CN111037015A - 一种三维微结构加工方法及三维微结构 - Google Patents

Abstract

本申请属于微细加工技术领域，尤其涉及一种三维微结构加工方法及三维微结构，三维微结构加工方法包括以下步骤：S1：提供待加工三维微结构的模型，设计三维微电极模型；S2：将三维微电极模型分层离散化，获得多层二维微电极模型；S3：对各二维微电极模型的轮廓数据进行筛选；S4：根据各组不同形状的二维微电极模型的轮廓数据，制备队列微电极；S5：在各微电极片上加工至少一个微孔；S6：驱动各微电极片对待加工基体进行微细电解加工。微电极片的横截面尺寸相对较大，抗干扰能力增强。电解液更新条件随着各微电极片逐序加工所形成的微型腔区域的逐步扩大而逐步改善，加工精度和效率均提升，能够实现对高复杂度大深度三维微结构加工。

Description

一种三维微结构加工方法及三维微结构

技术领域

本申请属于微细加工技术领域，尤其涉及一种三维微结构加工方法及三维微结构。

背景技术

微细电解加工得益于其无工具电极损耗、无加工残余应力、无熔凝层影响以及无热影响区影响等诸多优势，广泛应用于航天航空、汽车制造以及医疗器械等诸多领域中的微结构加工制造中。

现有技术中，对于三维微结构，目前的微细电解加工技术通常采用一维微柱状电极进行分层电解铣削加工或三维叠层微电极单向进给加工。然而，一维微柱状电极截面尺寸十分细小，易受电解液流动等干扰而影响其加工精度，三维叠层微电极单向进给加工相当于加工盲孔，随着加工深度的增加，加工间隙内电解液更新会变得愈发困难，对于具有孤岛等复杂结构的微型腔，到达一定的深度位置后，加工甚至难以继续。

申请内容

本申请的目的在于提供一种三维微结构加工方法，旨在解决现有技术中的微细电解加工技术加工微结构存在加工效率低以及难以加工复杂度高的微结构的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种三维微结构加工方法，包括以下步骤：

S1：提供待加工三维微结构的模型，设计三维微电极模型；

S2：将所述三维微电极模型分层离散化，获得多层二维微电极模型；

S3：对各所述二维微电极模型的轮廓数据进行筛选，具有相同轮廓数据的所述二维微电极模型保留一组，以获得多组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据；

S4：根据各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据，制备队列微电极，所述队列微电极具有若干微电极片，各所述微电极片的轮廓分别对应于各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据；

S5：在各所述微电极片上加工至少一个微孔23；

S6：提供驱动机构，将所述队列微电极设置于所述驱动机构的驱动端，所述驱动机构驱动所述队列微电极的各所述微电极片对待加工基体进行逐片往复式微细电解加工，以形成三维微结构。

可选地，所述步骤S4包括：

S41：成型所述队列微电极的基板；

S42：根据各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据，在所述基板的一侧边缘分别成型出对应于各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据的各所述微电极片。

可选地，所述基板和各所述微电极片均为不锈钢箔片、铜箔或非晶态的金属箔。

可选地，所述不锈钢箔片的厚度为20μm～60μm。

可选地，所述步骤S4还包括：

S43：在所述微电极片的相对两侧溅射镀制绝缘膜。

可选地，所述绝缘膜为二氧化硅膜或三氧化二铝膜。

可选地，所述绝缘膜的厚度为2μm～10μm。

可选地，所述微孔23的形状和对应的所述微电极片的轮廓相同。

可选地，所述驱动机构为超精密运动平台，所述超精密运动平台驱动所述队列微电极的各所述微电极片沿X轴、Y轴和/或Z轴方向相对于所述待加工基体进给，以在所述基体上成型三维微结构。

本申请的有益效果：本申请的三维微结构加工方法，通过利用待加工三维微结构的模型设计三维微电极模型，再将三维微电极模型通过分层离散化，获得多层二维微电极模型，如此便实现了三维模型到二维模型的转变，进而筛选所获取的二维模型，实现对不同形状的二维微电极模型的轮廓数据的收集，随后根据所获得的二维微电极模型的轮廓数据，制备出队列微电极，这样队列微电极上便具有对应于各组不同形状的二维微电极模型的轮廓数据的微电极片，通过驱动机构驱动队列微电极在待加工基体上，利用不同轮廓的微电极片，逐片加工、往复式加工，一层层将三维微机构的总轮廓和细微轮廓加工出来，最终形成三维微结构。本申请实施例提供的三维微结构加工方法，其与一维微柱状电极加工方法相比，由于微电极片的横截面尺寸相对较大，抗干扰能力会显著增强，和三维叠层微电极方法相比，由于微电极片上还开设有至少一个微孔23，这样便可促进微电极片两侧的加工间隙内的电解液的快速更新和电解产物的及时排除。如此，电解液更新条件便会随着各微电极片逐序加工所形成的微型腔区域的逐步扩大而逐步改善，加工精度和效率均能够得到大幅提升，能够实现对高复杂度大深度三维微结构进行有效加工。

本申请采用的另一种技术方案是：一种三维微结构，由上述的三维微结构加工方法加工制得。

本申请实施例提供的三维微结构，通过由上述的三维微结构加工方法加工而成，这样三维微结构的加工效率便得到了显著提升，同时，由于三维微结构由若干二维的微电极片加工而成，这样二维微电极片能够深入基体实现对三维微结构的加工，这样也使得加工形成的三维微结构能够具有大深度和较高的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的三维微结构加工方法的工艺流程图；

图2为图1中步骤S4的进一步工艺流程图；

图3为本申请实施例提供的三维微电极模型和队列微电极的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的三维微结构和待加工基体的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的待加工基体和队列微电极的配合示意图；

图6为本申请实施例提供的带有单个方孔的队列微电极结构示意图；

图7为本申请实施例提供的带有单个随形孔的队列微电极结构示意图；

图8为本申请实施例提供的带有3个方孔的队列微电极结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10—三维微电极模型 11—二维微电极模型 20—队列微电极

21—基板 22—微电极片 23—微孔

24—绝缘膜 30—三维微结构 40—待加工基体。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～8描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1～3所示，本申请实施例提供了一种三维微结构加工方法，包括以下步骤：

S1：提供待加工三维微结构30的模型，设计三维微电极模型10；具体地，三维微电极模型10在设计时，需要在考虑到电解加工间隙和斜度后，方可对三维微电极模型10进行设计。

S2：将三维微电极模型10分层离散化，获得多层二维微电极模型11；

S3：对各二维微电极模型11的轮廓数据进行筛选，具有相同轮廓数据的二维微电极模型11保留一组，以获得多组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据；

S4：根据各组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据，制备队列微电极20，队列微电极20具有若干微电极片22，各微电极片22的轮廓分别对应于各组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据；具体地，队列微电极20可在电火花线切割机上实现切割成型。

S5：在各微电极片22上加工至少一个微孔23；

S6：提供驱动机构，将队列微电极20设置于驱动机构的驱动端，驱动机构驱动队列微电极20的各微电极片22对待加工基体40进行逐片往复式微细电解加工，以形成三维微结构30。

以下对本申请的三维微结构加工方法作进一步说明：本申请实施例提供的三维微结构加工方法，通过利用待加工三维微结构30的模型设计三维微电极模型10，再将三维微电极模型10通过分层离散化，获得多层二维微电极模型11，如此便实现了三维模型到二维模型的转变，进而筛选所获取的二维模型，实现对不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据的收集，随后根据所获得的二维微电极模型11的轮廓数据，制备出队列微电极20，这样队列微电极20上便具有对应于各组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据的微电极片22，通过驱动机构驱动队列微电极20在待加工基体40上，利用不同轮廓的微电极片22，逐片加工、往复式加工，一层层将三维微机构的总轮廓和细微轮廓加工出来，最终形成三维微结构30。本申请实施例提供的三维微结构加工方法，其与一维微柱状电极加工方法相比，由于微电极片22的横截面尺寸相对较大，抗干扰能力会显著增强，和三维叠层微电极方法相比，由于微电极片22上还开设有至少一个微孔23，这样便可促进微电极片22两侧的加工间隙内的电解液的快速更新和电解产物的及时排除。如此，电解液更新条件便会随着各微电极片22逐序加工所形成的微型腔区域的逐步扩大而逐步改善(当前一片微电极片22加工完毕后，从后一片微电极片22开始，由于一个相的邻微型腔区域已加工敞开，电解液更新条件得到显著改善)，加工精度和效率均能够得到大幅提升，能够实现对高复杂度大深度三维微结构30进行有效加工。

在本申请的另一些实施例中，如图2所示，步骤S4包括：

S41：成型队列微电极20的基板21；

S42：根据各组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据，在基板21的一侧边缘分别成型出对应于各组不同形状的二维微电极模型11的轮廓数据的各微电极片22。具体地，步骤S4在实施时，首先应成型队列微电极20的基板21，然后再根据各轮廓数据在基板21边缘成型出各微电极片22。而当利用线切割机成型队列微电极20时，则可根据设定好的程序一次性成型基板21和各微电极片22。

在本申请的另一些实施例中，基板21和各微电极片22均为不锈钢箔片、铜箔或非晶态的金属箔。具体地，不锈钢箔片优选为含镍奥氏体不锈钢(比如牌号为253MA或Cr21-Ni11等)箔片，如此可保证基板21和各微电极片22的抗蠕变性能和抗腐蚀性能。

在本申请的另一些实施例中，不锈钢箔片的厚度为20μm～60μm。具体地，不锈钢箔片的厚度可为20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm、51μm、52μm、53μm、54μm、55μm、56μm、57μm、58μm、59μm或60μm。通过将不锈钢箔片的厚度设定为20μm～60μm，这样一方面保证了基板21和各微电极片22的强度，避免各微电极片22发生蚀穿等现象，另一方面也使得各微电极片22足够薄，进而提升各微电极片22的加工精度。可选地，不锈钢箔片的厚度优选为50μm。

在本申请的另一些实施例中，如图2所示，步骤S4还包括：

S43：在微电极片22的相对两侧溅射镀制绝缘膜24。具体地，通过在微电极片22的相对两侧溅射镀制绝缘膜24，这样既形成了对微电极片22周围电场的有效约束，抑制了杂散电流。

在本申请的另一些实施例中，绝缘膜24为二氧化硅膜或三氧化二铝膜。具体地，通过将绝缘膜24设定为二氧化硅膜或三氧化二铝膜。这样绝缘膜24的介电常数能够达到1.5～1.8，进而实现对微电极片22相对两侧的有效绝缘保护。

在本申请的另一些实施例中，绝缘膜24的厚度为2μm～10μm。当绝缘膜为铜箔或非晶态金属膜时，厚度可为20μm～60μm。具体地，绝缘膜24的厚度可为2μm、2.5μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm、5.0μm、5.5μm、5.5μm、6.0μm、6.5μm、7.0μm、7.5μm、8.0μm、8.5μm、9.0μm、9.5μm或10.0μm。通过将绝缘膜24的厚度设定在2μm～10μm之间，这样便能够有效实现对微电极片22周围电场的有效约束，抑制杂散电流。

在本申请的另一些实施例中，绝缘膜24的厚度为3μm。具体地，通过将绝缘膜24的厚度设定为3μm，这样一方面能够有效实现对微电极片22周围电场的有效约束，抑制杂散电流，另一方面也有效避免了电解液对微电极片22相对两侧的腐蚀，进而显著延长了微电极片22的有效工作时间。

在本申请的另一些实施例中，如图6～8所示，微孔23的形状和对应的微电极片22的轮廓相同(即微孔23为随形孔)，且微孔23的数量可以是一个也可以是多个。具体地，通过使得微孔23的形状和对应的微电极片22的轮廓保持相同，这便相当于微孔23的形状能够针对电解液在微电极片22轮廓的各个位置处的流动情况而确定，进而使得电解液能够更为顺畅和高效地流通过微孔23，也使得加工产生的电解产物能够更为快速地通过微孔23并排出于外界。

可选地，微孔23的边缘处可溅射涂覆有纯镍等抗腐蚀材料，以保证微电极片处于微孔23处的组织的腐蚀速率较低，避免了腐蚀裂纹的产生，保证了微孔23处的结构完整性。

在本申请的另一些实施例中，驱动机构为超精密运动平台，超精密运动平台驱动队列微电极20的各微电极片22沿X轴、Y轴和/或Z轴方向相对于待加工基体40进给，以在基体上成型三维微结构30。具体地，通过利用超精密运动平台驱动队列微电极20运动，这样便能够实现队列微电极20相对于基体的精密运动，进而在基体表面实现三维微结构30的精密加工。

如图3～5所示，队列微电极20的三个微电极片22分别对应三维微电极模型10的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置，在基体上加工时，微电极片22可沿着基体从上至下、从下至上或从中间到两边，在基体的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置，采用对应的微电极片22进行加工。

本申请实施例还提供了一种三维微结构30，由上述的三维微结构加工方法加工制得。

本申请实施例提供的三维微结构30，通过由上述的三维微结构加工方法加工而成，这样三维微结构30的加工效率便得到了显著提升，同时，由于三维微结构30由若干二维的微电极片22加工而成，这样二维微电极片22能够深入基体实现对三维微结构30的加工，这样也使得加工形成的三维微结构30能够具有较高的复杂度。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维微结构加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：提供待加工三维微结构的模型，设计三维微电极模型；

S2：将所述三维微电极模型分层离散化，获得多层二维微电极模型；

S3：对各所述二维微电极模型的轮廓数据进行筛选，具有相同轮廓数据的所述二维微电极模型保留一组，以获得多组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据；

S4：根据各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据，制备队列微电极，所述队列微电极具有若干微电极片，各所述微电极片的轮廓分别对应于各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据；

S5：在各所述微电极片上加工至少一个微孔23；

S6：提供驱动机构，将所述队列微电极设置于所述驱动机构的驱动端，所述驱动机构驱动所述队列微电极的各所述微电极片对待加工基体进行逐片往复式微细电解加工，以形成三维微结构。

2.根据权利要求1所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

S41：成型所述队列微电极的基板；

S42：根据各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据，在所述基板的一侧边缘分别成型出对应于各组不同形状的所述二维微电极模型的轮廓数据的各所述微电极片。

3.根据权利要求2所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述基板和各所述微电极片均为不锈钢箔片、铜箔或非晶态的金属箔。

4.根据权利要求3所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述不锈钢箔片的厚度为20μm～60μm。

5.根据权利要求1所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述步骤S4还包括：

S43：在所述微电极片的相对两侧溅射镀制绝缘膜。

6.根据权利要求5所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述绝缘膜为二氧化硅膜或三氧化二铝膜。

7.根据权利要求5所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述绝缘膜的厚度为2μm～10μm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述微孔23的形状和对应的所述微电极片的轮廓相同。

9.根据权利要求1～7任一项所述的三维微结构加工方法，其特征在于：所述驱动机构为超精密运动平台，所述超精密运动平台驱动所述队列微电极的各所述微电极片沿X轴、Y轴和/或Z轴方向相对于所述待加工基体进给，以在所述基体上成型三维微结构。

10.一种三维微结构，其特征在于：由权利要求1～9任一项所述的三维微结构加工方法加工制得。

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