CN113106533B - 一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置与方法，其特征是所述的装置主要包括：电源、射流喷嘴、皮带轮、输运皮带、电刷、导电滑环、电解液收集箱、过滤器、输液泵、输液管路、柔性导电带及柔性绝缘压板。电加热薄膜通过柔性绝缘压板固定在皮带轮上，通过导线与柔性导电带连接，柔性导电带通过电刷和导电滑环与直流电源正极连接；射流喷嘴连接到直流电源负极。当电加热膜经过刻蚀平面时，在扁平射流电解的作用下，电加热膜上的金属箔片暴露部分被电化学溶解去除，最后获得扁平射流电解刻蚀的金属电加热丝。本发明结构紧凑、适用性强，无需大尺寸刻蚀槽；采用中性盐溶液及电解方法刻蚀金属电加热丝，与传统的酸性溶液化学腐蚀工艺相比环保性好。

Description

一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电解加工技术，尤其是一种大面积电加热薄膜上金属电加热线路的电解成形技术，具体地说是一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置及方法。
背景技术
柔性电加热薄膜具有加热速度快、能量转换效率高、自由弯折、使用寿命长等优点，目前在汽车、航空航天防除冰、医疗器械、半导体工业、食品工业等领域应用十分广泛。在柔性电加热薄膜技术中，一种常见的结构是：将金属电加热丝贴覆在硅橡胶薄膜上，从而形成柔性电加热薄膜。金属电加热丝的布置方式分为绕线和蚀刻两种模式，其中蚀刻工艺是依据电热丝布线图通过酸性溶液腐蚀金属电阻箔而制成。对于多分区的复杂热分布模式，蚀刻工艺能够满足复杂设计要求，因此在柔性薄膜电加热器生产中占有重要地位。
目前金属线路电加热薄膜的蚀刻生产方法为：先将金属电阻箔（镍合金或不锈钢薄膜）贴覆在硅胶薄膜上，再在金属电阻箔上贴覆感光膜，对感光膜进行曝光，显出需要蚀刻去除的金属部分，然后将此硅胶薄膜整体放入腐蚀机中进行化学腐蚀，腐蚀结束后取出硅胶薄膜并脱去感光膜，即得成品片状金属线路电加热薄膜。这种工艺方法的缺陷在于：（1）在化学腐蚀过程中，采用的腐蚀液体为酸性化学溶液，对环境有一定污染；（2）该方法生产的片状金属线路电加热薄膜尺寸受到腐蚀机大小的限制。因此，发明专利申请“一种大面积片状金属线路加热薄膜的生产方法”（申请号：201010500211.3）提出采用激光刻蚀方法生产片状金属电加热线路，该方法虽然不会对环境造成污染，但是生产成本较高，生产效率上没有竞争力；此外，由于金属电阻箔厚度很小（几十微米至一百余微米），激光刻蚀极易损伤基底材料，因而需要先刻蚀片状金属电加热丝，然后再将其转移到硅胶薄膜上去，这个过程容易损伤已刻蚀好的片状金属电加热丝。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前金属电加热丝化学蚀刻过程中环保性不好、金属电加热丝薄膜制备尺寸受到腐蚀机大小的限制，发明一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置，同时提供一种相应的加工方法。
本发明的技术方案之一：
一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置，其特征在于包括电源1、射流喷嘴2、电刷4、输运皮带5、第一皮带轮6.1、第二皮带轮6.2、第三皮带轮6.3、导电滑环9、电解液收集箱10、过滤器12、输液泵13和输液管路14；所述的输运皮带5上放置有柔性导电带15、柔性绝缘压板16；所述的第一皮带轮6.1通过旋转电机驱动绕旋转轴旋转，第二皮带轮6.2、第三皮带轮6.3通过旋转电机驱动绕各自的旋转轴旋转，并带动输运皮带5绕呈品字形布置的第一皮带轮6.1、第二皮带轮6.2、第三皮带轮6.3循环运动；所述的导电滑环9放置在第一皮带轮6.1的旋转轴上，所述的电刷4也放置在第一皮带轮6.1上，电刷4的一端与导电滑环电气连接，另一端与柔性导电带15电气连接，柔性导电带15通过导线18与待刻蚀的电加热薄膜7电气连接，柔性导电带15和待刻蚀的电加热薄膜7通过柔性绝缘压板16定位在输运皮带5上并随之同步转动；射流喷嘴2的出口端与第一皮带轮6.1的转轴平面正对并与电源1负极电气连接，导电滑环9与电源正极电气连接；电解液收集箱10位于第一皮带轮6.1的正下方以便收集电解液并经过滤器12过滤后送入输液泵13中，再经输液泵13加压后送入射流喷嘴2中。
所述的输运皮带5一侧放置有由不锈钢薄膜制成的、能弯折的柔性导电带15，所述的柔性导电带上覆盖有柔性绝缘压板，将其与电解液射流隔离，柔性绝缘压板也能弯折。
所述的射流喷嘴2为金属材质，且与电源负极连接；所述的射流喷嘴2出口为扁平形状，能喷射出扁平状电解液射流；所述的射流喷嘴中心面与第一皮带轮6.1的旋转轴处于同一刻蚀平面；所采用的电解液为中性盐溶液。
所述的电解液收集箱11、过滤器12、输液泵13和射流喷嘴2通过输液管路14相互连接。
所述的待刻蚀的电加热薄膜7由作为衬底的硅胶薄膜7.1和贴覆在硅胶薄膜7.1上的经曝光显影并显露出需要刻蚀去除的金属部分的片状金属箔7.2组成，片状金属箔7.2的绝缘感光胶7.3的形状与金属电加热丝的形状相匹配。
本发明的技术方案之二是：
一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，将片状金属箔7.2贴覆在硅胶薄膜7.1上，再在片状金属箔上贴覆绝缘感光胶7.3，将此电加热薄膜进行曝光显影，显露出需要刻蚀去除的金属部分，形成待刻蚀的电加热薄膜7，此电加热薄膜将作为下面步骤的刻蚀工件；按照上述流程准备所有待刻蚀的电加热薄膜7；
第二步，调节好射流喷嘴与第一皮带轮6.1外侧输运皮带5上的待刻蚀电加热薄膜7之间的相对距离即靶距；根据靶距、电解液种类与浓度、片状金属箔7.2的厚度，通过计算或者试验确定所需的刻蚀电压及输运皮带的运动速度；设定好电源的输出电压值，通过设定第一皮带轮6.1的转速调节好输运皮带的运动速度；
第三步，启动输液泵13，射流喷嘴2喷射出扁平状射流3；开启电源1；开启第一皮带轮6.1的驱动电机，带动输运皮带5做循环运动；
第四步，将未刻蚀的待刻蚀的电加热薄膜7放置在第二皮带轮6.2与第三皮带轮6.3之间的输运皮带上，用导线18将待刻蚀的电加热薄膜7上的片状金属箔的末端7.6与输运皮带上的柔性导电带15相连接，用柔性绝缘压板16将待刻蚀的电加热薄膜7的两侧固定；
第五步，当待刻蚀的电加热薄膜7被输运到刻蚀平面时，在扁平射流电解的作用下，待刻蚀的电加热薄膜7上的片状金属箔7.2上的未覆盖绝缘感光胶7.3的部分被电化学溶解去除，片状金属箔7.2上覆盖了绝缘感光胶7.3的部分则被屏蔽而不被电化学溶解，最终获得金属电加热丝线路7.4；喷射出的电解液通过电解液收集箱10回收、过滤再利用；
第六步，当待刻蚀的电加热薄膜7通过第一皮带轮6.1并被输运到第二皮带轮6.2及第三皮带轮6.3之间时，完成第一件待刻蚀的电加热薄膜7的刻蚀得到第一件刻蚀好的电加热薄膜8，取下电加热薄膜8；
第七步，重复第四步至第六步；如此重复，直至完成全部待刻蚀的电加热薄膜7的刻蚀。
本发明的有益效果是：
本发明结构紧凑、适用性强，无需大尺寸刻蚀槽；采用中性盐溶液及电解方法刻蚀金属电加热丝，与传统的酸性溶液化学腐蚀工艺相比环保性好。
附图说明
图1是本发明所述装置的侧向示意图；
图2是本发明所述装置的俯视示意图；
图3是本发明所述的贴覆了感光膜的电加热薄膜示意图；
图4是本发明所述的经过曝光后的待刻蚀电加热薄膜示意图；
图5是本发明所述的刻蚀完成的电加热薄膜示意图。
图中：1、电源，2、射流喷嘴，3、扁平射流，4、电刷，5、输运皮带，6.1、第一皮带轮，6.2、第二皮带轮，6.3、第三皮带轮，7、待刻蚀的电加热薄膜，7.1、硅胶薄膜，7.2、片状金属箔，7.3、绝缘感光膜，7.4、金属电加热丝线路、7.5、片状金属箔的起始端，7.6、片状金属箔的末尾端，8、已完成刻蚀的电加热薄膜，9、导电滑环，10、电解液收集箱，11、电解液，12、过滤器，13、输液泵，14、输液管路，15、柔性导电带，16、柔性绝缘压板，17、皮带轮输送方向，18、导线。
具体实施案例
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。
实施案例一
如图1至图5所示。
一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置，它包括电源1、射流喷嘴2、电刷4、输运皮带5、皮带轮6.1、皮带轮6.2、皮带轮6.3、导电滑环9、电解液收集箱10、过滤器12、输液泵13、输液管路14。待刻蚀电加热薄膜7通过柔性绝缘压板16固定在输运皮带5上，待刻蚀电加热薄膜7由硅胶薄膜7.1、片状铁镍合金箔7.2与绝缘感光膜7.3组成。所述的输运皮带5上放置有柔性导电带15，柔性导电带15被柔性绝缘压板16覆盖。所述的第一皮带轮6.1、第二皮带轮6.2、第三皮带轮6.3呈品字形摆放。所述的第一皮带轮6.1可以由电极驱动绕其旋转轴旋转，从而带动输运皮带5绕上述三个皮带轮循环运动，具体实施时也可为第二皮带轮6.2、第三皮带轮6.3各配个旋转电机，提高输运皮带的驱动力。所述的导电滑环9放置在第一皮带轮6.1的旋转轴上，所述的电刷4放置在皮带轮6.1上。导电滑环9与电刷4的作用在于：在第一皮带轮6.1旋转时，也能将电源线连接到柔性导电带15上。输运皮带一侧放置有柔性导电带15，由不锈钢薄膜制成，可以弯折。所述的柔性导电带上覆盖有柔性绝缘压板16，对柔性导电带起到保护作用，柔性绝缘压板16也可以弯折。所述的电刷一端与柔性导电带15连接，另一端与导电滑环9连接。所述的导电滑环9与电源1正极连接。所述的电源为直流电源。电解液收集箱11、过滤器12、输液泵13和射流喷嘴2通过输液管路14连接成一个回路。所述的射流喷嘴2为不锈钢材质，且与电源1负极连接。所述的射流喷嘴2出口为扁平形状，可以喷射出扁平状射流3。所述的射流喷嘴中心平面与第一皮带轮6.1的旋转轴处于同一平面刻蚀平面。所采用的电解液为质量分数10%-20%硝酸钠盐溶液。
本发明的工作原理是：
准备好待刻蚀的电加热薄膜7：将片状铁镍合金箔贴覆在硅胶薄膜上，再在片状铁镍合金箔上贴覆绝缘感光膜，如图3所示。对绝缘感光膜进行曝光显影，显露出片状铁镍合金箔上需要刻蚀去除的部分，形成待刻蚀电加热薄膜7，如图4所示。启动输液泵13，射流喷嘴2喷射出扁平状射流3；开启电源1；开启第一皮带轮6.1的旋转电机，驱动输运皮带绕三个皮带轮做循环运动。将待刻蚀的电加热薄膜放置在皮带轮6.2与皮带轮6.3之间的输运皮带上，用导线18将片状金属箔的末尾端与输运皮带上的柔性导电带15相连接，用柔性绝缘压板16将其两侧固定。在输运皮带的带动下，片状铁镍合金箔将从起始端7.5开始依次经过扁平射流的电解作用，片状铁镍合金箔7.2上的裸露部分被电化学溶解，片状铁镍合金箔7.2上被绝缘感光膜7.3覆盖的部分则不会被电解去除，最终在硅胶薄膜7.1上保留下所需要的金属电加热丝线路7.4。所用导线18的接头部分也会由于电解作用而溶解，但是导线成本低廉，每次刻蚀均可使用新件。喷射出的电解液通过电解液收集箱10回收、过滤再利用。当刻蚀好的电加热薄膜8被输运到第二皮带轮6.2与第三皮带轮6.3之间时，可以被取下，如图5所示，再次安装待刻蚀的电加热薄膜，如此反复，直至加工结束。
实施案例二
如图1至图5所示。
下面以片状铁镍合金箔电路为例加以说明。
一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀方法，包括以下步骤：
第一步，批量准备好需要刻蚀的电加热薄膜：将片状铁镍合金箔贴覆在硅胶薄膜上，再在片状铁镍合金箔上贴覆绝缘感光胶，形成电加热薄膜，将此电加热薄膜进行曝光显影，显露出需要刻蚀去除的金属部分，此电加热薄膜将作为下面步骤的刻蚀工件。
第二，根据电加热膜上铁镍合金箔片的厚度，调节好射流喷嘴与第一皮带轮6.1之间的相对距离（靶距）；选择质量分数为15%的NaNO3溶液作为电解液，通过试验获得所需的刻蚀电压U及输运皮带移动速度，并设定好电源的输出电压为U，根据输运皮带移动速度确定皮带轮1的转速。
第三步，启动输液泵13，射流喷嘴2喷射出扁平状射流3；开启电源1；开启第一皮带轮的驱动电机，输运皮带被三个皮带轮带动做循环运动。
第四步，将待刻蚀的电加热薄膜放置在第二皮带轮6.2与第三皮带轮6.3之间的输运皮带上，用导线18将电加热薄膜上的片状铁镍合金箔与输运皮带上的柔性导电带15相连接，用柔性绝缘压板16将电加热薄膜的两侧固定。
第五步，在输运皮带的带动下，电加热薄膜上的片状铁镍合金箔将从起始端开始到末尾端，依次经过刻蚀平面时，经过刻蚀平面的铁镍合金箔的裸露部分将在扁平射流电解的作用下去除。片状铁镍合金箔7.2上覆盖了绝缘感光膜的部分则不会参与电化学溶解，因而保留下来。喷射出电解液通过电解液收集箱10回收、过滤再利用。
第六步，当电加热膜被输运到第二皮带轮6.2与第三皮带轮6.3之间时，取下刻蚀好的电加热薄膜8，同时回到第三步。如此连续生产，直至完成全部生产任务。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置，其特征在于包括电源（1）、射流喷嘴（2）、电刷（4）、输运皮带（5）、第一皮带轮（6.1）、第二皮带轮（6.2）、第三皮带轮（6.3）、导电滑环（9）、电解液收集箱（10）、过滤器（12）、输液泵（13）和输液管路（14）；所述的输运皮带（5）上放置有柔性导电带（15）、柔性绝缘压板（16）；所述的第一皮带轮（6.1）通过旋转电机驱动绕旋转轴旋转，并带动输运皮带（5）绕呈品字形布置的第一皮带轮（6.1）、第二皮带轮（6.2）、第三皮带轮（6.3）循环运动；所述的导电滑环（9）放置在第一皮带轮（6.1）的旋转轴上，所述的电刷（4）也放置在第一皮带轮（6.1）上，电刷（4）的一端与导电滑环电气连接，另一端与柔性导电带（15）电气连接，柔性导电带（15）通过导线（18）与待刻蚀的电加热薄膜（7）电气连接，柔性导电带（15）和待刻蚀的电加热薄膜（7）通过柔性绝缘压板（16）定位在输运皮带（5）上并随之同步转动；射流喷嘴（2）的出口端与第一皮带轮（6.1）的转轴平面正对并与电源（1）负极电气连接，导电滑环（9）与电源正极电气连接；电解液收集箱（10）位于第一皮带轮（6.1）的正下方以便收集电解液并经过滤器（12）过滤后送入输液泵（13）中，再经输液泵（13）加压后送入射流喷嘴（2）中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的输运皮带（5）一侧放置有由不锈钢薄膜制成的、能弯折的柔性导电带（15），所述的柔性导电带上覆盖有柔性绝缘压板，将其与电解液射流隔离，柔性绝缘压板也能弯折。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的射流喷嘴（2）为金属材质，且与电源负极连接；所述的射流喷嘴（2）出口为扁平形状，能喷射出扁平状电解液射流；所述的射流喷嘴中心面与第一皮带轮（6.1）的旋转轴处于同一刻蚀平面；所采用的电解液为中性盐溶液。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电解液收集箱（10）、过滤器（12）、输液泵（13）和射流喷嘴（2）通过输液管路（14）相互连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：待刻蚀的电加热薄膜（7）由作为衬底的硅胶薄膜（7.1）和贴覆在硅胶薄膜（7.1）上的经曝光显影并显露出需要刻蚀去除的金属部分的片状金属箔（7.2）组成，片状金属箔（7.2）的绝缘感光胶（7.3）的形状与金属电加热丝的形状相匹配。
6.一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，将片状金属箔（7.2）贴覆在硅胶薄膜（7.1）上，再在片状金属箔上贴覆绝缘感光胶（7.3），将此电加热薄膜进行曝光显影，显露出需要刻蚀去除的金属部分，形成待刻蚀的电加热薄膜（7），此电加热薄膜将作为下面步骤的刻蚀工件；按照上述流程准备所有待刻蚀的电加热薄膜（7）；
第二步，调节好射流喷嘴与第一皮带轮（6.1）外侧输运皮带（5）上的待刻蚀电加热薄膜（7）之间的相对距离即靶距；根据靶距、电解液种类与浓度、片状金属箔（7.2）的厚度，通过计算或者试验确定所需的刻蚀电压及输运皮带的运动速度；设定好电源的输出电压值，通过设定第一皮带轮（6.1）的转速调节好输运皮带的运动速度；输运皮带（5）绕呈品字形布置的第一皮带轮（6.1）、第二皮带轮（6.2）、第三皮带轮（6.3）循环运动；
第三步，启动输液泵（13），射流喷嘴（2）喷射出扁平状射流（3）；开启电源（1）；开启第一皮带轮（6.1）的驱动电机，带动输运皮带（5）做循环运动；
第四步，将待刻蚀的电加热薄膜（7）放置在第二皮带轮（6.2）与第三皮带轮（6.3）之间的输运皮带上，用导线（18）将待刻蚀的电加热薄膜（7）上的片状金属箔的末端（7.6）与输运皮带上的柔性导电带（15）相连接，用柔性绝缘压板（16）将待刻蚀的电加热薄膜（7）的两侧固定；
第五步，当待刻蚀的电加热薄膜（7）被输运到刻蚀平面时，在扁平射流电解的作用下，待刻蚀的电加热薄膜（7）上的片状金属箔（7.2）上的未覆盖绝缘感光胶（7.3）的部分被电化学溶解去除，片状金属箔（7.2）上覆盖了绝缘感光胶（7.3）的部分则被屏蔽而不被电化学溶解，最终获得金属电加热丝线路（7.4）；喷射出的电解液通过电解液收集箱（10）回收、过滤再利用；
第六步，当待刻蚀的电加热薄膜（7）通过第一皮带轮（6.1）并被输运到第二皮带轮（6.2）及第三皮带轮（6.3）之间时，完成第一件待刻蚀的电加热薄膜（7）的刻蚀得到第一件刻蚀好的电加热薄膜（8），取下刻蚀好的电加热薄膜（8）；
第七步，重复第四步至第六步；如此重复，直至完成全部待刻蚀的电加热薄膜（7）的刻蚀。
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