CN114561672A - 基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。该方法根据工件三维形状数据，获取分层切片信息；将光固化材料涂覆到工件表面形成绝缘掩膜，通过光刻使绝缘掩膜选区固化；光刻完成后，进给显影液到掩膜表面去除未曝光部分，得到限域图案；显影完成后，进给电化学沉积工作液，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺限域图案时停止电化学沉积；在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面。光刻、显影、电化学沉积和整平过程交替循环进行，逐层完成金属三维结构工件沉积，用有机溶剂浸泡去除堆叠的掩膜。本发明利用光刻绝缘掩膜和电化学沉积的快速转换，实现了复杂三维结构金属零件的高精度快速制备。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。
背景技术
随着科学技术的快速发展，航空航天、国防军工、先进医疗器械等领域越来越多地使用一体化复杂结构零件，这些零件形状结构复杂、内部无孔隙、成型精度高，并且能够适应高温、高压、强腐蚀性的工作条件。传统减材加工方式难以加工结构特别复杂的零件，且生产周期往往很长，特别是对于难加工的合金材料，制造成本将非常大，也难以避免零件内部和表面存在微小缺陷。
2016年1月13日，申请号为201510770394.3的中国专利公开了一种三维电铸加工方法及系统。先获取电铸部件对应的模具实体造型的分层切片信息，再使用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；在铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层，两类加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。该发明能电铸出三维结构复杂，深宽比大的电铸件。但是该方法采用的增材技术制备的模板精度一般且成型步骤复杂。
2017年8月24日，申请号为201710736266.6的中国专利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。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薄片玻璃，最后在工作槽中加入缓冲氧化物刻蚀液，溶解剩下的玻璃进行脱模。该发明工艺流程简单，精度高且可以实现无损脱模。但是该方法采用激光刻蚀成本较高、较难大批量制造且衬底只为玻璃薄片有一定局限性。
2006年4月10日，申请号为200610039407.0的中国专利公开了一种分层微细电铸加工方法及装置。该方法采用分层电铸技术，其特点在于掩膜板为具有多个贯穿图案的独立式，与阳极不接触，电铸时与阴极精密贴合。掩膜限制下的电铸产物阴极沉积、对电铸产物涂覆、对涂覆层进行平面化加工使电铸产物底面露出这三个过程交替进行，循环直至制造出整个三维微细零件，最后，去除涂覆材料获得三维微细零件。该发明使得分层微细电铸的流场状况得到改善，丰富了电铸材料种类，提高了电铸质量和电铸速度。同时，电铸制造的微细结构深宽比，理论上讲没有限制。但是该方法掩膜定域较难、传质较慢且存在杂散沉积的影响。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的加工精度和加工效率不高，提供基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一、分层处理，根据待加工的工件三维形状数据，获取分层切片信息；
步骤二、制备绝缘掩膜，将光固化材料涂覆到待加工的工件表面形成一层绝缘掩膜，通过光刻使所述绝缘掩膜选区固化；当所述光刻过程完成后，进给显影液到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模；
步骤三、电化学沉积，当显影过程完成后，进给电化学沉积工作液，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺绝缘掩膜的限域图案时停止电化学沉积；
步骤四、整平沉积表面，在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面；
重复步骤二、三、四，如此逐层沉积金属，直至完成所需金属三维结构工件沉积；
步骤五、脱模处理，用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜，取出工件。
所述光刻过程采用一组光刻掩膜版，所述光刻掩膜版刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版，每次光刻结束后切换；
或者，采用一块光刻掩膜版，所述光刻掩膜版上具有所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，根据分层切片信息移动；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
所述光固化材料是液态光固化材料，所述光固化材料的类型为G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶或ArF光刻胶。
所沉积的金属为金属单质或至少两种金属元素组成的异质合金。沉积多元素异质合金时的电化学沉积工作液包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所述金属离子配位剂包括柠檬酸钠、明胶、桃胶、氰化物和氟硼酸盐。
所述整平沉积表面采用电化学溶解，所述电化学溶解使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平；
或者，在电化学沉积工作液中添加光亮剂和整平剂，所述光亮剂包含糖精、对甲苯磺酰胺、2-甲基醛缩苯胺、甲醛或者1，4-丁炔二醇，所述整平剂包含健那绿、氯化物、席夫碱、含硫氨基酸或者十二烷基硫酸钠；
或者，在电解液中加入磨粒，通过微细磨削整平表面；
所述绝缘掩膜的厚度通过涂覆液态光固化材料的量、旋涂的时间与转台的转速进行自由调控，厚度范围为纳米级到毫米级。
根据沉积材料和所制备结构的用途，选择合适的后处理工艺，包括固溶热处理、时效处理、淬火、回火和电抛光。
所制备的金属三维结构为锥状、柱状、球状、螺旋状、其他异形形状、所述形状相互结合的阵列或复杂三维结构。
实现本发明公开的方法的装置，包括数控工作台、供液系统、光刻系统，电源系统和控制系统；
所述数控工作台包括底座、用于固定待加工的工件的转台、第一机械臂、第二机械臂、废液收集装置、喷嘴、电化学沉积夹具以及光学传感器，所述转台位于底座上方，所述废液收集装置位于转台下方底座上方；所述第一机械臂一端与底座连接，另一端与所述电化学沉积夹具连接，能上下和水平移动；所述第二机械臂一端与底座连接，另一端与所述光刻系统连接，能带动光刻系统上下移动；所述喷嘴与第一机械臂远离底座的一端连接；所述电化学沉积夹具与第一机械臂远离底座的一端连接；所述光学传感器与第一机械臂远离底座的一端连接；在显影和电化学沉积过程，电化学沉积夹具位于待加工的工件表面上方，与待加工的工件形成相对封闭的工作液流道；
所述供液系统包括第一储液槽、第二储液槽、第三储液槽、多级离心泵、溢流阀、单向阀、调压阀、电磁换向阀以及流量计；所述第一储液槽储存液态光固化材料，所述第二储液槽储存显影液，所述第三储液槽储存电化学沉积工作液；所述电磁换向阀一端经过调压阀和流量计连通工作液流道的进液口，另一端在显影时连通显影液供液支路，在电化学沉积时连通电化学沉积工作液供液支路；在涂覆液态光固化材料时，液态光固化材料由多级离心泵泵出，依次经过单向阀、调压阀、流量计流入喷嘴；在显影时，显影液由多级离心泵泵出，依次经过单向阀、电磁换向阀、调压阀、流量计流入工作液流道的进液口；在电化学沉积和电解过程中，电化学沉积工作液由多级离心泵泵出，依次经过单向阀、电磁换向阀、调压阀、流量计流入工作液流道的进液口；溢出的电化学沉积工作液由工作台收集后流入废液收集装置。
所述光刻系统与第二机械臂远离底座的一端连接，位于待加工的工件上方；所述光刻系统包括垂直光源和光刻掩膜版，每块光刻掩膜版刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版，控制系统根据分层切片信息更换光刻掩膜版；
或者，在一块光刻掩膜版上制备所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，控制系统根据分层切片信息移动光刻掩膜版；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
所述电源系统包括高频双向脉冲电流电源，高频双向脉冲电流电源的正极连接工具电极，高频双向脉冲电流电源的负极连接待加工的工件；
所述控制系统按时序控制转台旋转，按时序控制第一机械臂升降和水平位移，通过光学传感器定位，实现喷嘴、电化学沉积夹具升降和水平位移；按时序控制第二机械臂升降，通过光学传感器定位，实现光刻系统升降；按时序控制多级离心泵的启停，按时序控制电磁换向阀的换向；按时序控制光刻系统和电源系统的启停。
涂覆过程和电化学沉积过程，转台旋转。
涂覆过程，通过光学传感器定位，控制喷嘴移动到工件表面上方；光刻过程结束后，通过光学传感器定位，控制电化学沉积夹具进入工位；电化学沉积过程结束后，通过光学传感器定位，控制电化学沉积夹具退出工位。
每次沉积后，控制光刻系统和电化学沉积夹具逐层上升，以保证逐层加工时光刻系统和电化学沉积夹具与工件表面的距离保持不变。
有益效果：
1、本发明采用的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法中，循环重复涂胶、光刻、显影、电化学沉积和整平过程分层制备金属工件，最后去除绝缘掩膜。通过本发明的所述方法，可以实时改变加工零件的截面形状，快速灵活地实现复杂结构零件的高精度制造。
2、本发明采用的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法中，制备的工件的材质是金属单质，或者是多元素异质合金，并且可以根据沉积的元素和零件的用途选择合适的后处理方式，以进一步提高工件的尺寸精度、减小表面粗糙度、增强力学性能和工件与基体的粘结度，提高了本发明在各个领域的适用性。
3、本发明采用的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造装置中，可以在电化学沉积时工件装夹在专用工作台上，控制系统控制伺服电机带动工作台匀速旋转，实现工作液的在工件表面充分流动，促进工作液中金属离子传质，同时使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平，或者在电化学沉积工作液中加入添加剂等多种方法，提高沉积的平整度，有利于下一层沉积层的制备。
4、本发明采用的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，相较于传统的沉积方法，本方法可以根据零件结构控制每层掩膜厚度，在分层切片形状变化趋势较小时增加掩膜厚度，反之减小掩膜厚度，从而提高加工效率。
5、本发明提出基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造装置，在同一数控工作台上实现绝缘掩膜的制备、电化学沉积和整平过程，避免了工件在不同制备装置间的装夹与拆卸，提高加工效率；逐层加工时，光刻系统和工件上表面的相对位置保持不变，保证了层与层之间光刻精度的一致性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为根据本发明实施例的制造方法示意图；
图2为根据本发明实施例的采用液态光固化材料制备绝缘掩膜的过程示意图；
图3为根据本发明实施例的本发明加工装置示意图；
图4为根据本发明实施例的三组光刻掩膜版图案示意图；
图5为根据本发明实施例的一块光刻掩膜版图案示意图；
图6为根据本发明实施例的一种未脱模的工件结构示意图；
图7为根据本发明实施例的一种未脱模的工件结构示意图；
图8为根据本发明实施例的一种未脱模的工件结构示意图。
具体实施方式
本发明附图标号如下：1、电化学沉积工作液，2、显影液，3、液态光固化材料，4、多级离心泵，5、溢流阀，6、单向阀，7、调压阀，8、电磁换向阀，9、流量计，10、喷嘴，11、工件，12、绝缘掩膜，13、转台，14、光刻系统，15、废液收集装置，16、工作液流道，17、工具电极，18、电化学沉积夹具，19、光学传感器，20、储液槽，20a、第一储液槽，20b、第二储液槽，20c、第三储液槽，21、电源系统，22、控制系统,23、光刻掩膜版，24、底座，25、第一机械臂，26、第二机械臂。
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。
本发明公开基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置，本方法应用于航空航天、国防军工、先进医疗器械等领域越来越多地使用一体化复杂结构零件，这些零件形状结构复杂、内部无孔隙、成型精度高，并且能够适应高温、高压、强腐蚀性的工作条件。传统减材加工方式生产周期长，成本大，难以避免零件内部和表面存在微小缺陷，因此利用本方案中的加工方法加工此类零件。
本发明提供的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一、分层处理，根据待加工的工件三维形状数据，获取分层切片信息；
步骤二、制备绝缘掩膜12，将光固化材料涂覆到待加工的工件表面形成一层绝缘掩膜12，通过光刻使所述绝缘掩膜12选区固化；当所述光刻过程完成后，进给显影液2到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模12；
步骤三、电化学沉积，当显影过程完成后，进给电化学沉积工作液1，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺绝缘掩膜12的限域图案时停止电化学沉积；
步骤四、整平沉积表面，在电沉积过程中或者当每层沉积完成后整平金属表面；
重复步骤二、三、四，如此逐层沉积金属，直至完成所需金属三维结构工件沉积；
步骤五、脱模处理，用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜12，取出工件。
在本发明中，所述光刻过程采用一组光刻掩膜版23，所述光刻掩膜版23刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版23，每次光刻结束后切换；
或者，采用一块光刻掩膜版23，所述光刻掩膜版23上具有所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，根据分层切片信息移动；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
在本发明中，所述光固化材料是液态光固化材料3，逐层涂覆在工件11表面。
在本发明中，所述液态光固化材料3的类型为G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶或ArF光刻胶。
图2为根据本发明的采用液态光固化材料3制备绝缘掩膜的过程示意图。如图2中步骤(1)所示，通过喷嘴10将液态光固化材料3涂覆与待加工的工件11表面。如图2中步骤(2)所示，通过转台13水平匀速转动，所述液态光固化材料3在离心力的作用下均匀平铺在工件11表面。每层堆叠的厚度通过涂覆液态光固化材料3的量、旋涂的时间与转速进行自由调控，厚度范围为纳米级到毫米级。如图2中步骤(3)所示，开启光刻系统14，使垂直向下照射的光线穿过有图案的光刻掩膜版23，光刻掩膜版23的图案被转印在所述液态光固化材料3上。如图2中步骤(4)所示，最后通过显影液2冲洗得到绝缘掩膜12。
所沉积的金属为金属单质或至少两种金属元素组成的异质合金。沉积多元素异质合金时的电化学沉积工作液1包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所述金属离子配位剂包括柠檬酸钠、明胶、桃胶、氰化物和氟硼酸盐。
在本发明中，所述整平沉积表面采用电化学溶解，所述电化学溶解使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平；或者，在电化学沉积工作液1中添加光亮剂和整平剂，所述光亮剂包含糖精、对甲苯磺酰胺、2-甲基醛缩苯胺、甲醛或者1，4-丁炔二醇，所述整平剂包含健那绿、氯化物、席夫碱、含硫氨基酸或者十二烷基硫酸钠；
或者，在电解液中加入磨粒，通过微细磨削整平表面。
根据沉积材料和所制备结构的用途，选择合适的后处理工艺，包括固溶热处理、时效处理、淬火、回火和电抛光。
所制备的金属三维结构为锥状、柱状、球状、螺旋状、其他异形形状、所述形状相互结合的阵列或复杂三维结构。
在本发明中，实现本发明公开方法的装置包括数控工作台、供液系统、光刻系统14，电源系统21和控制系统22。图3给出了实现本发明制造方法采用的装置示意图。
所述数控工作台包括底座24、用于固定待加工的工件11的转台13、第一机械臂25、第二机械臂26、废液收集装置15、喷嘴10、电化学沉积夹具18以及光学传感器19，所述转台13位于底座24上方，所述废液收集装置15位于转台13下方底座24上方；所述第一机械臂25一端与底座24连接，另一端与所述电化学沉积夹具18连接，能上下和水平移动；所述第二机械臂26一端与底座24连接，另一端与所述光刻系统14连接，能带动光刻系统14上下移动；所述喷嘴10与第一机械臂25远离底座24的一端连接；所述电化学沉积夹具18与第一机械臂25远离底座24的一端连接；所述光学传感器19与第一机械臂25远离底座24的一端连接；在显影和电化学沉积过程，电化学沉积夹具18位于待加工的工件11表面上方，与待加工的工件11形成相对封闭的工作液流道16。
如图1所示，所述供液系统包括第一储液槽20a、第二储液槽20b、第三储液槽20c、多级离心泵4、溢流阀5、单向阀6、调压阀7、电磁换向阀8以及流量计9；所述第一储液槽20a储存液态光固化材料3，所述第二储液槽20b储存显影液2，所述第三储液槽20c储存电化学沉积工作液1；所述电磁换向阀8一端经过调压阀7和流量计9连通工作液流道16的进液口，另一端在显影时连通显影液供液支路，在电化学沉积时连通电化学沉积工作液供液支路；在涂覆液态光固化材料3时，液态光固化材料3由多级离心泵4泵出，依次经过单向阀6、调压阀7、流量计9流入喷嘴10；在显影时，显影液2由多级离心泵4泵出，依次经过单向阀6、电磁换向阀8、调压阀7、流量计9流入工作液流道16的进液口；在电化学沉积和电解过程中，电化学沉积工作液1由多级离心泵4泵出，依次经过单向阀6、电磁换向阀8、调压阀7、流量计9流入工作液流道16的进液口；溢出的电化学沉积工作液1由工作台收集后流入废液收集装置15。
所述光刻系统14与第二机械臂26远离底座24的一端连接，位于待加工的工件11上方；所述光刻系统14包括垂直光源和光刻掩膜版23，每块光刻掩膜版23刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版23，控制系统22根据分层切片信息更换光刻掩膜版23；
或者，在一块光刻掩膜版23上制备所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，控制系统22根据分层切片信息移动光刻掩膜版23；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
所述电源系统21包括高频双向脉冲电流电源，高频双向脉冲电流电源的正极连接工具电极17，高频双向脉冲电流电源的负极连接待加工的工件11。所述工具电极17位于电化学沉积夹具18内部空腔的底部，电化学沉积时，工具电极17位于待加工的工件11表面上方。
所述控制系统22按时序控制转台13旋转，按时序控制第一机械臂25升降和水平位移，通过光学传感器19定位，实现喷嘴10、电化学沉积夹具18升降和水平位移；按时序控制第二机械臂26升降，通过光学传感器19定位，实现光刻系统14升降；按时序控制多级离心泵4的启停，按时序控制电磁换向阀8的换向；按时序控制光刻系统14和电源系统21的启停。
在本发明中，涂覆过程和电化学沉积过程，转台13旋转，使工件11原位匀速旋转，将所述液态光固化材料3均匀涂覆在工件11表面；涂覆过程，通过光学传感器19定位，控制喷嘴10移动到工件11表面上方。
在本发明中，光刻过程结束后，通过光学传感器19定位，控制电化学沉积夹具18进入工位；电化学沉积过程结束后，通过光学传感器19定位，控制电化学沉积夹具18退出工位。
在本发明中，每次沉积后，控制光刻系统14和电化学沉积夹具18逐层上升，以保证逐层加工时光刻系统14和电化学沉积夹具18与工件11表面的距离保持不变。
本发明基于光刻掩膜分层和电化学沉积技术，采用逐层增材制造的工艺进一步解决了复杂结构零件和难加工异质合金材料的成本大、残余应力、表面微裂纹等制造难题，本发明提出的装置将工件仅限于一个工位，尽量降低了装置定位的时间和误差，保证了加工的效率。
图6到图8为本发明制造的三种典型的未脱模工件11结构示意图。
实施例1
在本实施例中，所述光刻系统14包括垂直光源和光刻掩膜版23。所述的每块光刻掩膜版23刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版，控制系统22根据分层切片信息更换光刻掩膜版23，如图4所示。
图4为根据本实施例的三组光刻掩膜版23图案示意图。如图4所示，同一组光刻掩膜版23上形状相同但形状大小不同，每次光刻时通过切换光刻掩膜版23以获得不同的截面图案。
结合图1、图2、图3和图4说明本实施例的具体实施步骤如下：
(1)分层处理，先将待加工的工件11三维形状数据导入计算机，获取分层切片信息；
(2)参考图1，在第一储液槽20a储存液态光固化材料3，在所述第二储液槽20b储存显影液2，在所述第三储液槽20c储存电化学沉积工作液1；
(3)参考图1和图3，将待加工的工件11固定于数控工作台的转台13上；
(4)参考图2和图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移至工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(5)参考图1，通过喷嘴10将液态光固化材料3涂覆与待加工的工件11表面；在涂覆过程中，通过转台13的水平匀速转动，所述液态光固化材料3在离心力的作用下均匀平铺在工件11表面；
(6)参考图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移远离工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(7)参考图2至图4，通过第二机械臂26调节光刻系统14与待加工的工件11的距离满足工艺要求。打开光刻系统14，使垂直向下照射的光线穿过有图案的光刻掩膜版23，将光刻掩膜版23的图案转印在所述液态光固化材料3上；光刻结束后，光刻系统14更换光刻掩膜版23。
(8)参考图3，通过第一机械臂25将电化学沉积夹具18水平位移移动至工件11上方，依靠光学传感器19定位，电化学沉积夹具18与工件11形成相对封闭的工作液流道16；
(9)参考图2和图3，向工作液流道16泵入显影液2到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模12；
(10)参考图2和图3，显影结束后，向工作液流道16泵入电化学沉积工作液1；设置电源参数并启动电源，使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平，当沉积的金属层平铺绝缘掩膜12的限域图案时结束；
(11)重复步骤(4)到(10)，如此逐层沉积金属，完成所需金属三维结构工件的沉积。
(12)脱模处理,用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜12，取出所述工件11；根据其不同的材料和用途，选择合适的后处理方式。
实施例2
在本实施例中，所述光刻系统14包括垂直光源和光刻掩膜版23。所述的光刻掩膜版23是一整块制备了所需三维形状各层级图案的掩膜版，各层级图案在光刻掩膜版23中按一定顺序从上到下排列,每次光刻前只需微量移动光刻掩膜版23即可获得下一层的截面形状，如图5所示。
结合图1、图2、图3和图5说明本实施例的具体实施步骤如下：
(1)分层处理，先将待加工的工件11三维形状数据导入计算机，获取分层切片信息；
(2)参考图1，在第一储液槽20a储存液态光固化材料3，在所述第二储液槽20b储存显影液2，在所述第三储液槽20c储存电化学沉积工作液1；
(3)参考图1和图3，将待加工的工件11固定于数控工作台的转台13上；
(4)参考图2和图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移至工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(5)参考图1，通过喷嘴10将液态光固化材料3涂覆与待加工的工件11表面；在涂覆过程中，通过转台13的水平匀速转动，所述液态光固化材料3在离心力的作用下均匀平铺在工件11表面；
(6)参考图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移远离工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(7)参考图2、图3和图5，通过第二机械臂26调节光刻系统14与待加工的工件11的距离满足工艺要求。打开光刻系统14，使垂直向下照射的光线穿过有图案的光刻掩膜版23，将光刻掩膜版23的图案转印在所述液态光固化材料3上；光刻结束后，光刻系统14微量移动光刻掩膜版23。
(8)参考图3，通过第一机械臂25将电化学沉积夹具18水平位移移动至工件11上方，依靠光学传感器19定位，电化学沉积夹具18与工件11形成相对封闭的工作液流道16；
(9)参考图2和图5，向工作液流道16泵入显影液2到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模12；
(10)参考图2和图5，显影结束后，向工作液流道16泵入电化学沉积工作液1；设置电源参数并启动电源，使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平，当沉积的金属层平铺绝缘掩膜12的限域图案时结束；
(11)重复步骤(4)到(10)，如此逐层沉积金属，完成所需金属三维结构工件的沉积。
(12)脱模处理,用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜12，取出所述工件11；根据其不同的材料和用途，选择合适的后处理方式。
实施例3
本实施例中光学系统14采用无光刻掩膜版紫外光直写成像的方法，将所需图案写入计算机，控制光刻系统14在所述掩膜上投影的图案以及图案的位置，进行选区固化,再通过显影得到绝缘掩膜12。
结合图1、图2、图3说明本实施例的具体实施步骤如下：
(1)分层处理，先将待加工的工件11三维形状数据导入计算机，获取分层切片信息；
(2)参考图1，在第一储液槽20a储存液态光固化材料3，在所述第二储液槽20b储存显影液2，在所述第三储液槽20c储存电化学沉积工作液1；
(3)参考图1和图3，将待加工的工件11固定于数控工作台的转台13上；
(4)参考图2和图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移至工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(5)参考图1，通过喷嘴10将液态光固化材料3涂覆与待加工的工件11表面；在涂覆过程中，通过转台13的水平匀速转动，所述液态光固化材料3在离心力的作用下均匀平铺在工件11表面；
(6)参考图3，通过第一机械臂25将喷嘴10水平位移远离工件11上方，依靠光学传感器19定位；
(7)参考图2和图3，通过第二机械臂26调节光刻系统14与待加工的工件11的距离满足工艺要求。打开光刻系统14，控制光学系统14在所述掩膜上投影的图案以及图案的位置，进行选区固化，再通过显影得到绝缘掩膜12。
(8)参考图3，通过第一机械臂25将电化学沉积夹具18水平位移移动至工件11上方，依靠光学传感器19定位，电化学沉积夹具18与工件11形成相对封闭的工作液流道16；
(9)参考图2和图3，向工作液流道16泵入显影液2到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模12；
(10)参考图2和图3，显影结束后，向工作液流道16泵入电化学沉积工作液1，电化学沉积工作液1包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所沉积的材料为多元素异质合金；设置电源参数并启动电源，使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平，当沉积的金属层平铺绝缘掩膜12的限域图案时结束；
(11)重复步骤(4)到(10)，如此逐层沉积金属，完成所需金属三维结构工件的沉积。
(12)脱模处理,用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜12，取出所述工件11；根据其不同的材料和用途，选择合适的后处理方式。
本发明提供了基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、分层处理，根据待加工的工件(11)三维形状数据，获取分层切片信息；
步骤二、制备绝缘掩膜(12)，将光固化材料涂覆到待加工的工件(11)表面形成一层绝缘掩膜，通过光刻使所述绝缘掩膜选区固化；当所述光刻过程完成后，进给显影液(2)到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模(12)；
步骤三、电化学沉积，当显影过程完成后，进给电化学沉积工作液(1)，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺绝缘掩膜(12)的限域图案时停止电化学沉积；
步骤四、整平沉积表面，在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面；
重复步骤二、三、四，如此逐层沉积金属，直至完成所需金属三维结构工件沉积；
步骤五、脱模处理，用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜(12)，取出工件。
2.根据权利要求1所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述光刻过程采用一组光刻掩膜版(23)，所述光刻掩膜版(23)刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版(23)，每次光刻结束后切换；
或者，采用一块光刻掩膜版(23)，所述光刻掩膜版(23)上具有所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，根据分层切片信息移动；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
3.根据权利要求2所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述光固化材料是液态光固化材料(3)，所述光固化材料的类型为G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶或ArF光刻胶。
4.根据权利要求3所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所沉积的金属为金属单质或至少两种金属元素组成的异质合金；其中，沉积多元素异质合金时的电化学沉积工作液(1)包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所述金属离子配位剂包括柠檬酸钠、明胶、桃胶、氰化物和氟硼酸盐。
5.根据权利要求4所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述整平沉积表面采用电化学溶解，所述电化学溶解使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平；
或者，在电化学沉积工作液(1)中添加光亮剂和整平剂，所述光亮剂包含糖精、对甲苯磺酰胺、2-甲基醛缩苯胺、甲醛或者1，4-丁炔二醇，所述整平剂包含健那绿、氯化物、席夫碱、含硫氨基酸或者十二烷基硫酸钠；
或者，在电解液中加入磨粒，通过微细磨削整平表面。
6.根据权利要求5所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述绝缘掩膜(12)的厚度通过涂覆液态光固化材料(3)的量、旋涂的时间与转台(13)的转速进行自由调控，厚度范围为纳米级到毫米级。
7.根据权利要求6所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：根据沉积材料和所制备结构的用途，选择合适的后处理工艺，包括固溶热处理、时效处理、淬火、回火和电抛光。
8.根据权利要求7所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所制备的金属三维结构为锥状、柱状、球状、螺旋状、其他异形形状、由上述形状相互结合的阵列或复杂三维结构。
9.实现权利要求8所述方法的装置，其特征在于：包括数控工作台、供液系统、光刻系统(14)、电源系统(21)和控制系统(22)；
所述数控工作台包括底座(24)、用于固定待加工的工件(11)的转台(13)、第一机械臂(25)、第二机械臂(26)、废液收集装置(15)、喷嘴(10)、电化学沉积夹具(18)以及光学传感器(19)，所述转台(13)位于底座(24)上方，所述废液收集装置(15)位于转台(13)下方底座(24)上方；所述第一机械臂(25)一端与底座(24)连接，另一端与所述电化学沉积夹具(18)连接，能上下和水平移动；所述第二机械臂(26)一端与底座(24)连接，另一端与所述光刻系统(14)连接，能带动光刻系统(14)上下移动；所述喷嘴(10)与第一机械臂(25)远离底座(24)的一端连接；所述电化学沉积夹具(18)与第一机械臂(25)远离底座(24)的一端连接；所述光学传感器(19)与第一机械臂(25)远离底座(24)的一端连接；在显影和电化学沉积过程，电化学沉积夹具(18)位于待加工的工件(11)表面上方，与待加工的工件(11)形成相对封闭的工作液流道(16)；
所述供液系统包括第一储液槽(20a)、第二储液槽(20b)、第三储液槽(20c)、多级离心泵(4)、溢流阀(5)、单向阀(6)、调压阀(7)、电磁换向阀(8)以及流量计(9)；所述第一储液槽(20a)储存液态光固化材料(3)，所述第二储液槽(20b)储存显影液(2)，所述第三储液槽(20c)储存电化学沉积工作液(1)；所述电磁换向阀(8)一端经过调压阀(7)和流量计(9)连通工作液流道(16)的进液口，另一端在显影时连通显影液(2)供液支路，在电化学沉积时连通电化学沉积工作液(1)供液支路；在涂覆液态光固化材料(3)时，液态光固化材料(3)由多级离心泵(4)泵出，依次经过单向阀(6)、调压阀(7)、流量计(9)流入喷嘴(10)；在显影时，显影液(2)由多级离心泵(4)泵出，依次经过单向阀(6)、电磁换向阀(8)、调压阀(7)、流量计(9)流入工作液流道(16)的进液口；在电化学沉积和电解过程中，电化学沉积工作液(1)由多级离心泵(4)泵出，依次经过单向阀(6)、电磁换向阀(8)、调压阀(7)、流量计(9)流入工作液流道(16)的进液口；溢出的电化学沉积工作液(1)由工作台收集后流入废液收集装置(15)；
所述光刻系统(14)与第二机械臂(26)远离底座(24)的一端连接，位于待加工的工件(11)上方；所述光刻系统(14)包括垂直光源和光刻掩膜版(23)，每块光刻掩膜版(23)刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版(23)，控制系统(22)根据分层切片信息更换光刻掩膜版(23)；
或者，在一块光刻掩膜版(23)上制备所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，控制系统(22)根据分层切片信息移动光刻掩膜版(23)；
或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
所述电源系统(21)包括高频双向脉冲电流电源，高频双向脉冲电流电源的正极连接工具电极(17)，高频双向脉冲电流电源的负极连接待加工的工件(11)；
所述控制系统(22)按时序控制转台(13)旋转，按时序控制第一机械臂(25)升降和水平位移，通过光学传感器(19)定位，实现喷嘴(10)、电化学沉积夹具(18)升降和水平位移；按时序控制第二机械臂(26)升降，通过光学传感器(19)定位，实现光刻系统(14)升降；按时序控制多级离心泵(4)的启停，按时序控制电磁换向阀(8)的换向；按时序控制光刻系统(14)和电源系统(21)的启停。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：涂覆过程和电化学沉积过程，转台(13)旋转；涂覆过程，通过光学传感器(19)定位，控制喷嘴(10)移动到工件(11)表面上方；光刻过程结束后，通过光学传感器(19)定位，控制电化学沉积夹具(18)进入工位；电化学沉积过程结束后，通过光学传感器(19)定位，控制电化学沉积夹具(18)退出工位；每次沉积后，控制光刻系统(14)和电化学沉积夹具(18)逐层上升，以保证逐层加工时光刻系统(14)和电化学沉积夹具(18)与工件(11)表面的距离保持不变。
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Application publication date: 20220531 Assignee: NANJING KESUO ENVIRONMENT TECHNOLOGY CO.,LTD. Assignor: Nanjing Tech University Contract record no.: X2023980054722 Denomination of invention: Electrochemical additive manufacturing method and device based on photolithography layering to prepare confined patterns Granted publication date: 20230428 License type: Common License Record date: 20240103 |