CN115194271A - 一种面向3d打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，包括光学单元、电化学反应单元和流体控制单元；所述光学单元包括纳秒绿光激光器、XY两轴激光扫描振镜，聚焦透镜和控制系统；所述电化学反应单元包括金属阴极、金属阳极工件、机械臂、反应容器、电解液、电动移动平台、导线、直流电源、底座和储液槽；金属阴极上设置有一条或多条沿竖直方向排列的直通槽；反应容器和储液槽均为透明亚克力器皿，透光率大于90％。激光束经过XY两轴激光扫描振镜和聚焦透镜，透过金属阴极上的直通槽之后，聚焦于金属阳极工件的表面。本发明成功实现了激光与电化学抛光的有效结合，使得在电化学抛光的同时能够实现激光的快速大面积抛光。

Description

一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置。

背景技术

随着增材制造技术的快速发展，特别是选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)技术的推广应用，3D打印金属构件越来越多地被应用到医疗、航空、磨具和汽车等行业。然而3D打印微米级的粉末原材料和其成形机理决定了打印后材料表面存在一定的粗糙度。为满足部分需求，必须对3D打印金属构件的表面进行抛光。目前SLM增材制造成形零件主要依靠手工打磨、喷砂、电解抛光等手段进行抛光，但这些方法存在效率低、复杂内表面难加工、污染环境等缺点。

激光抛光是一种新型的抛光技术，具有非接触性、无污染和高效率等众多优势。但是激光抛光过程中产生的热效应易导致重铸层和微裂纹的产生。且难以实现高精度高平整度的精细抛光。相比之下，电化学抛光通过阳极电化学溶解去除材料，可实现高精度抛光，然而电化学抛光的金属构件其表面粗糙度必须小于一定值，无法对粗糙度较高的材料进行抛光，且抛光过程中由于钝化膜的出现导致效率较低。由此可见，以上单一抛光工艺难以在加工能力、效率和表面质量等方面做到兼容。

激光与电化学复合加工技术综合了激光加工效率高、电化学加工表面质量好等优势，已成为国内外广泛关注的一种高表面质量精密加工技术，但是目前激光与电化学复合加工技术主要通过在直径为0.3-1mm的中空管电极中通入电解液和激光实现对微孔的加工，其加工面积小，效率低，柔性化程度低，无法实现3D打印金属构件表面大面积高效抛光。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种加工效率高、加工区域大的面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，包括光学单元、电化学反应单元和流体控制单元；所述光学单元包括纳秒绿光激光器、XY两轴激光扫描振镜，聚焦透镜和控制系统；所述电化学反应单元包括金属阴极、金属阳极工件、机械臂、反应容器、电解液、电动移动平台、导线、直流电源、底座和储液槽；

金属阴极上设置有一条或多条沿竖直方向的直通槽；反应容器和储液槽均为透明亚克力器皿，透光率大于90％；反应容器竖直固定放置在底座上方，反应容器与底座均设置在储液槽内；反应容器底部开有一个凹槽，金属阴极竖直放置在凹槽中并固定夹紧，金属阳极工件用机械臂夹持，与金属阴极位置相对并平行设置，金属阳极工件能够由电动移动平台带动其相对金属阴极左右移动；反应容器底部在金属阴极与金属阳极工件之间设置有一用于流入电解液的狭缝；金属阴极与金属阳极工件两者分别通过导线与直流电源的正负极相连；

所述纳秒绿光激光器输出的激光束经过XY两轴激光扫描振镜的反射和聚焦透镜的聚焦后，透过储液槽、反应容器和金属阴极上的直通槽，作用于金属阳极工件的表面。

进一步的，所述流体控制单元包括管路、止回阀、过滤器、微量泵、主容器和喷嘴；所述主容器用于盛放电解液，微量泵的进液端与主容器连通，出液端经过过滤器的过滤后，穿过储液槽的进液口和底座的进液口，注入设置在底座的内部空腔内的喷嘴内；所述喷嘴安装在底座的内部空腔内，喷嘴的出口与反应容器底部狭缝连通，用于将电解液喷入反应容器底部狭缝，使得电解液在金属阴极和金属阳极工件之间的细小的狭缝内快速流动；储液槽内的电解液经由其出液口和管路流回主容器内，所述管路上设置有用于防止溶液回流的止回阀。

进一步的，所述流体控制单元还包括超声波振动平台，超声波振动平台安装在储液槽底部，用于通过超声振动带走电化学反应产生的气泡、反应产物和杂质。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述激光与电化学复合抛光装置通过在金属阴极上设置直通槽，以及通过电动移动平台带动金属阳极工件移动，成功实现了激光抛光与平板电极电化学抛光的有效结合。

2、在激光与电化学复合抛光过程中，可通过振镜驱动激光沿竖直方向垂直扫描，并通过电动移动平台带动金属阳极工件水平移动，从而实现激光对整个工件的作用，克服了传统基于管电极复合加工区域过小的问题，同时增加激光扫描速度可匹配较高的激光能量，从而实现材料的高效去除，克服了传统基于管电极复合加工效率过低的问题。

3、本发明所述激光与电化学复合抛光装置中的金属电极可根据聚焦激光光斑尺寸设计调节直通槽的宽度。在加工过程中，金属阳极工件左右移动，激光穿过直通槽在垂直方向上作快速扫描，一方面可采用一束激光在多个直通槽之间进行来回扫描，另一方面还可以根据电极上直通槽的数量，采用光学衍射器件对激光进行分束，例如当直通槽数量为10时，通过分束器将激光分成10束，10束激光同时对直通槽进行扫描，可明显提高加工效率，实现多光束并行抛光。

4、本发明所述激光与电化学复合抛光装置通过将待加工金属工件竖直放置，同时通过巧妙的机械结构设计，电解液从下往上仅在两电极之间细小的狭缝快速流动，可以有效避免电化学反应过程中因局部区域溶液浓度过高造成的抛光效率的波动；同时辅助超声振动，可加速加工过程中所产生气泡的运动，以及促进溶液的流动，避免加工过程附着在材料表面的气泡对入射激光的散射。

5、本发明所述激光与电化学复合抛光装置克服了原有电化学抛光无法对粗糙度较高的零件进行抛光的问题，当金属构件表面粗糙度较高时，采用以激光为主，电化学辅助加工的抛光方式，此时激光的能量密度较高，电化学电流密度相对较低，电化学反应可有效除去激光加工过程中产生的熔渣和重熔层，当粗糙度降低到2μm以下时，采用以电化学为主，激光辅助加工的抛光方式，此时需降低激光能量密度，提高电化学电流密度，激光可快速去除钝化膜，促进电化学反应的进行，从而实现高效抛光。

附图说明

图1为本发明所述激光与电化学复合抛光装置的结构示意图；

图2为喷嘴与底座的装配图；

图3为底座与反应容器的装配图；

图4为透明电极的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-4所示，本发明提供了一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，包括光学单元、电化学反应单元和流体控制单元。

所述光学单元包括纳秒绿光激光器1、XY两轴激光扫描振镜2，聚焦透镜3和控制系统21。

其中纳秒绿光激光器的波长为500～560nm，输出功率为10～80W，脉宽为1～15ns，频率为30kHz～500Hz，控制系统21内置的加工软件控制纳秒绿光激光器1出光，激光束经过XY两轴激光扫描振镜2和聚焦透镜3的聚焦后输出。

所述电化学反应单元包括金属阴极4、金属阳极工件5、机械臂6、反应容器7、电解液8、电动移动平台9、导线10、直流电源11、底座19和储液槽20。

反应容器7和储液槽20均为透明亚克力器皿，能够透过高能量的激光束，透光率大于90％。反应容器7竖直固定放置在底座18上方，反应容器7与底座18均设置在储液槽20内。反应容器7底部开有一个凹槽，金属阴极4竖直放置在凹槽中并固定夹紧，金属阳极工件5用机械臂6夹持，与金属阴极4位置相对并平行设置，金属阳极工件5可由电动移动平台9带动其相对金属阴极4左右移动。反应容器7底部在金属阴极4与金属阳极工件5之间设置有一用于流入电解液的狭缝，狭缝宽度约为1～3mm。金属阴极4与金属阳极工件5两者分别通过导线10与直流电源11的正负极相连，直流电源11用于提供电子让电化学反应进行。

储液槽20的侧壁上设置有进液口和出液口，底座19的底部设置有进液口，内部有空腔，顶部设置有开口。

金属阴极4上设置有一条或多条沿竖直方向的直通槽41，直通槽41的宽度为0.2～1mm，直通槽41相互之间的间隔可以根据需要设定，所述直通槽41可以通过电火花切割机切割而成。

电解液8可采用中性盐溶液或酸性混合溶液。

所述纳秒绿光激光器1输出的激光束经过XY两轴激光扫描振镜2和聚焦透镜3后，透过透明的储液槽20、反应容器7和金属阴极4上的直通槽41之后，聚焦于金属阳极工件5的表面。

所述流体控制单元包括管路12、止回阀13、过滤器14、微量泵15、主容器16、喷嘴17和超声波振动平台18。

所述主容器16用于盛放电解液8，微量泵15的进液端与主容器16连通，出液端经过过滤器14的过滤后，穿过储液槽20的进液口和底座19的进液口，注入设置在底座19的内部空腔内的喷嘴17内。

所述喷嘴17安装在底座19的内部空腔内，喷嘴17的出口与反应容器7底部狭缝连通，进而可以实现将电解液8喷入反应容器7底部狭缝，使得电解液在金属阴极4和金属阳极工件5之间的细小的狭缝内快速流动，从而保证两电极之间的电解液的快速更新，减小浓差极化的影响。

储液槽20内的电解液经由其出液口和管路12流回主容器16内，所述管路12上设置有用于防止溶液回流的止回阀13。

超声波振动平台18安装在储液槽20底部，用于通过超声振动带走电化学反应产生的气泡、反应产物和杂质。

利用上述装置对金属工件抛光的具体步骤如下：

(1)将金属阴极4竖直固定放置在盛有电解质的透明亚克力反应容器7的凹槽中，金属阳极工件5用机械臂6夹持，通过移动平台9带动其相对金属阴极4左右移动；阳极和阴极分别连接直流电源11的正负极。

(2)调节激光焦点位置，将激光加工参数输入到计算机21内置的加工软件，通过软件控制纳秒绿光激光器1出光，并控制激光扫描振镜2进行扫描运动，加工过程中，激光在垂直方向上透过透明的储液槽20、反应容器7和金属阴极4上的直通槽41之后作快速上下扫描。扫描完成后，电动移动平台9控制金属阳极工件5移动，每次移动距离为激光扫描直通槽41的宽度，直至完成整个金属阳极工件5表面的扫描。同时开启超声波振动平台18、微量泵15和直流电源11，超声振动使加工过程产生的气泡以及电化学溶解杂质迅速上浮，避免其对激光光束的传导以及电化学反应产生不利影响，微量泵15可以实现电解液8的循环流动，保证电解液8的快速更新，直流电源11提供电子促使电化学反应的进行，对金属阳极工件5表面激光加工过程产生的熔融物进行融解，通过激光和电化学复合加工，最终实现对金属阳极工件表面大面积高效精细抛光。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (3)

1.一种面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，包括光学单元、电化学反应单元和流体控制单元；其特征在于，所述光学单元包括纳秒绿光激光器(1)、XY两轴激光扫描振镜(2)，聚焦透镜(3)和控制系统(21)；所述电化学反应单元包括金属阴极(4)、金属阳极工件(5)、机械臂(6)、反应容器(7)、电解液(8)、电动移动平台(9)、导线(10)、直流电源(11)、底座(19)和储液槽(20)；

所述金属阴极(4)上设置有一条或多条沿竖直方向的直通槽(41)；反应容器(7)和储液槽(20)均为透明亚克力器皿，透光率大于90％；反应容器(7)竖直固定放置在底座(18)上方，反应容器(7)与底座(18)均设置在储液槽(20)内；反应容器(7)底部开有一个凹槽，金属阴极(4)竖直放置在凹槽中并固定夹紧，金属阳极工件(5)用机械臂(6)夹持，与金属阴极(4)位置相对并平行设置，金属阳极工件(5)能够由电动移动平台(9)带动其相对金属阴极(4)左右移动；反应容器(7)底部在金属阴极(4)与金属阳极工件(5)之间设置有一用于流入电解液的狭缝；金属阴极(4)与金属阳极工件(5)两者分别通过导线(10)与直流电源(11)的正负极相连；

所述纳秒绿光激光器(1)输出的激光束经过XY两轴激光扫描振镜(2)的反射和聚焦透镜(3)的聚焦后，透过储液槽(20)、反应容器(7)和金属阴极(4)上的直通槽(41)，作用于金属阳极工件(5)的表面。

2.根据权利要求1所述的面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，其特征在于，所述流体控制单元包括管路(12)、止回阀(13)、过滤器(14)、微量泵(15)、主容器(16)和喷嘴(17)；所述主容器(16)用于盛放电解液(8)，微量泵(15)的进液端与主容器(16)连通，出液端经过过滤器(14)的过滤后，穿过储液槽(20)的进液口和底座(19)的进液口，注入设置在底座(19)的内部空腔内的喷嘴(17)内；所述喷嘴(17)安装在底座(19)的内部空腔内，喷嘴(17)的出口与反应容器(7)底部狭缝连通，用于将电解液(8)喷入反应容器(7)底部狭缝，使得电解液在金属阴极(4)和金属阳极工件(5)之间的细小的狭缝内快速流动；储液槽(20)内的电解液经由其出液口和管路(12)流回主容器(16)内，所述管路(12)上设置有用于防止溶液回流的止回阀(13)。

3.根据权利要求2所述的面向3D打印金属构件的激光与电化学复合抛光装置，其特征在于，所述流体控制单元还包括超声波振动平台(18)，超声波振动平台(18)安装在储液槽(20)底部，用于通过超声振动带走电化学反应产生的气泡、反应产物和杂质。

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