CN111748829A - 三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属增材制造领域，涉及一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法。本发明的金属微增材制造过程包含若干周期，每个周期内分为三个节拍：金属离子源电沉积、外部离子水溶液更新以及微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测，制造过程中三个节拍独立工作和脉动切换，分别起到了金属生长、扩散金属离子清除、金属生长监测的作用。其中，金属离子源电沉积是在外部离子溶液中被极化的阴极表面构造金属离子源进行金属电沉积，外部离子水溶液更新能够及时清除电沉积阶段扩散的金属离子，抑制金属离子长距离、大范围扩散造成的金属杂散沉积，提高微结构件尺寸精度和表面质量，而独立的监测回路电流检测提高金属生长监测的正确性和稳定性，提升对微增材制造过程的控制能力，实现金属三维微结构的精密增材制造。

Description

三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法
技术领域
本发明属于金属增材制造领域，涉及一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法。
背景技术
最小特征尺寸低于100μm的微尺度金属三维零件广泛应用于微机电系统、光学系统、电子信息系统等精密系统，如微电机组件、微纳芯片立体电路、高深宽比窄槽光栅结构、微纳金属网格传感器等零件。这些微尺度金属零件具有尺寸小、结构复杂、质量和精度要求高等特点，制造难度极大，已成为上述诸多精密系统发展的技术瓶颈。因此，设计和制造各种复杂构型的微尺度金属三维零件一直是国内外的研究热点。到目前为止，微尺度金属三维零件制造方法多是基于掩膜电沉积的微纳制造方法，如LIGA技术、UV-LIGA技术、EFAB技术等。这些技术制造的金属零件尺寸精度高、表面质量好，但它们本质上还是属于二维制造方法，对大部分真三维微小零件的制造无能为力。
近些年，一系列金属微增材制造方法相继问世，如金属三维直写技术、电流体动力打印技术、聚焦电子束或离子束诱导沉积技术等，这些金属微增材制造方法具备了高分辨率制造微尺度复杂三维金属零件的能力，且零件具有较好的尺寸精度和表面质量，但它们原材料会采用有机溶液胶粘剂或有机金属化合物，因此制备金属材料通常含有机成分，纯度和致密度有待提高，无法满足对金属微结构件力学、电学、热学等性能要求较高的场合。
金属电沉积是金属离子被还原为金属原子并逐层堆积的过程，可用于实现金属微增材制造，并能制备获得具有较高纯度和致密度的金属材料。典型技术是月牙形电解液约束三维电沉积成形技术（MCED），可以制备出简单形状的空间线柱结构，线柱的尺寸精度和表面质量较高，但是该技术中成形复杂金属三维微纳结构存在挑战。液基金属离子源电沉积技术，如FluidFM电沉积技术和SICM电沉积技术，可以制备获得一系列复杂三维微结构，是目前极具潜力的金属微增材制造方法之一，但由于液基金属离子源电沉积过程中，金属离子在外部离子水溶液中的扩散不受限制，金属离子易扩散至打印结构周围任何区域，引起金属离子在结构已打印区的积聚，导致制造过程存在严重的杂散沉积，降低了金属结构的尺寸精度和表面质量。
发明内容
本发明一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，该技术用于液基金属离子源电沉积过程及时清除扩散金属离子，抑制制造过程存在杂散沉积，提高结构尺寸精度和表面质量。
一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、将所需微结构件根据尺寸特征分成若干体素；步骤2、在单个体素内，微增材制造过程包含若干周期，每个周期内分为以下三个节拍，制造过程中三个节拍独立工作和脉动切换；步骤2-1、首先开始金属离子源电沉积步骤，在这个步骤中基体电压为负，外部离子水溶液静止，微纳米移液管内受压供给金属离子液进行电沉积生长金属材料；步骤2-2、金属离子源电沉积步骤结束后，进入外部离子水溶液更新步骤，在这个步骤中基体电压和微纳米移液管内压力都为零，外部离子水溶液流动清除金属离子源电沉积时的扩散金属离子；步骤2-3、外部离子水溶液更新步骤结束后，进行微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测，监测体素内金属生长情况，若监测显示体素内金属未与移液管接触，则继续在该体素内进行下一个周期的增材制造，若体素内金属与移液管接触，则微纳米移液管移动至下一个体素点进行增材制造，直到微结构件的所有体素成形完毕。
所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，步骤1中体素的尺寸特征为:体素长度和宽度尺寸范围为1μm~2μm，体素的高度在0μm ~0.5μm。
所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，述步骤2-1中金属离子源电沉积步骤的具体过程为：采用直径为50nm~2μm的微纳米玻璃移液管在浸没于外部离子溶液中的极化阴极基体表面受压挤出金属离子溶液构造金属离子源，金属离子电沉积制备金属层，阴极电压由金属离子电沉积特性决定，管内压力在10mbar~1000mbar内并由金属离子溶液粘度决定。
所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，步骤2-1中金属离子源电沉积步骤中金属材料可以为铜、镍、金等纯金属材料，可以为铁镍合金、锡铅合金等晶态合金材料，也可以为镍磷合金、铁镍铬合金等非晶态合金材料。
所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法， 步骤2-2外部离子溶液更新步骤，具体过程为：沉积金属位于外部离子溶液进出口连线的中心位置，进出口长宽高均大于所需制备的金属结构尺寸，以保证微结构件周围所有区域扩散金属离子及时去除，在外部离子溶液循环回路中，采用离子交换膜对外部离子溶液中的金属离子进行过滤。
所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，步骤2-3微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测步骤，具体过程为：微纳米玻璃移液管内金属离子溶液体和外部离子溶液中分别放置阳极和阴极，同时接入电流表，建立微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路，监测回路独立于电沉积回路；微纳米移液管口与沉积金属的初始间隙设置为体素的高度，当体素内金属与微纳米移液管口接触，管口离子运动通量减小，监测回路电流下降，给系统提示体素内金属生长完成，移液管移动至下一个体素生长点，间隙为体素高度。
本发明旨在及时清除液基金属离子源电沉积过程的扩散金属离子，从而抑制杂散沉积，提高微结构件的尺寸精度和表面质量。
本发明的有益结果：提出三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造技术，制造过程中金属离子源电沉积、外部离子水溶液更新以及微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测三个节拍独立工作和脉动切换，独立的外部离子水溶液更新能够及时清除扩散金属离子，而独立的监测回路电流检测能够提高电流检测的正确性和稳定性，因此可以提高微结构件的尺寸精度和表面质量，实现金属三维微结构的精密增材制造。
附图说明
图1：三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造过程示意；其中（1）代表金属离子源电沉积 ；（2）代表外部离子水溶液更新；（3）代表监测回路电流检测；
图2：微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路监测金属生长的原理示意图；
图中标号名称，1-基体，2-电沉积金属层，3-外部离子溶液，4-微纳米玻璃移液管，5-金属离子溶液，6-监测回路阳极，7-电流表，8-监测回路阴极。
具体实施方式：
本发明专利一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，结合图1与图2对本发明的具体实施过程做详细介绍：
步骤1、将所需微结构件根据尺寸特征分成若干体素，体素的长度和宽度尺寸范围为1μm~2μm，体素的高度在0μm ~0.5μm；
步骤2、如图1所示，在单个体素内，增材制造首先开始金属离子源电沉积步骤，在这个步骤中基体1电压为负，电压大小由金属离子沉积特性决定，外部离子水溶液3静止，微纳米移液管4内受压供给金属离子进行电沉积生长金属材料2，压力在10mbar~1000mbar之间，由金属离子溶液的粘度决定；
步骤3、金属离子源电沉积步骤结束后，进入外部离子水溶液更新步骤，在这个步骤中基体1电压和微纳米移液管4内压力都为零，外部离子水溶液3流动清除金属离子源电沉积时的扩散金属离子；
步骤4、外部离子水溶液更新步骤结束后，进行微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测，监测体素内金属生长2情况，若监测显示体素内金属未与移液管接触，则继续在该体素内进行下一个周期的增材制造，若体素内金属与移液管接触，则微纳米移液管移动至下一个体素点进行增材制造，直到微结构件的所有体素成形完毕。
本发明微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测步骤中，微纳米玻璃移液管内金属离子溶液体和外部离子溶液中分别放置阳极6和阴极8，同时接入电流表7，建立微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路，监测回路独立于电沉积回路。当体素内金属与微纳米移液管口接触，管口离子运动通量减小，监测回路电流下降，给系统提示体素内金属生长完成。

Claims (6)

1.一种三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、将所需微结构件根据尺寸特征分成若干体素；
步骤2、在单个体素内，微增材制造过程包含若干周期，每个周期内分为以下三个节拍，制造过程中三个节拍独立工作和脉动切换；
步骤2-1、首先开始金属离子源电沉积步骤，在这个步骤中基体（1）电压为负，外部离子水溶液（3）静止，微纳米移液管（4）内受压供给金属离子液（5）进行电沉积生长金属材料（2）；
步骤2-2、金属离子源电沉积步骤结束后，进入外部离子水溶液（3）更新步骤，在这个步骤中基体（1）电压和微纳米移液管（4）内压力都为零，外部离子水溶液（3）流动清除金属离子源电沉积时的扩散金属离子；
步骤2-3、外部离子水溶液更新步骤结束后，进行微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测，监测体素内金属（2）生长情况，若监测显示体素内金属未与移液管接触，则继续在该体素内进行下一个周期的增材制造，若体素内金属与移液管接触，则微纳米移液管移动至下一个体素点进行增材制造，直到微结构件的所有体素成形完毕。
2.根据权利要求1所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于：
所述步骤1中体素，其尺寸特征为:
体素长度和宽度尺寸范围为1μm~2μm，体素的高度在0μm ~0.5μm。
3.根据权利要求1所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于：
所述步骤2-1中金属离子源电沉积步骤，具体过程为：
采用直径为50nm~2μm的微纳米玻璃移液管（4）在浸没于外部离子溶液（3）中的极化阴极基体（1）表面受压挤出金属离子溶液构造金属离子源，金属离子电沉积制备金属层（2），阴极电压由金属离子电沉积特性决定，管内压力在10mbar~1000mbar内并由金属离子溶液粘度决定。
4.根据权利要求1所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于：
所述步骤2-1中金属离子源电沉积步骤中金属材料为纯金属材料，或晶态合金材料，或非晶态合金材料。
5.根据权利要求1所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于：
所述步骤2-2外部离子溶液更新步骤，具体过程为：
沉积金属（1）位于外部离子溶液（3）进出口连线的中心位置，进出口长宽高均大于所需制备的金属结构尺寸，在外部离子溶液循环回路中，采用离子交换膜对外部离子溶液中的金属离子进行过滤。
6.根据权利要求1所述的三节拍式液基金属离子源电沉积微增材制造方法，其特征在于：
所述步骤2-3微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路电流检测步骤，具体过程为：
微纳米玻璃移液管内金属离子溶液体和外部离子溶液中分别放置阳极（6）和阴极（8），同时接入电流表（7），建立微纳米移液管口与沉积金属间隙监测回路，监测回路独立于电沉积回路；微纳米移液管口与沉积金属的初始间隙设置为体素的高度，当体素内金属与微纳米移液管口接触，管口离子运动通量减小，监测回路电流下降，给系统提示体素内金属生长完成，移液管移动至下一个体素生长点，间隙为体素高度。
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