CN114959801A - 一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置，利用绝缘屏蔽限域图案限制电化学反应发生的区域，采用交替正负脉冲电流实现具有较小特征尺寸的复杂三维金属结构高形状精度和高表面质量的电化学增材制造。该方法采用逐层加工绝缘屏蔽限域图案，可以使得所制备的三维金属结构的形状更加复杂，同时在极间交替施加正、负向脉冲波形，实现电沉积增材制造和电化学表面修整的同步进行，最终逐层制备出所需三维金属结构。本发明在三维金属结构的电化学制备方面具有快速简捷、适用性强的优点，可以实现任意结构和任意尺寸的灵活加工，解决了传统掩膜电化学增材制造难以实现复杂三维结构加工、工件表面质量差等问题。

Description

一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置。
背景技术
随着航空航天、国防军工、医疗器械等技术领域的快速发展，对零部件的加工精度及物理、化学性能也提出了更为严苛的要求，这些零部件可能具有微小复杂的结构形状，要求表面粗糙度小、无微缺陷，并且能够适应高温、高压、强腐蚀工况，传统增材制造方法难以实现复杂结构的精密加工。
近年来，对复杂结构特种加工方法的研究越来越多，常见的有电火花沉积、化学气相沉积、喷射沉积等。电火花沉积易形成重铸层，增大表面粗糙度，化学气相沉积易生成杂质且沉积速率低，喷射沉积所适用的沉积材料又过于局限，这些因素制约了其广泛运用。
限域电化学逐层增减材复合加工利用限域图案实现复杂微结构的电化学增材制造，并通过电化学减材提高表面质量，是一种针对复杂微结构加工的特殊工艺。
2018年6月15日，申请号为CN201711235938.1的中国专利公开了一种金属件的电化学增材制造方法，该方法对目标金属零件的三维模型进行切片分层处理，将其分割成多个依次叠加且具有一定厚度的二维图形，再用光刻机根据二维图形切割出具有相应形状和厚度的掩膜板。随后采用电化学沉积法在导电基体上逐层沉积出与所述掩膜板相对应的金属图形层，直到形成目标金属零件的三维金属实体。该方法可实现复杂金属零件的精密增材制造，但每次沉积后都要用砂纸对沉积表面进行打磨，大大降低了加工效率。
2021年5月18日，申请号为CN201911119021.4的中国专利公开了一种电化学加工装置及其方法，该方法利用光伏效应，将光伏板作为电沉积的阴极或者电解的阳极，通过选择性光照在光照区域形成光电源，同时导通光照区域的PN结形成形状可变的电极图案，同时在光伏板与模具板之间形成定域电场，以实现灵活的选择性电沉积增材制造或选择性电解蚀刻。但该方法对光源要求较高，否则难以实现高精度电沉积增材制造或电解蚀刻。
2016年1月13日，申请号为CN201510770394.3的中国专利公开了一种三维电铸加工方法及系统，该方法将电铸部件对应的电铸模具实体模型分层切片，先在阴极基板上增材制造铸模绝缘材料层，然后在绝缘材料层的限定区域内进行分层电铸加工，利用数控装置控制两种过程在铸模制备装置和电铸装置中循环交替进行，直至堆叠形成完整的电铸件。该方法能够电铸出具有复杂的三维结构的电铸部件，且电铸效率较高，但每一层电铸之后未对电铸表面进行处理，所以难以保证电铸件的层间及表面质量。
2020年7月24日，申请号为CN202010441268.4的中国专利公开了一种阳极局部屏蔽限域电沉积3D打印装置，该装置利用掩膜对阳极区域进行局部屏蔽，在阴极表面电化学沉积出未屏蔽区域图案，通过对掩膜的切换实现电沉积逐层3D打印。该发明不需要进行脱模且掩膜可重复利用，但掩膜边缘的电场屏蔽精度不易控制，因此难以实现高精度的3D打印。
综上所述，亟需一种简便高效的增材制造方法，来满足航空航天、医疗器械等研究领域对零部件加工精度、表面质量、结构性能的严格要求。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对限域电化学加工中绝缘屏蔽限域图案制备繁琐影响加工效率、基于掩膜的电化学沉积加工难以保证复杂三维结构表面以及截面尺寸不同的多层三维结构制备困难的问题，提供一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置，包括以下步骤：
(1)在工件阴极和工具阳极之间逐层制备分层绝缘屏蔽限域图案；
(2)在每一层的工具阳极和工件阴极之间交替施加正、负向脉冲电流，同时在极间通入复合电化学工作液；
(3)调节所施加的正负向脉冲电流的比例关系实现微结构增减材复合制备；
(4)通过分层绝缘屏蔽限域图案的逐层运动实现复杂三维结构成型制备。
进一步地，步骤(1)中，所述的分层绝缘屏蔽限域图案的材料为光敏材料、热敏材料、有机高分子聚合物、多孔材料或喷射打印成型颗粒。
所述的光敏材料为光感环氧树脂SU-8、AZ光刻胶或者光致聚合物刻蚀干膜GPM200。
所述的热敏材料为石蜡、松香树脂或者丁基橡胶。
所述的有机高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTFE或者亚克力有机玻璃PMMA。
所述的多孔材料为阳极氧化铝AAO、硅基介孔材料或者硅铝磷酸盐介孔分子筛SAPO。
所述的喷射打印成型颗粒为天然纤维复合材料颗粒NFC、陶瓷颗粒或者金属粉末。
所述的分层绝缘屏蔽限域图案的加工制备方法为光刻加工、纳米压印、热压印、激光雕版印刷、微细机械铣削、AFM探针成型加工、熔丝非金属3D打印加工和粘结剂喷射打印中的一种或至少两种的组合。
所述的分层绝缘屏蔽限域图案为固定式图案、可变式图案或者组合式图案。所述的固定式图案为圆形、矩形、三角形或者五角星形、特定文字、螺旋盘状图案等异型形状，所述固定式图案指在加工过程中随层数的变化而固定不变。
所述的可变式图案为面积递增式图案、面积递减式图案或者截面形状突变式图案，加工过程中随层数的变化而变化。
所述的组合式图案为固定式图案和可变式图案的组合，即部分层数的截面形状变化而另外部分层数的截面形状固定不变。
所述的分层绝缘屏蔽限域图案的横向特征尺度按照所制备的可达纳米、微米或者米级，纵向特征尺度可按每层加工需要达到纳米、微米或者厘米级厚度。
所述的分层绝缘屏蔽限域图案的层厚为均匀层厚或者可变层厚，所述可变厚度包括层厚递增、层厚递减和层厚周期变化的一种或者三者的组合。
进一步地，步骤(2)中，所述的脉冲电流的脉冲波形为简单几何形状或者曲线形状。所述简单几何形状为矩形、三角形、梯形或者锯齿形。所述曲线形状为正余弦波形、阶跃脉冲波形和多点编程脉冲波形的一种或者至少两种的组合。所述的脉冲电流的脉冲周期为纳秒级、微秒级、毫秒级或者秒级。所述的脉冲电流的类型为交替双向脉冲电流、周期换向脉冲电流或者正负脉冲参数比可变式双向脉冲电流。
进一步地，步骤(2)中，所述复合电化学工作液成分包括金属主盐和其余添加剂；所述金属主盐为瓦特型金属盐、氨基磺盐溶液、金属络合物水溶液或金属氰化物水溶液；所述瓦特型金属盐包括硫酸镍，所述氨基磺酸盐溶液包括氨基磺酸镍，所述金属络合物水溶液包括硫酸铜，所述金属氰化物水溶液包括柠檬酸金钾；所述其余添加剂为pH缓冲剂、阳离子活化剂、导电盐、针孔防止剂和表面光亮剂中的任意一种或者几种的组合；所述缓冲剂为硼酸、磷酸氢二钾或者柠檬酸盐；所述活化剂为氯离子或者溴离子；所述导电盐为硫酸钠、氯化钠或者硝酸钠；所述针孔防止剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵或者苯磺酸烷基置换盐；所述表面光亮剂为糖精或者1,4丁炔二醇；所述复合电化学工作液的工作状态为静液式或者冲液式，所述冲液式工作状态为侧向冲液式、垂直极板冲液式、侧向吸液式或者射流式。
进一步地，步骤(2)中，所述的工具阳极材料为所沉积金属对应的可溶性金属单质、难溶单质电极或者不溶性的惰性氧化物电极。所述可溶性金属单质为钴、镍或者铜。所述难溶单质电极为铂、金或者石墨。所述不溶性的惰性氧化物电极为SnO2基阳极、CeO2涂层阳极或者ITO电极。
进一步地，步骤(3)中，所述的调节正负向脉冲电流的比例关系包括正负脉冲的脉冲频率比、脉冲个数比、峰值电流比和占空比的比例关系，以及正负脉冲之间的脉冲间隔的比例关系。所述的正负向脉冲电流的脉冲频率、脉冲峰值电流和脉冲占空比均可单独调节。
进一步地，步骤(3)中，所述微结构增减材复合制备过程包括三维微结构高表面质量成型制造、分层微小厚度人为自主可控的三维微结构制备、原子尺度的表面涂层制备和多元合金复合沉积层制备。所述微结构的特征尺寸为纳米级、微米级或者米级，其形状、尺寸精度和表面粗糙度达到微米级或者纳米层级。
进一步地，步骤(3)中，所述的微结构的金属材料为金属单质、至少两相的复合金属材料或者至少二元的多层合金。
进一步地，步骤(4)中，所述的分层绝缘屏蔽限域图案为固定式屏蔽限域图案或者活动式屏蔽限域图案。所述固定式屏蔽限域图案的固定方式是贴覆固定在工件阴极表面或工具阳极表面。所述活动式屏蔽限域图案的运动方式是简单直线运动、沿X-Y方向前后左右平移运动、绕中心点的旋转运动的一种或至少两种的组合。
本发明公开了一种限域电化学逐层增减材复合加工制造装置，用以实现本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，该装置包括中央控制柜、数据采集卡、可编程脉冲电源、分层绝缘屏蔽限域图案加工系统、限域电化学逐层增减材复合加工系统、电解液系统和机床底座。
所述限域电化学逐层增减材复合加工系统包括Z轴精密线性位移平台、绝缘屏蔽限域图案、电化学加工液缸、阴极夹具、用以装夹和固定工件阴极的工具阳极、绝缘屏蔽限域图案夹具、Z轴滑动导轨、第二X轴精密线性位移平台和第二Y轴精密线性位移平台。所述第二Y轴精密线性位移平台滑动连接于机床底座上方，可沿Y方向位移。第二X轴精密线性位移平台滑动连接于第二Y轴精密线性位移平台上方，可沿X方向位移。所述电化学加工液缸位于第二X轴精密线性位移平台上方，所述电化学加工液缸用以提供电化学加工所需的工作液。所述阴极夹具位于电化学加工液缸底部上方。所述工具阳极和屏蔽限域图案夹具固定连接于Z轴精密线性位移平台，所述Z轴精密线性位移平台与Z轴滑动导轨连接，所述Z轴精密线性位移平台可沿Z方向位移。所述Z轴滑动导轨固定连接于机床底座。所述绝缘屏蔽限域图案装夹固定在绝缘屏蔽限域图案夹具上，工件阴极随着第二X轴精密线性位移平台和第二Y轴精密线性位移平台在XY平面上的位移而移动，所述绝缘屏蔽限域图案随着Z轴精密线性位移平台在Z轴方向上平移，最终所述绝缘屏蔽限域图案与工件阴极之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需三维金属工件。
所述分层绝缘屏蔽限域图案加工系统包括绝缘限域图案加工系统夹具、绝缘屏蔽限域图案、基底夹具、绝缘限域图案底座、绝缘限域图案加工模块、Z轴位移平台、第一X轴精密线性位移平台和第一Y轴精密线性位移平台。所述第一Y轴精密线性位移平台滑动连接于机床底座上方，可沿Y轴方向位移。所述第一X轴精密线性位移平台滑动连接于第一Y轴精密线性位移平台上方，可沿X轴方向位移。所述绝缘限域图案加工系统夹具与Z轴位移平台相连，可沿Z轴方向位移；所述绝缘限域图案加工模块连接于绝缘限域图案加工系统夹具；所述基底夹具固定连接于第一X轴精密线性位移平台，所述绝缘限域图案底座装夹连接于基底夹具；通过基底夹具随着第一X轴精密线性位移平台和第一Y轴精密线性位移平台沿XY平面的位移以及绝缘限域图案加工模块随着绝缘限域图案加工系统夹具沿Z轴方向位移，绝缘限域图案加工模块与绝缘限域图案底座之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需绝缘屏蔽限域图案；
所述电解液系统包括单向阀、流量计、单向叶片泵、过滤器、净液槽、浊液槽、溢流阀；复合电化学工作液通过过滤器过滤后，由单向叶片泵依次经过流量计、单向阀泵入供液回路，为电化学加工提供所需复合电化学工作液，使用后的复合电化学工作液流入浊液槽，过滤后可再次使用，流量计及溢流阀确保回路中压力及流量稳定；
可编程脉冲电源、第一X轴精密线性位移平台、第一Y轴精密线性位移平台、第二X轴精密线性位移平台、第二Y轴精密线性位移平台、Z轴精密线性位移平台、Z轴位移平台和绝缘限域图案加工模块均与数据采集卡相连，以实时监测运动及加工情况；
中央控制柜与数据采集卡、可编程脉冲电源相连，用于控制整个加工系统。
有益效果：
(1)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，可实现复杂三维结构的高尺寸精度和高表面质量电化学增材制造。即利用电化学沉积过程实现复杂微结构的增材制造，利用电化学溶解过程实现三维微结构的表面修整，电化学沉积和溶解过程交替进行，逐层制备出高精度的三维结构。
(2)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，可针对不同三维结构形状快速、灵活地制备出所需的绝缘屏蔽限域图案，不再需要额外的制作限域图案的步骤，简化了三维结构的制备流程。
(3)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，采用逐层绝缘屏蔽限域图案加工三维结构，相比于单一掩膜电化学加工使得制备的三维结构的形状可以更加复杂，所适用的三维结构的范围更加宽广，所制备三维结构的特征尺度可以实现跨尺度。
(4)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，采用了可编程脉冲电源加工，通过合理编辑正负脉冲电流参数，可以实现微结构特征尺寸的可控，同时脉冲间隔的存在可以增加阴极的活化极化和降低阴极表面浓差极化，以提高沉积层密度和均匀性。
(5)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，可以实现合金三维结构的制备，通过调整复合电解液的成分可实现多相复合金属三维结构或者多层金属结构的制备，扩展了三维结构材料的运用范围。
(6)本发明公开的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造装置，可实现绝缘屏蔽限域图案的在线制备、三维结构电化学增减材复合加工的实时观测、反馈，提高了三维结构电化学加工的灵活性。
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是本发明实施例部分提供的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造装置示意图；
图2是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的光刻加工方法示意图；
图3是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的热压印加工方法示意图；
图4是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的机械铣削加工方法示意图；
图5是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的3D打印加工方法示意图；
图6是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的激光加工方法示意图；
图7是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的AFM探针加工方法示意图；
图8是本发明实施例部分提供的绝缘屏蔽限域图案的粘结剂喷射打印的加工方法示意图；
图9是本发明实施例部分提供的每层限域图案均匀的绝缘屏蔽限域图案示意图；
图10是本发明实施例部分提供的每层限域图案直径线性增大的绝缘屏蔽限域图案示意图；
图11是本发明实施例部分提供的每层限域图案截面形状不同的绝缘屏蔽限域图案示意图；
图12是本发明实施例部分提供的每层限域图案层厚线性增大的绝缘屏蔽限域图案示意图；
图13是本发明实施例部分提供的每层限域图案平移示意图；
图14是本发明实施例部分提供的方波脉冲电流波形及参数示意图；
图15是本发明实施例部分提供的三角形波脉冲电流波形及参数示意图；
图16是本发明实施例部分提供的正弦波脉冲电流波形及参数示意图；
图17是本发明实施例部分提供的所制备的复合金属三维结构示意图；
图18是本发明实施例部分提供的所制备的多层金属三维结构示意图；
图19是本发明实施例部分提供的三维微结构高表面质量成型制造过程示意图；
图20是本发明实施例部分提供的分层微小厚度人为自主可控的三维微结构制备过程示意图；
图21是本发明实施例部分提供的原子尺度的表面涂层制备过程示意图；
图22是本发明实施例部分提供的多元合金复合沉积层制备过程示意图；
图23是本发明实施例部分提供的制备微弹簧结构整体加工过程示意图。
具体实施方式
本发明附图标记如下：1、中央控制柜，2、数据采集卡，3、可编程脉冲电源，4、Z轴精密线性位移平台，5、绝缘屏蔽限域图案，6、电化学加工液缸，7、阴极夹具，8、金属工件，9、绝缘屏蔽限域图案夹具，10、Z轴滑动导轨，11、绝缘限域图案加工系统夹具，12、基底夹具，13、绝缘限域图案加工模块，14、Z轴位移平台，15、机床底座，16、第一X轴精密线性位移平台，17、第一Y轴精密线性位移平台，18、单向阀，19、流量计，20、单向叶片泵，21、过滤器，22、净液槽，23、浊液槽，24、溢流阀，25、绝缘限域图案底座，26、压印模具，27、微细铣刀，28、打印喷头，29、激光器，30、AFM探针，31、粘结剂墨盒，32、工具阳极，33、工件阴极，34、分层绝缘屏蔽限域图案加工系统，35、限域电化学逐层增减材复合加工系统，36、微弹簧结构，37、光刻掩膜版，38、原子尺度表面涂层结构，39、顶板结构，40、弹簧段结构，41、锥形底座结构，42、第二X轴精密线性位移平台，43、第二Y轴精密线性位移平台，44、电解液系统。
本发明实施例公开一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置，采用绝缘屏蔽限域图案实现限域电化学加工，采用正负脉冲电流实现逐层电化学沉积和整平，通过绝缘屏蔽限域图案的空间运动实现三维结构的成型，最终可制备得到尺寸精度较高、表面质量较好、形状复杂的三维结构。
如图1所示，本实施例提供的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造装置包括中央控制柜1、数据采集卡2、可编程脉冲电源3、分层绝缘屏蔽限域图案加工系统34、限域电化学逐层增减材复合加工系统35、电解液系统44和机床底座15。
所述限域电化学逐层增减材复合加工系统35包括Z轴精密线性位移平台4、绝缘屏蔽限域图案5、电化学加工液缸6、用以装夹和固定工件阴极33的阴极夹具7、绝缘屏蔽限域图案夹具9、Z轴滑动导轨10、第二X轴精密线性位移平台42和第二Y轴精密线性位移平台43。所述第二Y轴精密线性位移平台43滑动连接于机床底座15上方，可沿Y方向位移。第二X轴精密线性位移平台42滑动连接于第二Y轴精密线性位移平台43上方，可沿X方向位移。所述所述电化学加工液缸6位于第二X轴精密线性位移平台42上方，所述电化学加工液缸6用以提供电化学加工所需的工作液。所述阴极夹具7位于电化学加工液缸6底部上方。所述工具阳极32和绝缘屏蔽限域图案夹具9固定连接于Z轴精密线性位移平台4，所述Z轴精密线性位移平台4与Z轴滑动导轨10连接，所述Z轴精密线性位移平台4可沿Z方向位移；所述Z轴滑动导轨10固定连接于机床底座15。所述绝缘屏蔽限域图案5装夹固定在绝缘屏蔽限域图案夹具9上，工件阴极33随着第二X轴精密线性位移平台42和第二Y轴精密线性位移平台43在XY平面上的位移而移动，所述绝缘屏蔽限域图案5随着Z轴精密线性位移平台4在Z轴方向上平移，最终所述绝缘屏蔽限域图案5与工件阴极33之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需三维金属工件。
所述分层绝缘屏蔽限域图案加工系统34包括绝缘限域图案加工系统夹具11、绝缘屏蔽限域图案5、基底夹具12、绝缘限域图案底座25、绝缘限域图案加工模块13、Z轴位移平台14、第一X轴精密线性位移平台16和第一Y轴精密线性位移平台17。所述第一Y轴精密线性位移平台17滑动连接于机床底座15上方，可沿Y轴方向位移。所述第一X轴精密线性位移平台16滑动连接于第一Y轴精密线性位移平台17上方，可沿X方向位移。所述绝缘限域图案加工系统夹具11与Z轴位移平台14相连，可沿Z轴方向位移。所述绝缘限域图案加工模块13连接于绝缘限域图案加工系统夹具11。所述基底夹具12固定连接于第一X轴精密线性位移平台16，所述绝缘限域图案底座25装夹连接于基底夹具12。通过绝缘限域图案底座25随着第一X轴精密线性位移平台16和第一Y轴精密线性位移平台17沿XY平面的位移以及绝缘限域图案加工模块13随着绝缘限域图案加工系统夹具11沿Z轴方向位移，绝缘限域图案加工模块13与绝缘限域图案底座25之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需绝缘屏蔽限域图案5。
所述电解液系统44包括单向阀18、流量计19、单向叶片泵20、过滤器21、净液槽22、浊液槽23、溢流阀24。复合电化学工作液通过过滤器21过滤后，由单向叶片泵20依次经过流量计19、单向阀18泵入供液回路，为电化学加工提供所需复合电化学工作液，使用后的复合电化学工作液流入浊液槽23，过滤后可再次使用，流量计19及溢流阀24确保回路中压力及流量稳定。
可编程脉冲电源3、第一X轴精密线性位移平台16、第一Y轴精密线性位移平台17、第二X轴精密线性位移平台42、第二Y轴精密线性位移平台43、Z轴精密线性位移平台4、Z轴位移平台14和绝缘限域图案加工模块13均与数据采集卡2相连，以实时监测运动及加工情况。
中央控制柜1与数据采集卡2、可编程脉冲电源3相连，用于控制整个加工系统。
如图1所示，本实施示例中可采用多种加工、成型方法在所述绝缘掩膜表面加工出所需绝缘屏蔽限域图案5，用以限制电化学反应发生的区域，由于所加工的绝缘屏蔽限域图案5的尺寸精度较高，因此所制备的三维金属工件8的形状精度较高，同时采用限域图案逐层加工的方式，可以实现不同特征尺寸、不同截面形状的绝缘屏蔽限域图案的逐层加工；所述绝缘屏蔽限域图案5加工完成后装夹固定于绝缘屏蔽限域图案夹具9上，用以限制电化学加工的区域，可编程脉冲电源3则在极间施加交替正负脉冲电流，使得电化学沉积和电化学修整依次进行，以获得具有高尺寸精度与高表面质量的三维金属结构，通过Z轴精密线性位移平台4实现绝缘屏蔽限域图案夹具9在Z轴方向的运动，通过X轴精密线性位移平台16和Y轴精密线性位移平台17的运动实现绝缘屏蔽限域图案夹具9的相对运动，最终可实现绝缘屏蔽限域图案夹具9在XYZ坐标上的运动，以实现复杂三维结构的成型。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述绝缘屏蔽限域图案5的加工方法为光刻加工、纳米压印、热压印、激光雕版印刷、微细机械铣削、AFM探针成型加工、熔丝非金属3D打印加工和粘结剂喷射打印中的一种或至少两种的组合，如图2至图8所示。图2为绝缘屏蔽限域图案5的光刻加工方法，通过掩模版13遮蔽部分区域的紫外光，实现所需限域图案的制备；图3为绝缘屏蔽限域图案5的热压印加工方法，加热后的压印模具26压入热敏材料中并将其融化，得到所需限域图案；图4为绝缘屏蔽限域图案5的微细机械铣削加工，通过运动控制使微细铣刀27在绝缘掩膜材料表面加工所需限域图案形状；图5为绝缘屏蔽限域图案5的非金属3D打印加工，利用3D打印喷头28，以增材制造的形式制备出所需限域图案；图6为绝缘屏蔽限域图案5的激光加工方法，采用激光器29在绝缘掩膜材料表面快速加工出对应的限域图案；图7为绝缘屏蔽限域图案5的AFM探针成型加工方法，通过AFM探针30在绝缘掩膜材料表面刻划出限域图案，由于AFM探针精度较高，因此所制备的绝缘屏蔽限域图案的特征尺度可以达到微米甚至纳米层级；图8为绝缘屏蔽限域图案5的粘结剂喷射打印成型方法，非金属颗粒通过粘结剂墨盒31喷射在工件25表面，同时控制粘结剂墨盒31在三维方向上的运动，最终形成所需限域图案5。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述绝缘屏蔽限域图案5的每层截面形状可以为固定式或者可变式，每层分层绝缘屏蔽限域图案5的厚度亦可以是恒定或者可变的，如图9-图13所示。图9为每层的截面形状和厚度恒定的分层绝缘屏蔽限域图案5；图10为每层截面形状随层数增加呈现线性增大的分层绝缘屏蔽限域图案5；图11为每层截面形状均不同的分层绝缘屏蔽限域图案5示意图；图12展示了每层屏蔽限域图案厚度随着层数线性增大的情况；图13为通过移动分层绝缘屏蔽限域图案5实现复杂三维金属结构制备的示意图。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述脉冲电流的波形包括矩形、三角形、梯形、锯齿形、正余弦波形、阶跃脉冲波形和多点编程脉冲波形，如图14～图16所示。图14为波形为方波的正负脉冲电流，图15和图16分别为脉冲波形为三角形波和正弦波的正负脉冲电流。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述电沉积的三维金属结构为金属单质、至少两相的复合金属材料或者至少二元的多层合金。图17为多相复合金属材料的示意图，所制备三维金属结构由两相组成；图18为多层合金材料的示意图，基底上分别制备了三层不同金属。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述分层绝缘屏蔽限域图案5可由光敏材料、热敏材料、有机高分子聚合物、多孔材料和喷射打印成型颗粒中的任一材料制成：其中，所述光敏材料为光感环氧树脂SU-8、AZ光刻胶或者光致聚合物刻蚀干膜GPM200，适用于光刻机光刻加工的方法；所述热敏材料为石蜡、松香树脂或者丁基橡胶，可采用纳米压印、热压印或者AFM探针挤压的方法制备屏蔽限域图案；所述有机高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTFE或者亚克力有机玻璃PMMA，适用于激光雕版印刷和微细机械铣削的方法加工出限域图案；所述多孔材料可直接用于三维结构电化学增减材复合加工，包括阳极氧化铝AAO、硅基介孔材料或者硅铝磷酸盐介孔分子筛SAPOs；所述喷射打印成型颗粒用于粘结剂喷射打印，包括天然纤维复合材料颗粒NFC、陶瓷颗粒或者金属粉末。
本实施例所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法中，所述复合电化学工作液成分包括金属主盐和其余添加剂；所述金属主盐为瓦特型金属盐、氨基磺盐溶液、金属络合物水溶液或金属氰化物水溶液；所述瓦特型金属盐包括硫酸镍，所述氨基磺酸盐溶液包括氨基磺酸镍，所述金属络合物水溶液包括硫酸铜，所述金属氰化物水溶液包括柠檬酸金钾；所述其余添加剂为pH缓冲剂、阳离子活化剂、导电盐、针孔防止剂和表面光亮剂中的任意一种或者几种的组合；所述缓冲剂为硼酸、磷酸氢二钾或者柠檬酸盐；所述活化剂为氯离子或者溴离子；所述导电盐为硫酸钠、氯化钠或者硝酸钠；所述针孔防止剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵或者苯磺酸烷基置换盐；所述表面光亮剂为糖精或者1,4丁炔二醇；所述复合电化学工作液的工作状态为静液式或者冲液式，所述冲液式工作状态为侧向冲液式、垂直极板冲液式、侧向吸液式或者射流式。
本实施例中，通过施加不同正负脉冲参数比例关系的脉冲电流可实现每层微结构特征尺寸的不同。所述多种微结构增减材复合制备过程包括三维微结构高表面质量成型制造、分层微小厚度人为自主可控的三维微结构制备、原子尺度的表面涂层制备、多元合金复合沉积层制备等过程。
图19为三维微结构高表面质量成型制造过程示意图，每一层微结构都采用负向脉冲进行了整平。
图20为定制纵向特征尺寸的三维微结构制备过程示意图，施加的正负脉冲参数比值逐渐增大，使得每一层微结构的厚度增加。
图21为原子尺度的表面涂层制备过程示意图，正负脉冲参数比值较小，电化学减材加工过程明显，可实现厚度在纳米甚至原子尺度的表面涂层制备。
图22为多元合金复合沉积层制备过程示意图，金属的沉积电位不同，因此可使每一层微结构的成分不同。
实施例1
本实施例基于本发明方法及装置，利用紫外光刻的方法加工分层绝缘屏蔽限域图案5，利用极间交替施加的不同比例关系的正负脉冲电流，以实现三维金属结构逐层制备和原子尺度表面涂层制备，联合X、Y、Z轴的空间运动，实现具有特定结构的复杂三维结构的成型，本实施例的加工制备流程如图23所示。
本实施例包括以下步骤：
(1)在工件阴极32和工具阳极33之间逐层制备分层绝缘屏蔽限域图案5；
(2)在每一层的工具阳极32和工件阴极33之间交替施加正负向脉冲电流，同时在极间通入复合电化学工作液；
(3)根据所施加的正负向脉冲电流的比例关系实现微结构增减材复合制备；
(4)通过分层绝缘屏蔽限域图案5的逐层运动实现复杂三维结构成型制备。
本实施例在步骤(1)中，分层绝缘屏蔽限域图案5的材料为光敏材料，具体为光致聚合物刻蚀干膜GPM200；分层绝缘屏蔽限域图案5的加工制备方法为光刻加工。
本实施例中采用的装置中绝缘限域图案加工模块13为设有光刻掩膜版37的紫外光UV光源系统。
本实施例聚焦于如图23所示的复杂三维结构的制备。该三维结构为具有底座和顶板的微弹簧结构40，可应用于压力传感器、微机电系统MEMS等领域。微弹簧结构40由三部分组成，包含截面逐渐减小的锥形底座结构41、截面积不变但呈现空间螺旋线上升的弹簧段结构40以及包含顶部原子尺度表面涂层38的顶板结构39。锥形底座结构41、弹簧段结构40及顶板结构39的材料为金属镍，顶部原子尺度表面涂层38的材料为金属铜，以提高导热性。
图23给出了采用紫外光刻法的分层绝缘屏蔽限域图案加工系统。将基底25清洗干净，在基底25表面贴附用于制备绝缘屏蔽限域图案5的光致聚合物刻蚀干膜GPM200。在上方放置光刻掩膜版37，光刻掩膜版37用于遮蔽紫外光，可使得光致聚合物刻蚀干膜GPM200指定区域发生光敏聚合反应并固化，去胶后即可形成所需的分层绝缘屏蔽限域图案5。
图23给出了限域电化学逐层增减材复合加工系统系统。本实施例在制备锥形底座结构41过程中，采用的分层绝缘屏蔽限域图案5为面积递减式图案，截面积随着层数的增加而逐渐减小，分层绝缘屏蔽限域图案5与待加工的工件阴极33贴附连接，配合Z轴精密线性位移平台4在Z方向上的直线运动，可逐层形成截面积逐渐减小的锥形底座结构41；在制备弹簧段结构40过程中，采用的分层绝缘屏蔽限域图案5为圆形的固定式图案，截面积不变，通过X、Y、Z轴精密线性位移平台(4、16、17)三者之间的联合运动，使分层绝缘屏蔽限域图案5在三维空间上的运动实现具有空间螺旋线上升的弹簧段结构40的制备；制备包含顶部原子尺度表面涂层38的顶板结构39时，先采用正向脉冲电流制备出一定厚度的金属层，然后施加较大的负向脉冲电流，使分层绝缘屏蔽限域图案5内发生较为明显的电化学溶解反应，通过这样减材制造的方式最终只留下厚度在原子尺度的表面涂层结构。
本实施例采用不同的正负脉冲参数配比关系实现微弹簧结构40不同段的制备。在整个加工过程中，正负脉冲的脉冲波形均为方波，频率均保持恒定，脉冲电流的脉冲周期为毫秒级。制备锥形底座结构41时，由于截面呈现线性缩小的趋势，因此正、负向脉冲的峰值电流、占空比、脉冲个数同样随着层数的增加而呈现线性减少的趋势；制备具有空间螺旋线上升的弹簧段结构40、顶板结构39时，因截面积保持不变，因此每一层正、负向脉冲的峰值电流、占空比、脉冲个数等参数均保持不变；制备顶板结构39中表面原子尺度表面涂层38时，单层的负向脉冲的峰值电流、占空比显著低于正向脉冲的峰值电流和占空比。
本实施例采用不同的复合电化学工作液实现不同金属材料的制备。锥形底座结构41、弹簧段结构40以及顶板结构39为纯镍金属，采用的复合电化学工作液包含金属主盐氨基磺酸镍，阳离子活化剂氯化镍，pH缓冲剂硼酸，针孔防止剂十二烷基硫酸钠SDS以及表面光亮剂糖精；原子尺度表面涂层结构38为纯铜金属，采用的复合电化学工作液包含金属主盐硫酸铜和阳离子活化剂盐酸。
本实施例采用不同的工具阳极33实现不同结构的制备。锥形底座结构41、弹簧段结构40以及顶板结构39为纯镍金属，因此制备该结构时采用金属纯镍阳极；原子尺度表面涂层结构38为纯铜金属，因此制备该结构时采用金属纯铜阳极。
本实施例加工过程中复合电化学工作液的工作状态均为侧向冲液式，所制备的微结构的特征尺寸均为微米级。
本实施示例是基于本发明方法及装置，利用紫外光刻方法加工分层绝缘屏蔽限域图案5，然后利用极间交替施加的正负脉冲电流，实现三维金属结构逐层制备，通过第二X轴精密线性位移平台42、第二Y轴精密线性位移平台43在XY方向的平移运动实现复杂三维结构成型。加工过程中通过更换光刻掩膜版可以达到每层绝缘屏蔽限域图案的特征尺度和形状均不同的目的，同时配合阴极夹具7及绝缘屏蔽限域图案夹具9在空间三维坐标上的运动，扩展了电化学增材制造能够制备的三维结构的范围。在电化学加工过程中，通过极间正负脉冲电流的交替使用，使得电化学沉积和电化学表面修整能够交替进行，极大提高了制备三维金属结构的尺寸精度和表面质量。
为了实现高效，稳定，高精度的加工，本方案创新地提出一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置，利用绝缘屏蔽限域图案实现电化学加工的定域性，利用交替正负脉冲实现三维结构的逐层沉积和整平，拓展了三维结构电化学加工的应用范围。
本发明提供了一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法及装置，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)

1.一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在工件阴极和工具阳极之间逐层制备分层绝缘屏蔽限域图案(5)；
(2)在每一层的工具阳极和工件阴极之间交替施加正、负向脉冲电流，同时在极间通入复合电化学工作液；
(3)调节所施加的正负向脉冲电流的比例关系实现微结构增减材复合制备；
(4)通过分层绝缘屏蔽限域图案(5)的逐层运动实现复杂三维结构成型制备。
2.根据权利要求1所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(1)中，
所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)的材料为光敏材料、热敏材料、有机高分子聚合物、多孔材料或喷射打印成型颗粒；
所述的光敏材料为光感环氧树脂SU-8、AZ光刻胶或者光致聚合物刻蚀干膜GPM200；
所述的热敏材料为石蜡、松香树脂或者丁基橡胶；
所述的有机高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTFE或者亚克力有机玻璃PMMA；
所述的多孔材料为阳极氧化铝AAO、硅基介孔材料或者硅铝磷酸盐介孔分子筛SAPO；
所述的喷射打印成型颗粒为天然纤维复合材料颗粒NFC、陶瓷颗粒或者金属粉末；
所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)的加工制备方法为光刻加工、纳米压印、热压印、激光雕版印刷、微细机械铣削、AFM探针成型加工、熔丝非金属3D打印加工和粘结剂喷射打印中的一种或至少两种的组合；
所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)为固定式图案、可变式图案或者组合式图案；所述的固定式图案为圆形、矩形、三角形或者五角星形、特定文字、螺旋盘状图案等异型形状，所述固定式图案指在加工过程中随层数的变化而固定不变；
所述的可变式图案为面积递增式图案、面积递减式图案或者截面形状突变式图案，加工过程中随层数的变化而变化；
所述的组合式图案为固定式图案和可变式图案的组合，即部分层数的截面形状变化而另外部分层数的截面形状固定不变；
所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)的横向特征尺度按照所制备的可达纳米、微米或者米级，纵向特征尺度可按每层加工需要达到纳米、微米或者厘米级厚度；
所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)的层厚为均匀层厚或者可变层厚，所述可变厚度包括层厚递增、层厚递减和层厚周期变化的一种或者三者的组合。
3.根据权利要求2所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的脉冲电流的脉冲波形为简单几何形状或者曲线形状；所述简单几何形状为矩形、三角形、梯形或者锯齿形；所述曲线形状为正余弦波形、阶跃脉冲波形和多点编程脉冲波形的一种或者至少两种的组合；所述的脉冲电流的脉冲周期为纳秒级、微秒级、毫秒级或者秒级；所述的脉冲电流的类型为交替双向脉冲电流、周期换向脉冲电流或者正负脉冲参数比可变式双向脉冲电流。
4.根据权利要求3所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合电化学工作液成分包括金属主盐和其余添加剂；所述金属主盐为瓦特型金属盐、氨基磺盐溶液、金属络合物水溶液或金属氰化物水溶液；所述瓦特型金属盐包括硫酸镍，所述氨基磺酸盐溶液包括氨基磺酸镍，所述金属络合物水溶液包括硫酸铜，所述金属氰化物水溶液包括柠檬酸金钾；所述其余添加剂为pH缓冲剂、阳离子活化剂、导电盐、针孔防止剂和表面光亮剂中的任意一种或者几种的组合；所述缓冲剂为硼酸、磷酸氢二钾或者柠檬酸盐；所述活化剂为氯离子或者溴离子；所述导电盐为硫酸钠、氯化钠或者硝酸钠；所述针孔防止剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵或者苯磺酸烷基置换盐；所述表面光亮剂为糖精或者1,4丁炔二醇；所述复合电化学工作液的工作状态为静液式或者冲液式，所述冲液式工作状态为侧向冲液式、垂直极板冲液式、侧向吸液式或者射流式。
5.根据权利要求4所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的工具阳极材料为所沉积金属对应的可溶性金属单质、难溶单质电极或者不溶性的惰性氧化物电极；所述可溶性金属单质为钴、镍或者铜；所述难溶单质电极为铂、金或者石墨；所述不溶性的惰性氧化物电极为SnO2基阳极、CeO2涂层阳极或者ITO电极。
6.根据权利要求5所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(3)中所述的调节正负向脉冲电流的比例关系包括正负脉冲的脉冲频率比、脉冲个数比、峰值电流比和占空比的比例关系，以及正负脉冲之间的脉冲间隔的比例关系；所述的正负向脉冲电流的脉冲频率、脉冲峰值电流和脉冲占空比均可单独调节。
7.根据权利要求6所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(3)中所述微结构增减材复合制备过程包括三维微结构高表面质量成型制造、分层微小厚度人为自主可控的三维微结构制备、原子尺度的表面涂层制备和多元合金复合沉积层制备；所述微结构的特征尺寸为纳米级、微米级或者米级，其形状、尺寸精度和表面粗糙度达到微米级或者纳米层级。
8.根据权利要求7所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(3)中所述的微结构的金属材料为金属单质、至少两相的复合金属材料或者至少二元的多层合金。
9.根据权利要求8所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的分层绝缘屏蔽限域图案(5)为固定式屏蔽限域图案或者活动式屏蔽限域图案；
所述固定式屏蔽限域图案的固定方式是贴覆固定在工件阴极表面或工具阳极表面；
所述活动式屏蔽限域图案的运动方式是简单直线运动、沿X-Y方向前后左右平移运动、绕中心点的旋转运动的一种或至少两种的组合。
10.实现权利要求1所述的一种限域电化学逐层增减材复合加工制造方法的装置，其特征在于，包括中央控制柜(1)、数据采集卡(2)、可编程脉冲电源(3)、分层绝缘屏蔽限域图案加工系统(34)、限域电化学逐层增减材复合加工系统(35)、电解液系统(44)和机床底座(15)；
所述限域电化学逐层增减材复合加工系统(35)包括Z轴精密线性位移平台(4)、绝缘屏蔽限域图案(5)、电化学加工液缸(6)、用以装夹和固定工件阴极(33)的阴极夹具(7)、工具阳极(32)、绝缘屏蔽限域图案夹具(9)、Z轴滑动导轨(10)、第二X轴精密线性位移平台(42)和第二Y轴精密线性位移平台(43)；所述第二Y轴精密线性位移平台(43)滑动连接于机床底座(15)上方，可沿Y方向位移；第二X轴精密线性位移平台(42)滑动连接于第二Y轴精密线性位移平台(43)上方，可沿X方向位移；所述电化学加工液缸(6)位于第二X轴精密线性位移平台(42)上方，所述电化学加工液缸(6)用以提供电化学加工所需的工作液；所述阴极夹具(7)位于电化学加工液缸(6)底部上方；所述工具阳极(32)和绝缘屏蔽限域图案夹具(9)固定连接于Z轴精密线性位移平台(4)，所述Z轴精密线性位移平台(4)与Z轴滑动导轨(10)连接，所述Z轴精密线性位移平台(4)可沿Z方向位移；所述Z轴滑动导轨(10)固定连接于机床底座(15)；述绝缘屏蔽限域图案(5)装夹固定在绝缘屏蔽限域图案夹具(9)上，工件阴极(33)随着第二X轴精密线性位移平台(42)和第二Y轴精密线性位移平台(43)在XY平面上的位移而移动，所述绝缘屏蔽限域图案(5)随着Z轴精密线性位移平台(4)在Z轴方向上平移，最终所述绝缘屏蔽限域图案(5)与工件阴极(33)之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需三维金属工件；
所述分层绝缘屏蔽限域图案加工系统(34)包括绝缘限域图案加工系统夹具(11)、绝缘屏蔽限域图案(5)、基底夹具(12)、绝缘限域图案底座(25)、绝缘限域图案加工模块(13)、Z轴位移平台(14)、第一X轴精密线性位移平台(16)和第一Y轴精密线性位移平台(17)；所述第一Y轴精密线性位移平台(17)滑动连接于机床底座(15)上方，可沿Y轴方向位移；所述第一X轴精密线性位移平台(16)滑动连接于第一Y轴精密线性位移平台(17)上方，可沿X轴方向位移；所述绝缘限域图案加工系统夹具(11)与Z轴位移平台(14)相连，可沿Z轴方向位移；所述绝缘限域图案加工模块(13)连接于绝缘限域图案加工系统夹具(11)；所述基底夹具(12)固定连接于第一X轴精密线性位移平台(16)，所述绝缘限域图案底座(25)装夹连接于基底夹具(12)；通过基底夹具(12)随着第一X轴精密线性位移平台(16)和第一Y轴精密线性位移平台(17)沿XY平面的位移以及绝缘限域图案加工模块(13)随着绝缘限域图案加工系统夹具(11)沿Z轴方向位移，绝缘限域图案加工模块(13)与绝缘限域图案底座(25)之间可实现空间三维坐标上的相对运动，从而制备出所需绝缘屏蔽限域图案(5)；
所述电解液系统(44)包括单向阀(18)、流量计(19)、单向叶片泵(20)、过滤器(21)、净液槽(22)、浊液槽(23)、溢流阀(24)；复合电化学工作液通过过滤器(21)过滤后，由单向叶片泵(20)依次经过流量计(19)、单向阀(18)泵入供液回路，为电化学加工提供所需复合电化学工作液，使用后的复合电化学工作液流入浊液槽(23)，过滤后可再次使用，流量计(19)及溢流阀(24)确保回路中压力及流量稳定；
可编程脉冲电源(3)、第一X轴精密线性位移平台(16)、第一Y轴精密线性位移平台(17)、第二X轴精密线性位移平台(42)、第二Y轴精密线性位移平台(43)、Z轴精密线性位移平台(4)、Z轴位移平台(14)和绝缘限域图案加工模块(13)均与数据采集卡(2)相连，以实时监测运动及加工情况；
中央控制柜(1)与数据采集卡(2)、可编程脉冲电源(3)相连，用于控制整个加工系统。
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Assignee: Nanjing Yangquan Electronics Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing Tech University

Contract record no.: X2023980054091

Denomination of invention: A manufacturing method and device for composite processing of localized electrochemical layer by layer addition and reduction materials

Granted publication date: 20230428

License type: Common License

Record date: 20231227