CN112779567B - 微细加工工具制备装置及方法、原位增材减材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微细加工工具制备装置及方法、增材减材制造方法，其中，装置包括中空夹头、针管、直流电源、基板和电解液槽；中空夹头的进液端连接有蠕动泵，中空夹头的夹持端连接针管的进液口，针管的出液口面向基板的喷液面；基板还连接有驱动机构；直流电源的两极分别连接针管和基板；蠕动泵，与电解液槽连接，用于泵出电解液槽中的电解液，电解液流经中空夹头和针管喷射至基板的喷液面；针管，用于在开启蠕动泵和直流电源时，沉积流经的电解液形成微细加工工具。可见，利用针管沉积电解液中的金属离子，使得针管内径减小，得到更精细的管状电极。利用该微细加工工具进行增材减材加工，能够形成更精细的微结构，提高增材减材制造的精度。

Description

微细加工工具制备装置及方法、原位增材减材制造方法

技术领域

本发明涉及微细加工技术领域，特别是涉及一种微细加工工具制备装置及方法、利用该微细加工工具制备装置的原位增材减材制造方法。

背景技术

高科技产品智能化、功能集成化、微型化发展依赖具有复杂微结构的高集成度封装微器件，实现微感知、微测量、微控制、微驱动等功能。为了满足特殊的使用环境，或者为了提高性能，或者为了具备特定的性能，高科技产品微系统器件通常涉及到具有空间三维复杂结构、耐蚀、耐高温、高弹性的特殊材料和表面光滑、无变质层和多余物等特殊要求。而且，器件微结构特征尺寸的进一步减小，结构复杂度和加工精度的进一步提高，对微细加工技术提出了新的要求和挑战。因此，具有复杂微结构的微系统器件是高科技产品升级/跨越发展的重要支撑技术。

电化学制造，依据电化学阳极溶解和阴极沉积原理，在电场作用下金属原子发生氧化反应生成离子或者阳离子发生还原反应生成原子，以近似原子单位的量级逐层去除/堆积形成微结构，理论上可制造出纳米特征尺寸尺度的任意形状微结构器件。该方法具有适用材料广泛、组织-形貌-性能可控、应用形式灵活等特点，是极具优势的微细加工方法。电化学制造技术已经在三维微结构制造方面表现出极大的潜能，但加工精度和沉积层质量仍难以满足微系统器件日益提高的加工需求。

近些年，国内外研究机构对微细电化学增/减材制造技术开展了大量研究探索，期望以其独特原理优势解决三维复杂微结构制造难题。为了实现自由的三维结构电沉积，国外研究人员于1996年提出一种无掩膜局域生长三维电沉积技术(LECD)，利用不溶性材料的针状工具作为阳极，计算机控制三维位移平台带动微细电极在电铸液中按预定轨迹低速进给，诱导金属离子按指定方向沉积成形，将电化学反应限定在微小区域内，制造出空间三维微细结构。该方法采用直径100μm的铂丝电极沉积出微弹簧，弹簧表面存在明显的孔隙且沉积速度很慢。为提高沉积速度，国外学者将高速喷射引入LECD，用管状电极代替LECD实心微电极，喷管电极与阴极之间距离很小，电铸液从喷管电极持续喷出，通过调整电极间距、电铸液流量和电流密度等工艺参数可改变“打印”图案的分辨率。国外研究人员还开展了激光辅助高速沉积研究，最高速度可达50μm/s。上述方法虽提高了沉积速度，但因受限于管状电极的出液口直径，沉积的微结构尺寸较大。为了能够制造出尺寸较小的沉积微细结构，亟需设计一种更加精细的管状电极。

因此，本发明提供了一种微细加工工具制备装置及方法、利用该微细加工工具制备装置的原位增材减材制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种微细加工工具制备装置及方法、利用该微细加工工具制备装置的原位增材减材制造方法，借助一定流速电解液射流及水跃现象，制备微尺度金属管状工具电极，并将该电极用于原位电化学增材减材制造，提高加工精度和加工最小尺度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种微细加工工具制备装置，包括中空夹头、针管、直流电源、基板和电解液槽；

所述中空夹头的进液端连接有蠕动泵，所述中空夹头的夹持端连接所述针管的进液口，所述针管的出液口朝向所述基板的喷液面；所述基板的与喷液面相对的面连接有驱动机构，所述驱动机构用于控制所述基板的运动轨迹；

所述直流电源的两极分别连接所述针管和所述基板；

所述蠕动泵，与所述电解液槽连接，用于泵出所述电解液槽中的电解液，泵出的电解液流经所述中空夹头和所述针管喷射至所述基板的喷液面上；

所述针管，用于在开启所述蠕动泵和所述直流电源的情况下，沉积流经的电解液中的金属离子形成微细加工工具。

本发明还提供了一种微细加工工具制备方法，包括：

步骤1：将针管设置为待加工金属针管；将电解液槽中的电解液设置为工具制备电解液；

步骤2：利用驱动机构调整基板与所述待加工金属针管之间的距离至第一设定距离；

步骤3：打开蠕动泵，将所述电解液槽中的电解液由所述待加工金属针管喷射至所述基板；

步骤4：将直流电源的负极连接所述待加工金属针管，所述直流电源的正极连接所述基板；

步骤5：开启所述直流电源，在预设时间段内，所述待加工金属针管端部及内壁沉积所述电解液槽中的电解液中的金属离子，得到沉积后的金属针管，关闭所述直流电源和所述蠕动泵；

步骤6：清洗所述沉积后的金属针管，将清洗后的所述沉积后的金属针管作为所述待加工金属针管，替换所述工具制备电解液为沉积保护金属层用电解液；重复步骤2至步骤5，得到含有保护金属层的沉积金属针管，即得到微细加工工具。

本发明还提供了一种原位电化学增材制造方法，包括：

将针管设置为微细加工工具；将电解液槽中的电解液设置为增材制造电解液；

利用驱动机构调整基板与所述微细加工工具的距离至第二设定距离；

打开蠕动泵，将所述增材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板；

将直流电源的正极连接所述微细加工工具，所述直流电源的负极连接所述基板；

开启所述直流电源，所述增材制造电解液中的金属离子在所述基板表面沉积；

控制所述驱动机构带动所述基板按照第一设定轨迹运动，在所述基板表面形成预设形状的金属微结构。

本发明还提供了一种原位电化学减材制造方法，包括：

将针管设置为微细加工工具；将电解液槽中的电解液设置为减材制造电解液；

利用驱动机构调整基板与所述微细加工工具的距离至第三设定距离；所述基板表面沉积有金属微细结构；

打开蠕动泵，将所述减材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板；

将直流电源的负极连接所述微细加工工具，所述直流电源的正极连接所述基板；

开启所述直流电源，所述基板沉积的金属微细结构表面发生电解；

控制所述驱动机构带动所述基板按照第二设定轨迹运动，在所述基板表面形成修正后的金属微结构。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种微细加工工具制备装置及方法，利用该微细加工工具制备装置的增材减材制造方法，其中，微细加工工具制备装置，包括中空夹头、针管、直流电源、基板和电解液槽；中空夹头的进液端连接有蠕动泵，中空夹头的夹持端连接针管的进液口，针管的出液口面向基板的喷液面；基板的与喷液面相对的面连接有驱动机构，驱动机构用于控制基板的运动轨迹；直流电源的两极分别连接针管和基板；蠕动泵，与电解液槽连接，用于泵出电解液槽中的电解液，泵出的电解液流经中空夹头和针管喷射至基板的喷液面上；针管，用于在开启蠕动泵和直流电源的情况下，沉积流经的电解液中的金属离子形成微细加工工具。可见，在针管中流经电解液的同时在针管端部和内壁形成沉积层和保护层，使得针管的内径减小，从而制备出出液口直径较小的管状电极，即微细加工工具，实现了更精细管状电极的制备。由针管进行微细加工工具制备，也降低了制备成本。

另外，利用同一个微细加工工具制造装置，不仅仅能够实现微细加工工具(管状电极)制备，还能通过改变正负极以及电解液，进行原位电化学增材减材加工，显然，利用同一装置能够实现不同的实验操作，提高了装置的利用效率。

除此之外，由于制备的微细加工工具的出液口直径小，利用该微细加工工具进行增材减材制造时，能够在基板上形成更精细的微结构，提高微结构的柔性，也提高了增材减材制造的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例1中提供的一种微细加工工具制备装置结构示意图；

图2为本发明实施例2中一种微细加工工具制备方法流程图；

图3为本发明实施例3中一种原位电化学增材制造方法流程图；

图4为本发明实施例4中一种原位电化学减材制造方法流程图；

符号说明：

1：蠕动泵；2：中空夹头；3：针管；4：基板；5：电解液槽；6：直流电源；7：驱动机构；8：第一支撑架；9：第二支撑架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种微细加工工具制备装置及方法、利用该微细加工工具制备装置的原位增材减材制造方法，借助一定流速电解液射流及水跃现象，制备微尺度金属管状工具电极，并将该电极用于原位电化学增材减材制造，提高加工精度和加工最小尺度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种微细加工工具制备装置，包括中空夹头2、针管3、基板4、电解液槽5和直流电源6；

其中，中空夹头2的进液端连接有蠕动泵1，中空夹头2的夹持端连接针管3的进液口，针管3的出液口朝向基板4的喷液面；基板4的与喷液面相对的面连接有驱动机构7，驱动机构7用于控制基板4的运动轨迹；

直流电源6的两极分别连接所述针管3和所述基板4；为了能够利用该装置实现微细加工工件的制备，一般选择将直流电源6的负极连接针管3，直流电源6的正极连接基板4；

为了保证基板4能够传导电流，需要基板4采用导电金属材料；

蠕动泵1，与电解液槽5连接，用于泵出所述电解液槽5中的电解液，泵出的电解液流经所述中空夹头2和所述针管3喷射至所述基板4的喷液面上；

为了能够使得装置的结构简单，可以选择将电解液槽5设置于针管3与基板4喷射区间的下方，这样既可以提供用于沉积的电解液，也可以承接从基板4上掉落的电解液。当然为了保证电解液的质量，也可以将电解液槽5设置于装置的其他位置，根据需要设定电解液槽5的位置。

若将电解液槽5设置于针管3与基板4喷射区间的下方时，则需要设置一个用于支撑中空夹头2的第一支撑架8，中空夹头2的高度大于电解液槽5的高度，这样才能够保证流经中空夹头2和针管3的电解液喷射至基板4上。

针管3，用于在开启所述蠕动泵1和所述直流电源6的情况下，沉积流经的电解液中的金属离子形成微细加工工具。

另外，为了保证流经中空夹头2和针管3的电解液能够喷射至基板4上，则需要能够调整针管3和基板4之间的距离，当针管3距离基板4的距离不足以使电解液喷射至基板4上，则需要调整基板4的位置，所以还需要设置一个驱动机构7，驱动机构7利用运动轴与基板4连接；针对该驱动机构7还可以设置一个用于固定支撑驱动机构7的第一支撑架9。

本实施例，该装置仅涉及到蠕动泵1、中空夹头2、针管3、直流电源6、基板4和电解液槽5这些结构，使得装置结构简单；在开启蠕动泵1和直流电源6的情况下，能够使得电解液在针管3中沉积，从而制备出内径较小的管状电极，实现了更精细管状电极的制备。另外，选用针管3作为制备微细加工工具的基体，制备成本低。

实施例2

图2示出了一种微细加工工具制备方法，包括：

步骤R1：将针管3设置为待加工金属针管；将电解液槽5中的电解液设置为工具制备电解液；

步骤R2：利用驱动机构7调整基板4与所述待加工金属针管之间的距离至第一设定距离；

可以根据实际需求选择第一设定距离为0.1mm-0.3mm，第一设定距离主要是为了保证电解液槽5中的电解液由金属针管喷射至基板4，所以可以根据蠕动泵1的动力大小选择基板4与金属针管之间的设定距离；

步骤R3：打开蠕动泵1，将所述电解液槽5中的电解液由所述待加工金属针管喷射至所述基板4；

此时在基板4的表面形成液膜，该液膜的作用是增加电化学反应中电流传导速度；

步骤R4：将直流电源6的负极连接所述待加工金属针管，所述直流电源6的正极连接所述基板4；

步骤R5：开启所述直流电源6，在预设时间段内，所述待加工金属针管端部及内壁沉积所述电解液槽5中的电解液中的金属离子，得到沉积后的金属针管，关闭所述直流电源6和所述蠕动泵1；

需要说明的是，一般选择沉积时间为5-15分钟，并且该步骤沉积的金属层是铜或者镍，所以该制备过程中基板4可以选用为铜板或者镍板。

步骤R6：清洗所述沉积后的金属针管，将清洗后的所述沉积后的金属针管作为所述待加工金属针管，替换所述工具制备电解液为沉积保护金属层用电解液；重复步骤R2至步骤R5，得到含有保护金属层的沉积金属针管，即得到微细加工工具。

该步骤中，清洗沉积后的金属针管，可以是将金属针管取下，用去离子清洗金属针管中残余电解液，再将其安装在中空夹头2的夹持端。另外，沉积的保护金属层的过程中，可以选择的沉积的保护金属层为铂或者金，所以沉积的保护金属层之前可以将基板4替换成钛板。最终制备出的微细工具的孔径可以达到20微米，精细度非常高。

本实施例中，借助一定流速电解液射流及水跃现象，同时借助直流电源6，使得电解液在金属针管内沉积，并且沉积时间仅有5-15分钟，便可以制备出内径为20微米的微细加工工具，不仅制备精度高，制备效率也很高。

实施例3

如图3所示，本实施例提供了一种原位电化学增材制造方法，包括：

步骤S1：将针管3设置为微细加工工具；将电解液槽5中的电解液设置为增材制造电解液；

步骤S2：利用驱动机构7调整基板4与所述微细加工工具的距离至第二设定距离；

可以根据实际需求选择第二设定距离为0.1mm-0.3mm，第二设定距离主要是为了保证电解液槽5中的电解液由金属针管喷射至基板4，所以可以根据蠕动泵1的动力大小选择基板4与金属针管之间的设定距离；

步骤S3：打开蠕动泵1，将所述增材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板4；

步骤S4：将直流电源6的正极连接所述微细加工工具，所述直流电源6的负极连接所述基板4；

步骤S5：开启所述直流电源6，所述增材制造电解液中的金属离子在所述基板4表面沉积；

步骤S6：控制所述驱动机构7带动所述基板4按照第一设定轨迹运动，在所述基板4表面形成预设形状的金属微结构。金属微结构通常为铜、镍材料。

该步骤完成后，需要用去离子冲洗基板4和微细加工工具中残余的电解液。

实施例4

如图4所示，本实施例提供了一种原位电化学减材制造方法，包括：

步骤T1：将针管3设置为微细加工工具；将电解液槽5中的电解液设置为减材制造电解液；

减材制造电解液一般选择硝酸钠溶液、氯化钠溶液、稀硫酸溶液或稀盐酸溶液中的任意一种；

步骤T2：利用驱动机构7调整基板4与所述微细加工工具的距离至第三设定距离；所述基板4表面沉积有金属微细结构；基板4表面沉积的微结构通常为铁、镍金属结构；

可以根据实际需求选择第三设定距离为0.1mm-0.3mm，第三设定距离主要是为了保证电解液槽5中的电解液由金属针管喷射至基板4，所以可以根据蠕动泵1的动力大小选择基板4与金属针管之间的设定距离；

步骤T3：打开蠕动泵1，将所述减材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板4；

步骤T4：将直流电源6的负极连接所述微细加工工具，所述直流电源6的正极连接所述基板4；

步骤T5：开启所述直流电源6，所述基板4上沉积的金属微结构表面发生电解；

步骤T6：控制所述驱动机构7带动所述基板4按照第二设定轨迹运动，在所述基板4表面形成修正后的金属微结构。

需要说明的是，利用微细加工制备装置，仅需要将针管3替换为微细加工工具，更换所需的电解液，就能实现电化学增材减材制造，而且，微细加工工具的内径非常精细，利用其进行增材减材制造时，能够得到更精细的微结构。同时还利用驱动机构7带动基板4运动，从而能够制备出预期形状的微结构，适用范围广。另外，利用同一个微细加工工具制造装置，不仅仅能够实现微细加工工具(管状电极)制备，还能通过改变正负极以及电解液，进行原位电化学增材减材加工，显然，利用同一装置能够实现不同的实验操作，提高了装置的利用效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种微细加工工具制备方法，其特征在于，包括：

基于微细加工工具制备装置实现微细加工工具制备方法，所述微细加工工具制备装置包括中空夹头、针管、直流电源、基板和电解液槽；

所述中空夹头的进液端连接有蠕动泵，所述中空夹头的夹持端连接所述针管的进液口，所述针管的出液口朝向所述基板的喷液面；所述基板的与喷液面相对的面连接有驱动机构，所述驱动机构用于控制所述基板的运动轨迹；

所述直流电源的两极分别连接所述针管和所述基板；

所述蠕动泵，与所述电解液槽连接，用于泵出所述电解液槽中的电解液，泵出的电解液流经所述中空夹头和所述针管喷射至所述基板的喷液面上；

所述针管，用于在开启所述蠕动泵和所述直流电源的情况下，沉积流经的电解液中的金属离子形成微细加工工具；

所述微细加工工具制备方法包括：

步骤1：将针管设置为待加工金属针管；将电解液槽中的电解液设置为工具制备电解液；

步骤2：利用驱动机构调整基板与所述待加工金属针管之间的距离至第一设定距离；

步骤3：打开蠕动泵，将所述电解液槽中的电解液由所述待加工金属针管喷射至所述基板；

步骤4：将直流电源的负极连接所述待加工金属针管，所述直流电源的正极连接所述基板；

步骤5：开启所述直流电源，在预设时间段内，所述待加工金属针管端部及内壁沉积所述电解液槽中的电解液中的金属离子，得到沉积后的金属针管，关闭所述直流电源和所述蠕动泵；

步骤6：清洗所述沉积后的金属针管，将清洗后的所述沉积后的金属针管作为所述待加工金属针管，替换所述工具制备电解液为沉积保护金属层用电解液；重复步骤2至步骤5，得到含有保护金属层的沉积金属针管，即得到微细加工工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针管与所述直流电源的负极连接；所述基板与所述直流电源的正极连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解液槽设于所述针管与所述基板喷射区间的下方。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括用于支撑所述中空夹头的第一支撑架，所述中空夹头的高度大于所述电解液槽的高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括第二支撑架，所述第二支撑架固定支撑所述驱动机构，所述驱动机构利用运动轴与所述基板连接。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板采用导电金属材料。

7.一种原位电化学增材制造方法，其特征在于，包括：

将针管设置为微细加工工具；将电解液槽中的电解液设置为增材制造电解液；将所述针管设置为所述微细加工工具采用的是权利要求1至6任一项所述的微细加工工具制备方法；

利用驱动机构调整基板与所述微细加工工具的距离至第二设定距离；

打开蠕动泵，将所述增材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板；

将直流电源的正极连接所述微细加工工具，所述直流电源的负极连接所述基板；

开启所述直流电源，所述增材制造电解液中的金属离子在所述基板表面沉积；

控制所述驱动机构带动所述基板按照第一设定轨迹运动，在所述基板表面形成预设形状的金属微结构。

8.一种原位电化学减材制造方法，其特征在于，包括：

将针管设置为微细加工工具；将电解液槽中的电解液设置为减材制造电解液；将所述针管设置为所述微细加工工具采用的是权利要求1至6任一项所述的微细加工工具制备方法；

利用驱动机构调整基板与所述微细加工工具的距离至第三设定距离；所述基板表面沉积有金属微细结构；

打开蠕动泵，将所述减材制造电解液从所述微细加工工具中射向所述基板；

将直流电源的负极连接所述微细加工工具，所述直流电源的正极连接所述基板；

开启所述直流电源，所述基板上沉积的金属微结构表面发生电解；

控制所述驱动机构带动所述基板按照第二设定轨迹运动，在所述基板表面形成修正后的金属微结构。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述减材制造电解液为硝酸钠溶液、氯化钠溶液、稀硫酸溶液和稀盐酸溶液中的任意一种。

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