CN107723752A - 一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法，涉及激光制造领域，该装置包括控制系统、加工系统、激光辐照系统和工作液循环系统；该方法运用分层叠加的原理沉积微细金属零件，先通过计算机软件建模再分层切片，生成每一层的激光扫描路径，利用激光刻蚀玻璃薄片形成每层所需图形型腔，再利用喷射电沉积与激光复合进行沉积，每层沉积结束后叠加新的薄片玻璃，完成所有的分层沉积后，在工作槽中加入BOE(缓冲氧化物刻蚀液)，溶解剩下的玻璃进行脱模。工艺流程简单，喷射电沉积与激光的复合使得沉积质量大大提高，用绝缘的玻璃作为模具提高了零件成型精度，能够实现无损脱模。本发明适用于微细复杂金属零件的沉积制造。

Description

一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术中微细快速成型加工领域，尤其涉及一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法，适用于微小复杂金属零件的加工和制造。
背景技术
电铸是利用金属的电化学沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。微细电铸工艺是在传统电铸工艺的基础上建立起来的新概念，具有微小结构成型、高精度和批量生产等突出优点。微细电铸的要素包括阳极、阴极、电源、电解液以及待铸工件模具等。激光加工是一种高能量密度，非接触式的加工方法，具有质量优、效率高、柔性好等优点，石英玻璃吸收高能量的激光后被熔化汽化，达到激光刻蚀的目的，相对于传统加工，其应力小，不易发生断裂的情况。喷射电沉积加工速率快，其与激光复合更是可以有效地减少麻孔、疏松等缺陷，增加沉积体的致密性，细化晶粒，大大地提高了沉积质量。
LIGA(光刻，电镀和铸造)技术是目前加工微细金属零件的主要加工技术，然而LIGA技术工艺复杂，难以加工含有叠状、斜面、曲面等结构特征的三维微小元器件，且在光刻过程中由于胶膜的厚度使得底部和表面的感光度不同，做出的胶膜垂直度差，沉积的零件达不到理想效果。中国专利“正向冲液的微细电铸装置及其微细电铸方法”，专利号CN103147099A提出：在曝光过程中对SU-8胶进行过曝光，同时在微细电铸过程中采用正向冲液装置，增加溶液流动，及时补充新鲜离子，带走阴极析出的氢气，加快沉积质量和沉积速度，利用此方法可以得到侧面陡直的金属零件。中国专利“一种激光强化喷射电沉积快速成型加工装置及方法”，专利号CN103590080A提出：将高能量密度激光与喷射电沉积相结合，可以达到很高的沉积速度，并且具有更好的沉积区域选择性。
LIGA技术难以沉积复杂微细金属零件，而利用无模具的喷射电沉积制造微细金属零件，其成型精度不高，尤其是边缘的成型精度，且每层的沉积厚度难以控制。
发明内容
本发明的目的是提出一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法，利用激光刻蚀薄片玻璃获得每层沉积图案，以玻璃作为非导电模具，通过层层叠加的方式沉积出三维金属零件，之后利用BOE蚀刻液蚀除剩余的玻璃进行脱模，以获得所需零件；该方法以薄片玻璃为模具，层厚可控，成型精度高，同时以激光和喷射电沉积复合，大大提高了零件的沉积质量。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，包括控制系统、加工系统、激光辐照系统和工作液循环系统；
所述控制系统包括计算机和运动控制器；所述计算机分别与脉冲激光器、直流脉冲电源和运动控制器相连，所述运动控制器分别控制xyz三轴运动平台和微型泵；
所述加工系统包括直流脉冲电源、示波器、导电玻璃、喷嘴、工作槽、玻璃薄片工件、工件夹具、导电基板和xyz三轴运动平台；所述直流脉冲电源通过信号线和示波器相连；直流脉冲电源的正极和导电玻璃相连，负极和导电基板相连；所述导电玻璃与喷嘴为一体结构，且喷嘴置于导电玻璃下方；所述工作槽置于xyz三轴运动平台；所述工作槽中设置有导电基板；所述导电基板上固定有工件夹具；所述工件夹具中置有玻璃薄片工件；
所述激光辐照系统包括脉冲激光器、反射镜和聚焦透镜；激光束由脉冲激光器发出，经45°设置的反射镜改变传输方向，通过聚焦透镜聚焦后照射到玻璃薄片工件上；
所述工作液循环系统包括储液槽、微型泵、过滤器和节流阀；所述微型泵输入端通过聚四氟乙烯管道与储液槽相连，输出端通过聚四氟乙烯管道与喷嘴相连；所述节流阀一端与工作槽相连，另一端与过滤器相连，过滤器与储液槽相连。
进一步的，所述的导电玻璃主体材质为高透光学玻璃，下表面涂有耐腐蚀的透明导电薄膜。
进一步的，所述的喷嘴，其出口直径为20～50微米，轴心方向竖直向下，高度不大于10毫米。
进一步的，所述的玻璃薄片工件，其厚度小于100微米。
进一步的，所述的工作槽、节流阀和过滤器，其材料为聚四氟乙烯等耐强酸的高分子材料。
进一步的，所述的微型泵流量为0～10L/min可调，其阀芯耐酸碱腐蚀。
进一步的，所述的激光辐照系统，经反射镜反射后的传输光路与喷嘴同轴，聚焦于喷嘴出口下方0.5mm～2mm处，聚焦后的光斑直径小于30微米。
一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的方法，包括以下步骤：
步骤一)建立三维模型，使用切片软件进行切片生成每一层的运动轨迹及执行代码；
步骤二)将第一片玻璃薄片工件放入工件夹具中，储液槽中倒入沉积液；
步骤三)开启脉冲激光器；
步骤四)将第一片玻璃薄片工件的执行代码输入到运动控制器的控制软件中，运行执行代码，激光在按加工轨迹玻璃薄片上蚀刻出所需图形，作为该层电铸模具，打开微型泵和直流脉冲电源，再次运行该层的执行代码，利用激光和喷射电沉积复合在刻蚀出的图形中进行电铸，电铸完成后关闭微型泵和直流脉冲电源；
步骤五)第一层完成后放入第二片玻璃薄片工件，重复步骤四，直到最后一层；
步骤六)关闭直流脉冲电源和激光器，关闭节流阀；
步骤七)在工作槽中倒入BOE蚀刻液并浸没整个工件，蚀除剩余的玻璃，进行脱模；
步骤八)清洗所得的金属零件。
进一步的，所述的步骤一中，切片软件切片时的厚度与玻璃薄片工件的厚度相同。
进一步的，玻璃薄片工件在使用前先进行去油和清洗。
进一步的，所述的步骤四中，直流脉冲电源电压为0～10V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％。
有益效果：
1.利用激光对绝缘玻璃的减材刻蚀获得电铸模具，可以显著提高电铸成型精度；沉积完成后加入BOE蚀刻液再去除玻璃模具，能够实现无损脱模，因此可以制造更加复杂的微细金属零件。
2.玻璃模具的减材加工和金属零件的增材沉积采用相同的加工轨迹和执行代码，可以最大限度减小零件的制造误差；利用层层叠加的方法逐层沉积，解决了以往微细电铸难以获得高深宽比微细结构的问题。
3.激光与喷射电沉积的复合可以获得较高质量的金属沉积物，同时利用此方法可以制造多种金属或合金的金属零件，也可以通过在沉积液中加入纳米颗粒来提高零件强度和耐磨性等，为实现制造不同功能零件提供可能。
附图说明
图1是激光刻蚀玻璃微细电铸加工系统示意图；
图2是工件夹具俯视图
附图标记如下：
1.计算机；2.直流脉冲电源；3.示波器；4.运动控制器；5.脉冲激光器；6.反射镜；7.聚焦透镜；8.导电玻璃；9.喷嘴；10.节流阀；11.微型泵；12.过滤器；13.工作槽；14.玻璃薄片工件；15.工件夹具；16.导电基板；17.xyz三轴运动平台；18.储液槽；19.电铸工件。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
结合附图1所示，计算机1分别与脉冲激光器5、直流脉冲电源2和运动控制器4相连。通过计算机1可控制脉冲激光器5和直流脉冲电源2的各项工艺参数，同时计算机1也能够用上位机软件来运行刀具路径执行代码，通过运动控制器4来控制xyz三轴运动平台17的运动。
激光由脉冲激光器5发出，经过反射镜6和聚焦透镜7聚焦于玻璃薄片工件14表面，导电玻璃8和喷嘴9构成了喷射电沉积的喷头，其轴心应与激光传输路径同轴以保证激光能从喷嘴9出口穿过而且不被阻挡，且激光聚焦于喷嘴9出口下方0.5mm～2mm处，聚焦后的光斑直径小于30微米。喷嘴9的出口直径为20-50微米，不得遮挡激光束。由于一般金属沉积液为有色溶液，对激光的吸收率高，为达到激光与喷射电沉积更好的复合效果，所以喷头9的高度不大于10毫米。
工作槽13固定在xyz三轴运动平台17上，导电基板16固定在工作槽13底部，工件夹具15固定在导电基板16上，玻璃薄片工件14置于工件夹具15中。工作槽13及其内部其他部件的俯视图结合附图2所示。玻璃薄片工件14的尺寸根据所需零件选择，由于本发明主要针对微细金属零件的制造，所以玻璃薄片工件14的厚度不大于100微米。工件夹具15根据玻璃薄片工件14的尺寸选择。
运动控制器4可以控制微型泵11，储液槽18中的沉积液由微型泵11提供动力，从喷嘴9中喷出，直流脉冲电源2的正极接导电玻璃8，负极接导电基板16，示波器3与直流脉冲电源2连接，实时监测电源参数。直流脉冲电源2正极→导电玻璃8→沉积液→电铸工件19→导电基板16→直流脉冲电源2负极形成回路，使得喷射电沉积能够进行。沉积液从喷嘴9喷出后又经节流阀10和过滤器12回流到储液槽18中。所述的工作槽、节流阀和过滤器，其材料为聚四氟乙烯等耐强酸的高分子材料。微型泵流量为0～10L/min可调，其阀芯耐酸碱腐蚀。
一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的方法，利用激光刻蚀出所需型腔，运用喷射电沉积和激光复合的方法在型腔中填充满金属，层层叠加，最终去除模具得到零件，具体步骤如下：
步骤一)建立三维模型，使用切片软件进行切片生成每一层的运动轨迹及执行代码；
步骤二)将第一片玻璃薄片工件14放入工件夹具15中，储液槽18中倒入沉积液；
步骤三)开启脉冲激光器5；
步骤四)将该层执行代码输入到运动控制器4的控制软件中，运行执行代码，激光按加工轨迹在玻璃薄片工件14上蚀刻出所需图形，作为该层电铸模具，打开微型泵11和直流脉冲电源2，再次运行该层的执行代码，利用激光和喷射电沉积复合在刻蚀出的图形中进行电铸，电铸完成后关闭微型泵11和直流脉冲电源2；
步骤五)第一层完成后放入第二片工件，重复步骤四，直到最后一层；
步骤六)关闭直流脉冲电源2和脉冲激光器5，关闭节流阀10；
步骤七)在工作槽13中倒入BOE蚀刻液浸没整个工件，蚀除剩余的玻璃，进行脱模；
步骤八)清洗所得的金属零件。
本发明具体实施方法如下：
1.根据所需零件进行三维建模，使用切片软件进行切片，切片厚度应与玻璃薄片工件的厚度相一致。切片软件会自动生成每一层的刀具轨迹及执行代码，一般为G代码指令。
2.配制电化学沉积液，根据零件要求配置相应的沉积液。
3.根据零件的大小选择相应的玻璃薄片工件，并进行去油和清洗，将第一片工件放入工件夹具中。
4.开启脉冲激光器，控制xyz三轴运动平台17进行对焦。
5.将执行代码输入到运动控制器4的控制软件中，运行执行代码，每一层的代码将被运行两遍，第一遍关闭微型泵11，激光在玻璃薄片工件蚀刻出所需图形，第二遍，开启微型泵11和直流脉冲电源2，激光和喷射电沉积复合，在刻蚀出的图形中沉积金属，进行电铸，第一层完成后放入第二片工件，重复以上步骤，直到最后一层。
6.关闭直流脉冲电源2和脉冲激光器5，关闭节流阀10，移动工作槽13离开喷头9。
7.在工作槽13中倒入BOE蚀刻液淹没整个工件，BOE蚀刻液的主要成分为氢氟酸和氟化氨，氢氟酸与玻璃反应，反应方程式如下：
SiO2+2H2O→Si(OH)4
Si(OH)4+4HF→SiF4+4H2O
3SiF4+2H2O+2HF→3H2SiF6+H2SiO3
氟化氨则作为缓冲剂使用，氢氟酸不与金属和聚四氟乙烯反应，所以不会腐蚀沉积出的零件和其他工件，等玻璃薄片工件被完全蚀除后取出沉积零件，进行清洗和烘干。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，包括控制系统、加工系统、激光辐照系统和工作液循环系统；
所述控制系统包括计算机(1)和运动控制器(4)；所述计算机(1)分别与脉冲激光器(5)、直流脉冲电源(2)和运动控制器(4)相连，所述运动控制器(4)分别控制xyz三轴运动平台(17)和微型泵(11)；
所述加工系统包括直流脉冲电源(2)、示波器(3)、导电玻璃(8)、喷嘴(9)、工作槽(13)、玻璃薄片工件(14)、工件夹具(15)、导电基板(16)和xyz三轴运动平台(17)；所述直流脉冲电源(2)通过信号线和示波器(3)相连；直流脉冲电源(2)的正极和导电玻璃(8)相连，负极和导电基板(16)相连；所述导电玻璃(8)与喷嘴(9)为一体结构，且喷嘴(9)置于导电玻璃(8)下方；所述工作槽(13)置于xyz三轴运动平台(17)；所述工作槽(13)中设置有导电基板(16)；所述导电基板(16)上固定有工件夹具(15)；所述工件夹具(15)中置有玻璃薄片工件(14)；
所述激光辐照系统包括脉冲激光器(5)、反射镜(6)和聚焦透镜(7)；激光束由脉冲激光器(5)发出，经45°设置的反射镜(6)改变传输方向，通过聚焦透镜(7)聚焦后照射到玻璃薄片工件(14)上；
所述工作液循环系统包括储液槽(18)、微型泵(11)、过滤器(12)和节流阀(10)；所述微型泵(11)输入端通过聚四氟乙烯管道与储液槽(18)相连，输出端通过聚四氟乙烯管道与喷嘴(9)相连；所述节流阀(10)一端与工作槽(13)相连，另一端与过滤器(12)相连，过滤器(12)与储液槽(18)相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的导电玻璃(8)主体材质为高透光学玻璃，下表面涂有耐腐蚀的透明导电薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的喷嘴(9)，其出口直径为20～50微米，轴心方向竖直向下，高度不大于10毫米。
4.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的玻璃薄片工件(14)，其厚度小于100微米。
5.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的工作槽(13)、节流阀(10)和过滤器(12)，其材料为聚四氟乙烯等耐强酸的高分子材料。
6.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的微型泵(11)流量为0～10L/min可调，其阀芯耐酸碱腐蚀。
7.根据权利要求1所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置，其特征在于，所述的激光辐照系统，经反射镜(6)反射后的传输光路与喷嘴(9)同轴，聚焦于喷嘴(9)出口下方0.5mm～2mm处，聚焦后的光斑直径小于30微米。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一)建立三维模型，使用切片软件进行切片生成每一层的运动轨迹及执行代码；
步骤二)将第一片玻璃薄片工件(14)放入工件夹具(15)中，储液槽(18)中倒入沉积液；
步骤三)开启脉冲激光器(5)；
步骤四)将第一片玻璃薄片工件(14)的执行代码输入到运动控制器的控制软件中，运行执行代码，激光在按加工轨迹玻璃薄片(14)上蚀刻出所需图形，作为该层电铸模具，打开微型泵(11)和直流脉冲电源(2)，再次运行该层的执行代码，利用激光和喷射电沉积复合在刻蚀出的图形中进行电铸，电铸完成后关闭微型泵(11)和直流脉冲电源(2)；
步骤五)第一层完成后放入第二片玻璃薄片工件(14)，重复步骤四，直到最后一层；
步骤六)关闭直流脉冲电源(2)和激光器(5)，关闭节流阀(10)；
步骤七)在工作槽(13)中倒入BOE蚀刻液并浸没整个工件，蚀除剩余的玻璃，进行脱模；
步骤八)清洗所得的金属零件。
9.根据权利要求8所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的方法，其特征在于，所述的步骤一中，切片软件切片时的厚度与玻璃薄片工件(14)的厚度相同。
10.根据权利要求8所述的一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的方法，其特征在于，所述的步骤四中，直流脉冲电源(2)电压为0～10V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％。
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