CN107557821B - 一种中空三维金属微结构的制备方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种中空三维金属微结构的制备方法及其装置，该方法是先以金属板作为支撑件置于光敏树脂溶液槽中的工作台，利用氦镉激光对光敏树脂进行逐层固化成形，与金属支撑件形成稳定结构，利用刮刀将上表面刮平；然后将该结构作为整体阴极转移至电铸槽中，按照光固化形成的型腔结构进行电化学沉积，当沉积厚度达到要求后，形成的结构件转移回到光敏树脂溶液槽中，再次进行指定轨迹的逐层固化成形，与电化学沉积的金属形成新的稳定结构，重复上述工艺流程，最终制备出中空三维金属微结构，该装置包括工件运动系统、光固化成形装置、电铸加工装置、刮刀机构、激光系统、电源和工作台，该装置结构简单，且更换加工槽时无需拆卸原模，加工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空三维金属微结构的制备方法及其装置，尤其涉及一种利用紫外激光光固化成型工艺和电铸工艺复合制备中空三维金属微结构的方法。
背景技术
随着现代科技的发展，微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的应用价值越来越重要。MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，它是一项革命性的新技术，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。MEMS器件体积小，重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高，响应时间短。MEMS系统与一般的机械系统相比，不仅体积缩小，而且在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。因此，MEMS器件的制备是一大技术难题。
中空三维金属微结构是复杂微机电系统的重要零件，一般可以用化学腐蚀、光刻、微细电解、微细电火花等方法来制备。但是，这些加工方法都存在加工周期长、加工精度低，重复性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光光固化成型工艺和电铸工艺复合的制备中空三维金属微结构的制备方法及其装置。
为了实现上述目的，本发明提出这样的方法，即通过工作台的移动和翻转，将固化成型工艺与电铸成型工艺无缝对接，先以金属板作为支撑件置于光敏树脂溶液槽中的工作台，利用紫外激光对光敏树脂进行逐层固化成形，与金属工作台形成稳定结构，利用刮刀将上表面刮平；然后将该结构作为整体阴极转移至电铸槽中，按照光固化形成的型腔结构进行电化学沉积，当沉积厚度达到要求后，形成的结构件转移回到光敏树脂溶液槽中，再次进行指定轨迹的逐层固化成形，与电化学沉积的金属形成新的稳定结构，重复上述工艺流程，制备出中空三维金属微结构。所述紫外激光波长为325nm～355nm。所述支撑件为磷铜板，厚度为3-5mm。
为了实现上述制备方法，本发明设计了专门的加工装置，包括工件运动系统、光固化成形装置、电铸加工装置、刮刀机构和激光加工系统，工件运动系统主要由工作台、升降台、Z轴电机、滑移架、直线导轨、滚珠丝杠、立柱组成，升降台一端通过铰链与工作台连接，另一端口与滑移架连接固定，直线导轨沿Z轴固定在立柱上，并与滑移架相接触，Z轴电工作台机固定在立柱上端，与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与滑移架连接固定；光固化成形装置主要、工作台、树脂槽组成，光敏树脂盛放在树脂槽内；电铸加工装置主要由原模、工作台、金属棒、搅拌器和电铸槽组成，搅拌器机座和电极座固定在电铸槽端盖上，金属棒接正极，电铸加工状态时原模接电源负极，电铸液盛放在电铸槽内；刮刀机构主要由刮刀、Z轴电机、滑移架、直线导轨、滚珠丝杠、立柱组成，升降台一端连接固定刮刀，另一端口与滑移架连接固定，直线导轨沿Z轴固定在立柱上，并与滑移架相接触，Z轴电机固定在立柱上端，与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与滑移架连接固定；激光系统主要由氦镉激光器、扫描振镜和聚焦透镜组成，激光器固定在立柱上端，全反射镜固定在工件上方，聚焦透镜垂直固定在全反射镜和工件之间。
进一步地，所述工作台与升降台竖杆在光固化成形时，用一个销钉定位，使得工作台垂直于升降台竖杆，与光敏树脂液面保持水平，用螺钉将升降台另一端固定在滑移架上，Z轴电机驱动滚珠丝杆，从而带动滑移架在直线导轨上做平移运动。
进一步地，刮刀固定在升降台一端竖杆上，用螺钉将升降台另一端固定在滑移架上，Z轴电机驱动滚珠丝杆，从而带动滑移架在直线导轨上做平移运动。
进一步地，所述全反射镜将激光器发出的激光束反射至聚焦透镜上，再由聚焦透镜将激光束聚焦到工件上方的光敏树脂液面，所述激光聚焦过程是通过上下移动聚焦透镜调试实现。
与现有技术相比，本发明优点：1.将光固化成型工艺与成型电铸工艺进行无缝对接，实现中空三维金属微结构的高效制备。2.该装置结构简单，且更换加工槽时无需拆卸原模，加工效率高。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
其中：1、氦镉激光器，2、立柱，3、Z轴电机，4、直线导轨，5、滚珠丝杠，6、滑移架，7、电铸加工状态，8、Z轴电机，9、搅拌器，10、电极座，11、金属棒阳极，12、全反射镜，13、聚焦透镜，14、树脂槽，15、刮刀，16、升降平台，17、光敏树脂，18、工作台，19、铰链，20、工作台，21、电铸液，22、电流表,23、电压表，24、直流电源，25、激光系统，26、刮刀机构，27、光固化成形装置，28、电铸加工装置，29、工件运动系统，30、工件原模，31、电铸槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例为一种中空三维金属微结构的制备装置，包括工件运动系统29、光固化成形装置27、电铸加工装置28、刮刀机构26和激光加工系统25，工件运动系统主要由工作台18、升降台16、Z轴电机3、滑移架6、直线导轨4、滚珠丝杠5、立柱2组成，升降台16一端通过铰链19与工作台18连接，另一端口与滑移架6连接固定，直线导轨4沿Z轴固定在立柱2上，并与滑移架6相接触，Z轴电工作台机3固定在立柱2上端，与滚珠丝杠5连接，滚珠丝杠5与滑移架6连接固定；光固化成形装置主要、工作台18、树脂槽14组成，光敏树脂17盛放在树脂槽14内；电铸加工装置主要由原模30、工作台18、金属棒11、搅拌器9和电铸槽31组成，搅拌器9机座和电极座10固定在电铸槽31端盖上，金属棒11接正极，电铸加工状态时原模30接电源负极，电铸液盛放在电铸槽31内；刮刀机构主要由刮刀15、Z轴电机3、滑移架6、直线导轨4、滚珠丝杠5、立柱2组成，升降台16一端连接固定刮刀15，另一端口与滑移架6连接固定，直线导轨4沿Z轴固定在立柱2上，并与滑移架6相接触，Z轴电机3固定在立柱2上端，与滚珠丝杠5连接，滚珠丝杠5与滑移架6连接固定；激光系统主要由氦镉激光器1、扫描振镜12和聚焦透镜13组成，激光器1固定在立柱2上端，全反射镜12固定在工件30上方，聚焦透镜13垂直固定在全反射镜12和工件30之间。
本实施例所述工作台18与升降台16竖杆在光固化成形时，用一个销钉定位，使得工作台18垂直于升降台16竖杆，与光敏树脂17液面保持水平，用螺钉将升降台16另一端固定在滑移架6上，Z轴电机3驱动滚珠丝杆5，从而带动滑移架6在直线导轨4上做平移运动。
本实施例刮刀15固定在升降台16一端竖杆上，用螺钉将升降台16另一端固定在滑移架6上，Z轴电机3驱动滚珠丝杆5，从而带动滑移架6在直线导轨4上做平移运动。
本实施例所述全反射镜12将激光器1发出的激光束反射至聚焦透镜13上，再由聚焦透镜13将激光束聚焦到工件30上方的光敏树脂17液面，所述激光聚焦过程是通过上下移动聚焦透镜13调试实现。
实施例2
本实施例为一种中空三维金属微结构的制备方法具体实施过程：
(1)获取零件信息：对中空三维金属微结构形状设计和分析，获取不同阶段光固化成型和电铸成型的零件尺寸和形状信息，进一步形成加工数据。
(2)装置装配：完成实施例1一种中空三维金属微结构的制备装置的装配；
(3)光固化成型：调整工作台的高度，使得金属支撑件位于光敏树脂溶液的下方，控制激光束按照预定轨迹扫描，光敏树脂逐层固化堆积，与金属支撑件形成整体结构；
(4)刮平表面：升起整体结构，利用刮刀刮平表面，为电铸作准备。
(5)电铸加工：进一步升起工作台，将整体构件脱离光敏树脂槽，拔下铰链销钉，使得工作台垂直放置，转入电铸槽中；开启电源与搅拌器，开始成型电铸。
Claims (7)
1.一种中空三维金属微结构的制备装置，包括工件运动系统(29)、光固化成形装置(27)、电铸加工装置(28)、刮刀机构(26)和激光加工系统(25)，工件运动系统(29)主要由工作台(18)、升降台(16)、Z轴电机(3)、滑移架(6)、直线导轨(4)、滚珠丝杠(5)、立柱(2)组成，升降台(16)一端通过铰链(19)与工作台(18)连接，另一端与滑移架(6)连接固定，直线导轨(4)沿Z轴固定在立柱(2)上，并与滑移架(6)相接触，Z轴电机(3)固定在立柱(2)上端，与滚珠丝杠(5)连接，滚珠丝杠(5)与滑移架(6)连接固定；光固化成形装置主要由工作台(18)、树脂槽(14)组成，光敏树脂(17)盛放在树脂槽(14) 内；电铸加工装置主要由原模工件(30)、工作台(18)、金属棒(11)、搅拌器(9)和电铸槽(31)组成，搅拌器(9)机座和电极座(10)固定在电铸槽(31)端盖上，金属棒(11)接正极，电铸加工状态时原模(30)接电源负极，电铸液盛放在电铸槽(31)内；刮刀机构主要由刮刀(15)、第二 Z 轴电机、第二滑移架、第二直线导轨、第二滚珠丝杠、第二立柱组成，第二升降台一端连接固定刮刀(15)，另一端与第二滑移架连接固定；激光系统主要由氦镉激光器(1)、全反射镜(12)和聚焦透镜(13)组成，激光器(1)固定在立柱(2)上端，全反射镜(12)固定在工件(30)上方，聚焦透镜(13)垂直固定在全反射镜(12)和工件(30)之间。
2.根据权利要求 1 所述的一种中空三维金属微结构的制备装置，其特征在于，所述工作台(18)与升降台(16)竖杆在光固化成形时，用一个销钉定位，使得工作台(18)垂直于升降台(16)竖杆，与光敏树脂(17)液面保持水平，用螺钉将升降台(16)另一端固定在滑移架(6)上，Z轴电机(3)驱动滚珠丝杠(5)，从而带动滑移架(6)在直线导轨(4)上做平移运动。
3.根据权利要求 2 所述一种中空三维金属微结构的制备装置，其特征在于刮刀(15)固定在第二升降台一端竖杆上，用螺钉将第二升降台另一端固定在第二滑移架上，第二Z轴电机驱动第二滚珠丝杠，从而带动第二滑移架在第二直线导轨上做平移运动。
4.根据权利要求 3 所述一种中空三维金属微结构的制备装置，其特征在于，所述全反射镜(12)将激光器(1)发出的激光束反射至聚焦透镜(13)上，再由聚焦透镜(13)将激光束聚焦到原模工件(30)上方的光敏树脂(17)液面，所述激光聚焦过程是通过上下移动聚焦透镜(13)调试实现。
5.一种中空三维金属微结构的制备方法，其特征在于，其采用权利要求1所述的中空三维金属微结构的制备装置进行制备，该方法包括以下步骤，
步骤一：通过工作台的移动和翻转，将固化成型工艺与电铸成型工艺无缝对接，先以金属板作为支撑件置于光敏树脂溶液槽中的工作台，利用紫外激光对光敏树脂进行逐层固化成形，与金属工作台形成稳定结构，利用刮刀将上表面刮平；
步骤二：将该结构作为整体阴极转移至电铸槽中，按照光固化形成的型腔结构进行电化学沉积，当沉积厚度达到要求后，形成的结构件转移回到光敏树脂溶液槽中，再次进行指定轨迹的逐层固化成形，与电化学沉积的金属形成新的稳定结构；
步骤三：重复上述流程，制备出中空三维金属微结构。
6.根据权利要求 5 所述的一种中空三维金属微结构的制备方法，其特征在于，所述紫外激光波长为 325nm～355nm。
7.根据权利要求 6 所述的一种中空三维金属微结构的制备方法，其特征在于，所述支撑件为磷铜板，厚度为 3-5mm。
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