一种基于弯液面约束的飞秒激光-电化学3D打印装置及方法

本发明属于金属3d打印，具体涉及一种基于弯液面约束的飞秒激光-电化学3d打印装置及方法。

背景技术：

1、随着微、纳米结构元件制造需求的不断提高，微型超高精度的金属元器件的制造日益成为科学研究的重点。其中，微、纳米结构的直写制造方法因其无需掩膜、快速成型等制造优点以及其在电子、光学和机械器件中的广泛应用而有着巨大的开发潜力。

2、3d打印是直写金属增材制造技术的一种重要形式，目前较为成熟的金属3d打印技术有选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔融(slm)等粉末床熔合技术(pbf)，但这类技术通常需要昂贵的设备，并存在工艺复杂、打印后有残余热应力和内应力等问题。相比之下，电化学沉积法(ecd) 利用电化学原理，通过原子级逐层堆叠以实现定向增材制造的方式，不仅打印材料成本低、无切削应力，同时还具有优良的结构调控性，打印精度高以及后处理简单等特点，是未来重点的研发方向。

3、电化学沉积法注重对沉积定域性和复杂形状表面精度的研究。针对沉积定域性的研究衍生出定域电化学沉积（lecd）技术，采用将阴极基板静止放入电解液中，控制阳极在其上移动的方式进行定向沉积。由于阳极与阴极距离近的地方电动势大，电流密度高，使得沉积倾向高，但将阴极基板和打印好的结构完全浸泡在电解液里，电子和金属离子不可避免的扩散造成非控制沉积区域也有沉积产生，存在成型尺寸大、沉积“上窄下胖”、精度低等问题。

4、中国专利申请“一种激光引导电化学沉积3d打印装置与方法”，专利申请号（cn202210569568.x），采用定域电化学沉积（lecd）技术，但其反过来将阳极固定于电解液里，打印时阴极基板向上移动，通过激光的照射引导来控制打印。倒置打印结构能在一定程度避免打印完的结构持续浸泡在电解液里的问题，然而在不采用支撑结构时分层打印无法做到仅一个方向堆叠，倒置打印可能会面临阴极时上时下的问题，不能完全将打印完的结构与电解液隔绝。射流电化学沉积（jet-ecd）在定域电化学沉积技术基础上进行了改进，将电解液和阳极放入容器里，与阴极整体隔离开，通过人为控制电解液与阴极的定向接触以限制金属的沉积区域，实现了沉积更好的选择性生长。但电解液的持续流出使得其在阴极表面过多的积累和扩张，打印精度随时间的增加而降低，存在的边缘效应对于微结构件制造有较大影响。中国专利申请“一种直写式金属电化学3d打印装置及打印方法”，专利号（cn202011632841.6），也会使电解液堆积会造成打印形状的不可控。由此，中国专利“一种多金属电化学3d打印装置及其打印方法”，专利号（cn201910183017.8）采用在针管口处设置圆珠的方式阻止电解液自由流出，但该方式控制电解液流出时需要一定的摩擦力与挤压力，对于微纳米结构的打印件这些力作用容易使形状产生力变形以影响打印精度。弯液面约束电沉积（mecd）在射流电化学沉积的基础上，采取进一步缩小出口面积的方法控制液体流出，通过更小的出液口、并在出液口放置开口海绵使微结构出液口处的负压与液体表面张力相平衡，电解液在出口维持半球形水珠形状而不进行扩张，即弯液面结构。弯液面连通阴极基板与阳极材料，其尺寸微小，以此限制沉积区域维持更好的定域性，该结构也成为电化学打印结构的较优选择，广泛应用于微纳米级结构制造领域。

5、单一的电化学反应存在沉积效率低、沉积表面结晶晶粒粗大、易团聚、晶粒生长不均匀等问题。在电化学电镀领域，学者们采用多种辅助加工方法对电镀沉积进行改善，如引入超声波、磁场，脉冲激光等技术。超声波和电磁场部分作用面积大，对于大面积沉积的电镀领域有积极影响。通过对比试验可发现，引入辅助沉积技术不仅可以提高电镀速率，同时影响沉积机理，使晶粒细化，提高镀层质量。脉冲激光辅助技术促进激发电化学电镀的主动沉积趋势，其影响效果好于磁场和超声波技术，但其局部热影响的特性使之需要配有高昂的激光振镜系统才能全面影响整体电镀区域，造成更高的加工成本。对于沉积范围小但形状精度要求高的3d电化学打印技术，不能很好的利用超声波和电磁场的优势，但能很好的匹配激光局部辐照特性。

6、当脉冲激光局部聚焦于电解液后，瞬时集聚的能量激发电化学反应中光场、电场、流场和热场等多物理场的耦合机制，起到以热效应、力效应到光效应为主的三方面影响。激光能量对电解液的加热引发的热效应改变了溶液的物理属性及电化学反应中的动力学参数，促进离子传输，加快打印速率；激光激发的等离子空泡的扩大缩小引发溶液的强制对流，产生瞬时可达2m/s的对流速度，改变了电极表面状态，减少浓差极化和枝晶生长的问题；而激光本身的光子也会影响电流分布，改变金属的量子效应，促进电子跃迁和电离。激光的引入能很大程度上提高了沉积速率，改善沉积质量和沉积定域性等，以实现精细的微纳米精度沉积。值得注意的是，连续激光照射虽然也能使溶液升温提高反应速率，但是相比脉冲激光，其热加工方式会对沉积件产生热应力影响，而且其瞬时功率没有脉冲激光高，很难达到溶液的击穿阈值以形成等离子体空泡。

7、综上，传统弯液面约束电沉积法虽能达到较好的形状精度，但存在沉积效率低、沉积表征特性差等问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于弯液面约束的飞秒激光-电化学3d打印装置及方法，以解决传统弯液面约束电沉积法存在的沉积效率低、沉积表征特性差的问题。

2、本发明采取的技术方案是，包括z向左右精密运动模组、激光系统、x向精密运动模组、飞秒激光器及运动平台支撑底座、y向双光轴精密运动模组、阴极固定平面、阴极基板、打印针管、光学镜面、伸缩杆及针管固定装置、聚焦透镜结构、侧方支撑板、电解液补充系统、反射镜结构和阳极铜棒，其中z向左右精密运动模组、激光系统、y向双光轴精密运动模组、侧方支撑板均固定在飞秒激光器及运动平台支撑底座上，阴极固定平面安装在y向双光轴精密运动模组上，其上承载阴极基板，x向精密运动模组的两端固定在z向左右精密运动模组上，阳极铜棒放置在打印针管里，打印针管与聚焦透镜结构一同固定在光学镜面、伸缩杆及针管固定装置上，侧方支撑板上安装电解液补充系统和反射镜结构系统。

3、所述z向左右精密运动模组包括相同的z向左精密运动装置和z向右精密运动装置，其中z向右精密运动装置包括后方支撑板、步进电机一、联轴器、轴承座一、底座一、导轨一、滑座一、滚珠丝杠一和轴承座二，其中后方支撑板用于与飞秒激光器及运动平台支撑底座固定连接，底座一与后方支撑板前面固定连接，导轨一与底座一前面固定连接，步进电机一与后方支撑板前面固定连接，轴承座一和轴承座二分别固定连接在底座一上，滚珠丝杠一两端分别轴承座一和轴承座二转动连接，步进电机一输出轴通过联轴器与滚珠丝杠一上端固定连接，滑座一与滚珠丝杠一螺纹连接，滑座一后部与导轨一滑动连接，该滑座一用于与x向精密运动模组固定连接；所述x向精密运动模组传动结构与z向左右精密运动模组中的z向左精密运动装置和z向右精密运动装置一致。

4、所述激光系统包括飞秒激光器，飞秒激光器发出飞秒激光束。

5、所述y向双光轴精密运动模组包括步进电机二、滚珠丝杠二、轴承座三、双光轴轨道、底座二、导轨二和滑座二，其中底座二固定在飞秒激光器及运动平台支撑底座上，导轨二固定连接在底座二上面，步进电机二固定连接在底座二上，滚珠丝杠二两端分别与轴承座三转动连接，双光轴轨道两端分别与轴承座三固定连接，滑座二与滚珠丝杠二螺纹连接，滑座二分别与双光轴轨道、导轨二滑动连接。

6、所述阴极固定平包括l型铝板、连接与支撑螺栓、连接螺栓和阴极固定板，其中阴极固定板通过四个相同的连接与支撑螺栓与y向双光轴精密运动模组的滑座二固定连接，四个相同的连接与支撑螺栓顶端处于同一高度，用于平衡放置阴极基板，限制其z向自由度，四个相同的l型铝板通过连接螺栓固定在阴极固定板上，四个l型铝板限制阴极基板的xy自由度。

7、所述打印针管内放置开口海绵。

8、所述光学镜面、伸缩杆及针管固定装置包括镜面固定板、针管及竖直伸缩杆固定器和连接螺钉，其中镜面固定板与x向精密运动模组中的滑座螺纹连接，随其进行x向移动，针管及竖直伸缩杆固定器固定安装在镜面固定板上，连接螺钉拧入针管及竖直伸缩杆固定器的小螺纹孔内，用于固定打印针管。

9、所述聚焦透镜结构包括聚焦透镜，透镜支架，其中聚焦透镜紧扣于透镜支架里，透镜支架固定安装在光学镜面、伸缩杆及针管固定装置的镜面固定板上。

10、所述电解液补充系统包括流速控制器，导流管，电解液补充瓶，其中电解液补充瓶倒置放置在侧方支撑板高处的圆筒里，瓶身上细下粗的结构使其能够穿过并卡在圆筒，导流管一端穿进电解液补充瓶，另一端穿过流速控制器粘结在打印针管里侧上方。

11、所述反射镜结构包括水平向伸缩杆、u型镜片固定器、反射镜、l型连接件和竖直向伸缩杆，其中水平向伸缩杆通过结构下方的螺纹孔固定在侧方支撑板上，u型镜片固定器紧扣在伸缩杆的另一端，使其能跟随伸缩杆进行细微移动，u型镜片固定器前端固定反射镜，后端与l型连接件通过螺纹进行连接，竖直向伸缩杆上方与l型连接件过盈配合、下方与针管及竖直伸缩杆固定器固定连接，水平向伸缩杆和竖直向伸缩杆均采用无阻力伸缩杆，不提供水平和竖直的支撑力。

12、一种基于弯液面约束的飞秒激光-电化学3d装置的分区打印方法，包括下列步骤：

13、步骤ⅰ：模型导入工作，将数字模型导入计算机软件；

14、步骤ⅱ：分区处理工作，将整体模型进行分块处理，产生各个分区；

15、步骤ⅲ：打印方向及主体一确立工作，设置打印基底并将最低端结构设为主体一，最先打印；

16、步骤ⅳ：结构与编号划分工作：将各分区根据相互关系及处于整体模型中的位置，将分区划定为主体或分支结构并进行编号，将与主体一最近的主体结构设为主体二，与主体一相关联的分支设为分支一，并依次设为主体二，分支二等；

17、步骤ⅴ：模型分层工作，针对不同分区的要求进行个性化分层，生成gcode传至打印机；

18、步骤ⅵ：进行打印工作，依据“主体一~分支一~主体二~分支二~... ”的打印顺序依次打印个分区，直至所有分区打印完毕，沉积出完整结构。

19、本发明的优点如下：

20、(1)本发明针对金属3d打印，创新采用飞秒激光结合前沿电沉积技术—弯液面约束的电沉积法（mecd），利用激光瞬时高能脉冲的特性辅助电沉积，改善了传统电化学3d打印效率低，形状精度差，表征质量低的情况，能够打印出更好形状精度的微/纳米金属元件。

21、(2)脉冲激光属于冷加工方式，配合电化学沉积技术能够在打印时避免热、内应力的产生，同时电化学沉积技术还具有操控性优良，原材料成本低廉等优点。

22、(3)本发明装置不采用费用高昂的激光振镜系统，而是通过伸缩杆的结构使反射镜与聚焦透镜配合移动，尽管反射镜移动精度可能有所降低，但反射镜结构使得其在入射角不变时出射光路不变，稳定与聚焦透镜配合将光束聚焦于打印针口

23、(4)本发明参考医用输液结构设计了电解液补充系统。由于激光系统的引入，加快了弯液面和电解液的蒸发，需要溶液补充装置，而流量稳定、滴液缓慢的医用输液结构是设计的首选，相比于采用泵液系统所需的大型蓄液槽，其体积轻小、原理简单、价格低廉。

24、(6)本发明采用针管配合基板进行电化学3d打印，如需进行电化学雕刻或抛光，只需将阴阳极调换，将阴极材料放到针管里，将需要抛光的阳极材料放到原本的阴极固定平面上，用相同的操作即可实现快速的雕刻效果。

25、(7)本发明采用打印针管配合基板进行电化学3d打印，通过合理调配针管里的电解液及同时使用多种阳极材料可实现复合金属材料3d打印，该打印方法适配打印材料广泛，能够在一定程度上替代其他金属3d打印方法。