DE10054657A1

DE10054657A1 - Production of metallic micro-parts made of a metallic foil used in micro-systems comprises placing the foil on a carrier foil, and oscillating a tool connected to a cathode in a liquid electrolyte against the foil connected to the anode

Info

Publication number: DE10054657A1
Application number: DE10054657A
Authority: DE
Inventors: Bernd Penth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2002-01-10

Abstract

Process comprises placing foil on carrier foil, oscillating a tool connected to cathode in liquid electrolyte against foil connected to anode, and producing structured pattern from the metal foil formed as negative pattern on cathode. Current supply for oscillation and anode dissolution of foil is electrically correlated so that a narrow convergence takes place without short circuiting. Preferred Features: An oscillator or translator produces movement in different spatial or rotational axes. A piston or membrane pump operated mechanically, pneumatically, hydraulically or electromagnetically is used.

Description

Es wird die Herstellung metallischer Mikroteile aus einer trägerfoliengestützten, metallischen Folie durch anodisches, strukturiertes Auflösen von Metall in einem Elektrolyten durch Oszillieren zumindest einer Elektrode beschrieben. Unter einer metallischen Folie wird dabei ein Blech mit einer Dicke von weniger als 1 µm bis zu einer Dicke von mehreren Millimetern verstanden.It is the production of metallic micro parts from a carrier-supported, metallic Foil by anodic, structured dissolution of metal in an electrolyte Oscillation described at least one electrode. Under a metallic foil a sheet with a thickness of less than 1 µm to a thickness of several millimeters Roger that.

Die herzustellenden Metallteile werden dabei durch anodisches, strukturiertes Herauslösen von Metall aus einer Metallfolie hergestellt. Hierbei oszilliert bevorzugt ein als Kathode geschaltetes, elektrisch leitendes Werkzeug mit der gewünschten Struktur als Negativform oder die als Anode geschaltete Metallfolie als zu bearbeitendes Werkstück oszilliert gegenüber der fixierten Kathode.The metal parts to be produced are removed by anodic, structured removal of Metal made from a metal foil. In this case, one preferably oscillates as the cathode Switched, electrically conductive tool with the desired structure as a negative form or the metal foil connected as the anode as the workpiece to be machined oscillates with respect to the fixed cathode.

Zwischen Negativform und zu bearbeitendem Werkstück befindet sich eine ionenleitende elektrolytische Flüssigkeit, bevorzugt als Lösung anorganischer oder organischer Inhaltsstoffe. Zum Abtransport der zwischen Werkzeug und Werkstück gebildeten, aus dem bearbeiteten Werkstück stammenden Oxide, Hydroxide oder Oxidhydrate aus der Bearbeitungszone werden Werkzeug und Werkstück mechanisch oszillierend gegeneinander bewegt.There is an ion-conducting between the negative mold and the workpiece to be machined electrolytic liquid, preferably as a solution of inorganic or organic ingredients. For the removal of the formed between the tool and the workpiece, from the machined Workpiece-derived oxides, hydroxides or oxide hydrates from the processing zone Tool and workpiece are mechanically oscillating against each other.

Wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Schaltung, die derart gestaltet ist, daß die Spannungsquelle für den Oszillator, die Spannungsquelle für einen optional zusätzlichen Translator und die Spannungsquelle für die elektrolytische Metallauflösung miteinander korrelieren. Diese Korrelation ist bevorzugt so ausgelegt, daß ein Kurzschluß zwischen Kathode und Anode vermieden wird.An essential part of the present invention is the electrical circuit, which is is designed so that the voltage source for the oscillator, the voltage source for one optional additional translator and the voltage source for the electrolytic Correlate metal resolution with each other. This correlation is preferably designed such that a Short circuit between cathode and anode is avoided.

Die Anordnung kann so aufgebaut sein, daß sich das Negativ des herzustellenden Metallteiles auf einem Piezoelement befindet, welches als Oszillator betrieben wird.The arrangement can be constructed so that the negative of the metal part to be produced is located on a piezo element, which is operated as an oscillator.

In dieser Ausführung kann eine gemeinsame Wechselspannungsquelle zur Energieversorgung sowohl des Oszillators, als auch der Elektrolyse dienen, wobei der Elektrolysestrom zusätzlich gleichgerichtet wird. Dabei geschieht das Gleichrichten derart, daß keine Glättung der gleichgerichteten Spannung erfolgt, sondern optional sogar im Gegenteil die Spannungspitze verstärkt wird. Die Gleichrichtung kann auch derart erfolgen, daß nur ein Teilstrom gleichgerichtet wird, also weiterhin ein Reststrom als Wechselstrom in umgekehrter Richtung zum gleichgerichteten Strom fließt. In jedem Fall aber stellt sich in der Summe der Ströme das Werkstück als Anode dar. Dies gilt auch für den Fall, daß die Wechselspannung durch eine zweite Wechselspannung überlagert wird. Die verwendeten Wechselspannungen können sinusförmig oder rechteckig verlaufen.In this version, a common AC voltage source can be used for energy supply serve both the oscillator and the electrolysis, the electrolysis current additionally is rectified. The rectification occurs in such a way that no smoothing of the rectified voltage occurs, but optionally, on the contrary, the voltage peak is reinforced. The rectification can also be carried out in such a way that only a partial flow is rectified, so a residual current as alternating current in the opposite direction flows to the rectified current. In any case, this is the sum of the currents Workpiece as an anode. This also applies in the event that the AC voltage by a second AC voltage is superimposed. The AC voltages used can run sinusoidal or rectangular.

Weiterhin können mittels einer entsprechenden Schaltung dabei gleichzeitig die Flanken der Spannungskurve von den Spannungsspitzen abgeschnitten werden, so daß die Elektrolysespannung nur für einen einstellbar kurzen Zeitraum anliegt.Furthermore, the edges of the Voltage curve are cut off from the voltage peaks, so that the Electrolysis voltage is only present for an adjustable short period of time.

Dabei wird der Oszillator unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens des Oszillators so gepolt, daß die höchste Elektrolysespannung zwischen den Elektroden, also beispielsweise die Spitze der Sinuswelle, zeitgleich mit der dichtesten Annäherung der Elektroden verläuft. Statt einer Sinuswelle kann es sich dabei auch um eine modifizierte Sinuswelle, um eine Rechteckschwingung oder um überlagerte Schwingungen handeln. The oscillator is so taking into account the response behavior of the oscillator poled that the highest electrolysis voltage between the electrodes, for example the Tip of the sine wave, coincides with the closest approach of the electrodes. Instead of A sine wave can also be a modified sine wave, a Rectangular vibration or superimposed vibrations.

In dieser Ausführung ist der maximale Gesamt-Stromfluß der Wechselspannungsquelle begrenzt oder mittels eines Reglers begrenzbar. In der praktischen Konsequenz bedeutet dies, daß für den hypothetischen Fall, daß sich die beiden Elektroden, bedingt durch das Schwingen des Oszillators, so weit annähern, daß als Folge daraus ein relativ großer Strom zwischen den Elektroden (durch den Elektrolyten) fließt, für den Oszillator nur noch ein relativ geringer Stromanteil zur Verfügung steht, so daß die daraus resultierende geringere Auslenkung des Oszillators wiederum einen größeren Abstand der Elektroden nach sich zieht. Durch diese Art der selbstregulierenden Schaltung ist demnach die Geschwindigkeit der anodischen Auflösung zur Werkstückherstellung regelbar und gleichzeitig wird über einen sehr weiten Stromflußbereich ein Kurzschluß zwischen den Elektroden wirkungsvoll verhindert.In this embodiment, the maximum total current flow of the AC voltage source limited or limited by a controller. In practical terms, this means that in the hypothetical case that the two electrodes are caused by the vibration of the oscillator, so far that as a result a relatively large current between the Electrodes (through the electrolyte) flows, only a relatively small amount for the oscillator Current component is available, so that the resulting lower deflection of the Oscillator in turn causes a larger distance between the electrodes. By this way the self-regulating circuit is therefore the speed of the anodic resolution adjustable for workpiece production and at the same time has a very wide range Current flow area effectively prevents a short circuit between the electrodes.

Anstatt dieser hier beschriebenen, direkten Logik zur Verhinderung eines Kurzschlusses bei gleichzeitiger optimaler Annäherung der Elektroden kann auch eine entsprechende, beliebige Schaltung mit gleicher oder ähnlicher Funktion verwendet werden.Instead of this direct logic described here to prevent a short circuit A corresponding, arbitrary one can also simultaneously optimally approach the electrodes Circuit with the same or similar function can be used.

Die Anordnung kann weiterhin so aufgebaut sein, daß sich das Negativ des herzustellenden Metallteiles auf einem Piezoelement befindet, welches als Oszillator betrieben wird und dieser Oszillator sich auf einem weiteren Piezoelement befindet, welches als Translator betrieben wird. Der Translator unterscheidet sich insofern vom Oszillator, als er vorwiegend als Vorschubelement des Oszillators verwendet wird. Dies kann z. B. vorteilhaft sein zum Bearbeiten dickerer Folien. Die selbstregulierende Schaltung kann bei Verwendung eines Translators im für den Oszillator beschriebenen Sinn auf diesen ausgedehnt werden.The arrangement can also be constructed so that the negative of what is to be produced Metal part is located on a piezo element, which is operated as an oscillator and this Oscillator is located on another piezo element, which is operated as a translator. The translator differs from the oscillator in that it mainly as Feed element of the oscillator is used. This can e.g. B. be advantageous for Processing thicker foils. The self-regulating circuit can be used when using a Translators in the sense described for the oscillator can be extended to this.

Die Anordnung kann weiterhin so aufgebaut sein, daß sich Oszillator und Translator aufgrund Ihrer Anordnung aufeinander nicht in der gleichen Raumrichtung bewegen. Darüberhinaus können dabei beide Piezoelemente zu ungleichen Zeiten als Oszillatoren oder Translatoren arbeiten, wodurch die Herstellung komplexerer Bauteile ermöglicht wird. Es können auch Piezoantriebe verwendet werden, die teilkreisförmige Drehungen oder die Neigung der Bearbeitungsebene ermöglichen.The arrangement can also be constructed in such a way that the oscillator and translator are due to each other Their arrangement on top of each other does not move in the same spatial direction. Furthermore can use both piezo elements at different times as oscillators or translators work, which enables the production of more complex components. It can too Piezo drives are used, the part-circular rotations or the inclination of the Enable processing plane.

In dieser Ausführung ist entweder der Translator oder der Oszillator oder beide selbstregulierend im oben beschriebenen Sinn - zur Verhinderung eines Kurzschlusses und gleichzeitig optimaler Annäherung der Elektroden - mit der Elektrolysespannung gekoppelt.In this version, either the translator or the oscillator or both self-regulating in the sense described above - to prevent a short circuit and at the same time optimal approximation of the electrodes - coupled with the electrolysis voltage.

In einer Ausführung ist das als Kathode dienende Werkzeug nur auf der Arbeitsfläche, nicht aber an den seitlichen elektrisch leitend, so daß bei der Bearbeitung des Werkstückes in Schwingungsrichtung des Oszillators Material durch anodisches Auflösen nur von der zu bearbeitenden Oberfläche nicht aber von den Flanken entfernt wird, so daß insgesamt eine höhere Werkstückgenauigkeit resultiert. Das Werkzeug kann demnach aus einem leitenden Material bestehen, welches an den Flanken mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen ist. Das Werkzeug kann auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen, welches auf der Arbeitsfläche mit einer leitfähigen Schicht versehen ist.In one embodiment, the tool serving as the cathode is only on the work surface, not but on the side electrically conductive, so that when machining the workpiece in Vibration direction of the oscillator material by anodic dissolution only from the to machining surface is not removed from the flanks, so that a total higher workpiece accuracy results. The tool can therefore be made from a conductive Made of material that has an electrically insulating coating on the flanks is. The tool can also consist of an electrically non-conductive material, which is provided with a conductive layer on the work surface.

Gleichzeitig ist die Bearbeitungskammer optional mit Ventilen ausgestattet, so daß die Oszillation nicht nur für den beschriebenen Abtransport der Oxidsuspension aus dem unmittelbaren Bearbeitungsbereich sorgt, sondern gleichzeitig auch im Sinne einer Membranpumpe die Zufuhr von unbeladenem Elektrolyt und den mittelbaren Abtransport der oxidbeladenen Suspension besorgt. Alternativ wird der mittelbare Abtransport der Oxidsuspension durch eine periphere Pumpe besorgt. At the same time, the processing chamber is optionally equipped with valves, so that the Oscillation not only for the described removal of the oxide suspension from the immediate processing area, but also in the sense of a Diaphragm pump the supply of unloaded electrolyte and the indirect removal of the oxide-laden suspension. Alternatively, the indirect removal of the Oxide suspension obtained through a peripheral pump.

In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich bei der metallischen Folie um eine selbstklebende Folie auf einer Trägerfolie. Nach dem anodischen, strukturierten Ätzen verbleiben die hergestellten Strukturen auf dem Träger. Dieser Träger ist in der Regel eine Kunststoffolie. Die Trägerfolie wird als quasi Endlosfolie nach jedem Ätzvorgang eine Sequenz weiterbewegt, sodaß der Folienverbund aus Metallfolie und Trägerfolie insgesamt von einer Rolle durch die Bearbeitungsapparatur hindurchgeführt und anschließend mit den anhaftenden aus Folienteilen bestehenden Mikrowerkstücken aufgerollt wird. Zum Ablösen der Werkstücke von der Folie und zur Entfernung von Klebstoffen von den Werkstücken wird die Trägerfolie in eine organische Lösung gegeben.In a preferred embodiment, the metallic foil is a self-adhesive film on a carrier film. After the anodic, structured etching the structures produced remain on the carrier. This carrier is usually one Plastic film. The carrier foil becomes a quasi-continuous foil after each etching process Sequence moved so that the film composite of metal foil and carrier foil total of a role through the processing apparatus and then with the adhering micro workpieces consisting of film parts is rolled up. To replace the Workpieces from the film and for removing adhesives from the workpieces Carrier film placed in an organic solution.

In einer weiteren Ausführung wird eine Metallfolie auf einer einseitig oder doppelseitig klebenden leitenden oder nichtleitenden Folie fixiert. In einer weiteren Ausführung wird eine Metallfolie auf einem leitenden oder nichtleitenden Träger fixiert.In a further embodiment, a metal foil is on one side or double-sided adhesive conductive or non-conductive film fixed. In another version, a Metal foil fixed on a conductive or non-conductive support.

In einer Ausführung wird das Oszillieren zumindest einer der Elektroden durch pneumatischen oder hydraulischen Antrieb eines beweglichen Kolbens oder einer flexiblen Membran angeregt.In one embodiment, at least one of the electrodes is oscillated by pneumatic or hydraulic drive of a movable piston or a flexible membrane.

In einer weiteren Ausführung wird das Oszillieren zumindest einer der Elektroden durch piezoelektrischen Antrieb oder elektromagnetischen Antrieb eines mit einem Magnet versehenen, beweglichen Kolbens oder einer flexiblen Membran angeregt.In a further embodiment, the oscillation is carried out by at least one of the electrodes piezoelectric drive or electromagnetic drive one with a magnet provided, movable piston or a flexible membrane.

Eine weitere Ausführung verwendet als Bauteil eine als Membranpumpe konstruierte Mikropumpe, wobei die pumpaktive Membran bevorzugt von einem Piezoelement angetrieben wird. Eine solche Membranpumpe wird also derart modifiziert, daß auf der Membran die kathodisch betriebene Negativform befestigt wird und durch die modifizerte Gehäusewandung der Pumpe hindurch das zu bearbeitende Metall als Gegenelektrode eingebracht oder hindurchgeführt wird. Durch das Oszillieren des Piezoelementes wird also der Elektrolyt durch die Mikropumpe gefördert. Gleichzeitig befindet sich auf dem oszillierenden Piezoelement eine kathodisch geschaltete Negativform und diesem Element gegenüber, in der Pumpenwand herausnehmbar fixiert, oder als, an der Pumpenwand entlang durch das Gehäuse durchzuführende Folie, das anodisch geschaltete zu bearbeitende Metall, wobei zur Herstellung kleiner Teile, wie z. B. Zahnräder als zu bearbeitendes Metall, günstigerweise eine Metallfolie verwendet wird. Auf diese Weise lassen sich metallische Bauteile kleinster Dimensionen, wie z. B. Zahnräder für die Mikrosystemtechnik, herstellen.Another version uses a component designed as a diaphragm pump Micropump, the pump-active membrane preferably being driven by a piezo element becomes. Such a diaphragm pump is thus modified such that the is attached cathodically operated negative form and by the modified housing wall the metal to be machined is introduced as a counter electrode or is passed through. By oscillating the piezo element, the electrolyte is through promoted the micropump. At the same time there is one on the oscillating piezo element cathodically connected negative form and this element, in the pump wall removably fixed, or as, along the pump wall through the housing foil to be carried out, the anodically switched metal to be processed, for the production small parts, such as B. gears as metal to be machined, advantageously a metal foil is used. In this way, metallic components of the smallest dimensions, such as z. B. manufacture gears for microsystems technology.

Eine weitere Ausführung verwendet dazu im Gegensatz einen nicht flexiblen Träger für die die Negativstruktur enthaltende Kathode. Eine durch Abstandshalter auf Distanz gehaltene Metallfolie, bei der es sich vorzugsweise um eine selbstklebende Metallfolie auf einer Kunststoffolie handelt, welche anodisch geschaltet ist, wird durch eine dahinter, also auf der Seite der Trägerfolie, angeordnete Mimik zur Oszillation in Richtung Kathode angeregt, wobei das Oszillieren mechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder, günstigerweise piezoelektrisch erfolgt.In contrast, another embodiment uses a non-flexible support for the Cathode containing negative structure. One kept at a distance by spacers Metal foil, which is preferably a self-adhesive metal foil on a Plastic film that is anodically connected is replaced by one behind it, i.e. on the Side of the carrier film, arranged facial expressions stimulated to oscillate towards the cathode, whereby oscillating mechanically, electromagnetically, pneumatically, hydraulically or, favorably done piezoelectric.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die miteinander korrelierende, elektrische Schaltung des Elektrolysebetriebes und des Antriebes für die Schwingung der Elektrode. Die beiden elektrischen Verbraucher werden elektrisch parallel geschaltet. Nähern sich die beiden Elektroden durch starkes Oszillieren der Elektroden bis in die Nähe eines Kurzschlusses, steht bei fest eingestelltem maximalem Stromfluß nur noch wenig Strom für den Antrieb des Oszillators zur Verfügung und umgekehrt, sodaß der Prozeß sich als selbstregulierend darstellt.The present invention also relates to electrical correlating with one another Circuit of the electrolysis operation and the drive for the vibration of the electrode. The Both electrical consumers are connected electrically in parallel. The two approach Electrodes by strong oscillation of the electrodes up to the vicinity of a short circuit with a fixed maximum current flow only a little current for driving the Oscillators and vice versa, so that the process presents itself as self-regulating.

Aus dem gleichen Grund wird die Durchoxidation der Metallfolie, also die Fertigstellung des Werkstückes, am Anstieg der Oszillatorleistung erkannt. For the same reason, the through oxidation of the metal foil, ie the completion of the Workpiece, recognized by the increase in oscillator power.

Wenn es sich um eine Technik zur Herstellung sehr kleiner Teile, bevorzugt unter 10 mm, besonders unter 300 µm handelt, befindet sich auf der Negativform eine Reihe von unterschiedlichen oder gleichen Einzelformen. In jeweils einem Segment der Metallfolie werden also eine Vielzahl von Werkstücken jeweils in einer Charge bearbeitet. Nach deren Fertigstellung wird die Folie um die Breite eines Segmentes weitergeschoben.If it is a technique for manufacturing very small parts, preferably less than 10 mm, is less than 300 µm, there is a series of on the negative form different or the same individual forms. In each segment of the metal foil a large number of workpieces are processed in one batch. According to them Completion, the film is pushed forward by the width of a segment.

Claims

1. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the metallic foil is located on a carrier foil and an at least predominantly cathodically connected tool oscillates spatially in a liquid electrolyte against the at least predominantly anodically switched foil and thereby detaches a structured pattern from the metal foil is, which is located as a negative pattern on the cathode and thereby correlates the power supply for the spatial oscillation and the anodic dissolution of the film such that a spatially close approximation takes place, but a short circuit is excluded.

2. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the metallic foil is on a carrier foil and in a liquid electrolyte at least predominantly cathodically connected tool against the at least predominantly anodically switched foil oscillates spatially and a structured one from the metal foil Pattern is extracted, which is a negative pattern on the cathode and that the Power supply for anodic resolution a rectified, not smoothed AC voltage with the same phase profile or a similar phase profile as that AC voltage to supply an oscillator taking into account the Represents response of the oscillator and thus the highest voltage between the Electrodes occurs at the most extreme approach of the electrodes, the sum of the Currents for supplying the oscillator and electrolysis are adjustable and limited a short circuit in the anodic resolution is avoided.

3. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that that the power supply for anodic resolution.

4. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the metal foil to be processed is on a carrier foil made of metal or plastic, the foils are glued to one another or adhere self-adhesive and the resulting Micro parts can be removed from the carrier film in a controlled manner.

5. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that Oscillator or translator movements in different spatial axes or axes of rotation To run.

6. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the micro parts are manufactured in a working housing and this housing is also suitable Arranged valves is provided and by the oscillation of the film the anodic Dissolving the metal, resulting metal connections from the immediate work area are transported out and at the same time a regenerative electrolyte stream runs that the oscillation together with the two valves causes a pumping effect.

7. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the pump is mechanical, pneumatic, hydraulic or electromagnetic driven piston pump or diaphragm pump.

8. Production of metallic micro parts from a metallic foil, characterized in that the pump is a pump driven by a piezo element from the area microsystem technology.