液端和沉积槽相连，控制器分别连接激光发生机构、电源、X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和恒温储液机构。
2.根据权利要求1所述的激光强化喷射电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述恒温储液机构包括储液槽、回液管、过滤器、泵、进液管、溢流阀、节流阀、温度控制仪和电加热器；所述过滤器、泵和节流阀依次设置在进液管上，阳极上设有阳极座，阳极座和Z轴移动平台相连，进液管和阳极座相连，回液管和沉积槽相连，溢流阀一端连接在储液槽，另一端和进液管相连，温度控制仪和电加热器相连，温度控制仪和电加热器分别连接在储液槽内，控制器和泵相连。
3.根据权利要求2所述的激光强化喷射电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述激光发生机构包括激光器、反射镜和透镜，反射镜位于激光器发出激光束的光路上，透镜位于反射镜折射后激光束的光路上，经透镜聚焦后的激光束位于阳极的中心孔，激光器和Z轴移动平台相连，激光器和控制器相连。
4.根据权利要求1所述的激光强化喷射电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述阳极为中空管状钝性阳极。
5.根据权利要求4所述的激光强化喷射电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述激光器选自IS离子激光器、氪离子激光器、YAG激光器中的一种。
6.一种如权利要求1所述 的激光强化喷射电沉积快速成形加工方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)对沉积基板进行表面预处理； (2)将激光束和电沉积溶液通过阳极的中心同时射向沉积基板，实现激光与电沉积的复合，根据扫描路径，在沉积基板表面逐点沉积，完成第一层沉积后，阳极上升，完成第二层沉积，依次循环，经过层层叠加快速成形为所需的三维金属零件。
7.根据权利要求7所述的一种激光强化喷射电沉积快速成形加工方法，其特征在于，所述沉积基板表面预处理依次包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。
【文档编号】C25D5/08GK103590080SQ201310626333
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】王东生, 田宗军, 周杏花, 季燕, 朱坤锋, 沈理达 申请人:铜陵学院