Die
Abscheidung von Metall aus einer Elektrolytlösung, beispielsweise auf eine
metallische Fläche,
ist im Stand der Technik bekannt. Zur Herstellung metallischer Körper mit
einer bestimmten Geometrie werden zum Beispiel unter anderem galvanische
Verfahren eingesetzt, bei denen Metall aus einer metallsalzhaltigen
Lösung,
einer Elektrolytlösung,
durch Einsatz von elektrischem Strom an einer Elektrode niedergeschlagen
wird.
Hierbei
wird zur Formgebung als Elektrode ein elektrisch leitendes Abbild
der späteren
gewünschten
Geometrie verwendet, auf dessen Oberfläche der galvanische Prozess
stattfindet. Ist dieses leitende Abbild ungünstig geformt, beispielsweise
mit Spitzen oder stark gerundeten Flächen, an denen es zu verschiedenen
Feldstärken
kommt, so können
ungleichmäßig dicke
Schichten des abgeschiedenen Metalls auf dem abzuformenden Teil
entstehen.
Die
Verteilung der Schichtdicke ist in der Regel nur durch Versuche
zu ermitteln und zu optimieren. In der Praxis muss auch die Metallsalzlösung durch
spezielle chemische Zutaten auf den jeweiligen Anwendungsfall optimiert
werden. Weiterhin ist in tiefen Löchern oder Spalten die Geschwindigkeit des
Metallwachstums so langsam, dass die bekannten Verfahren unwirtschaftlich
sind. Das Resultat einer Abscheidung mit diesem bekannten Verfahren
ist beispielsweise eine Schale mit einer Rückseite, deren Geometrie nicht
kontrolliert werden kann und deren Vorderseite im Wesentlichen dem
elektrisch leitenden Abbild entspricht. Eine derart undefinierte
Geometrie der Schalenrückseite
führt beispielsweise
zu Handhabungsproblemen und macht eine spätere Nachbearbeitung nötig. Darüber hinaus
muss das formgebende elektrisch leitende Abbild der späteren Geometrie
zuerst hergestellt werden, was zu weiteren Verzögerungen im Herstellungsprozess
führt. Daher
ist das gesamte Verfahren nicht automatisierbar und an vielen Stellen
muss mit Erfahrungswerten gearbeitet werden, was die Reproduzierbarkeit
beeinflusst.
Im
Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, zur Herstellung metallischer
Körper,
beispielsweise von Prototypen, das Verfahren des selektiven Lasersinterns
einzusetzen. Hierfür
wird ein Metallpulver durch einen Laser lokal so weit erhitzt, dass
die Körner
des Pulvers aufschmelzen. Beim Erkalten entsteht durch thermische
Kristallbildung eine zusammenhängende
Schicht, die auch mit ihrer Unterschicht verschmolzen ist. Durch
mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs in immer neuen Schichten wächst der
gewünschte
Körper
in die Höhe
und erhält dabei
Schicht für
Schicht die gewünschte
Form.
Dieses
bekannte Verfahren führt
jedoch zu wesentlichen Problemen durch die thermische Schwindung
bei der Erstarrung. Hierdurch können Eigenspannungen
und auch Verzüge
entstehen, wenn die geschmolzene Schicht auf einer festen Unterschicht
erstarrt. Festigkeit und Genauigkeit eines derart hergestellten
Körpers
sind deswegen üblicherweise
nicht ausreichend. Außerdem
findet sich die im Ausgangspulver vorhandene Luft in Form von kleinen
Kanälen
oder Blasen im Metall wieder, so dass der erstellte Körper porös ist. Für viele
Anwendungen ist diese Eigenschaft nicht erwünscht.
Ebenso
ist es bekannt, zur Herstellung metallischer Körper eine spanabhebende Bearbeitung zu
verwenden, wofür
aus einem größeren, vollen
Metallmaterial durch Fräsen
alles überschüssige Material
entfernt wird. Ein Fräser
führt hierbei
eine kreisbogenförmige
Schnittbewegung aus, wobei die Geometrie und Formgebung des gewünschten
Körpers durch
die Vorschubbewegung hergestellt wird, mit der der Fräser relativ
zum Werkstück
bewegt wird.
Eine
derartige Fräsbearbeitung
führt zu
Zerspanungskräften,
die auf die Vorschubbewegung rückwirken.
Es werden hohe Anforderungen an die Steifigkeit der Maschine gestellt,
damit die Präzision des
bearbeiteten Werkstücks
ausreichend ist. Für
die Berechnung der Vorschubbewegung ist eine hohe Rechenleistung
notwendig, um beispielsweise zu verhindern, dass der Fräser oder
andere Teile der Fräsmaschine
mit dem Werkstück
kollidieren. Das kleinste herstellbare Detail liegt in der Größenordnung
des Fräserdurchmessers
und somit bei nur wenigen Zehntel Millimetern. Für derart feine Details muss
der Fräskopf
sehr dünn
ausgeführt
sein, was bei den für
die Bearbeitung notwendigen Drehzahlen zu Schwingungen des Fräsers führt, worunter
wiederum die Präzision
des Herstellungsprozesses leidet.
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem präzise metallische
Körper unabhängig von
ihrer externen und internen Formgebung, insbesondere voll automatisiert
und insbesondere schichtweise hergestellt werden können.
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass auf einer zumindest teilweise elektrisch leitenden, insbesondere
planen Fläche
eines Körpers,
insbesondere eines Grundkörpers,
eine Maske angeordnet wird, welche die darunter liegende Fläche gegenüber der
Elektrolytlösung
schützt und/oder
partiell freigibt.
Wird
ein derartiger Körper
insbesondere kopfüber
in die Elektrolytlösung
getaucht, so dass bevorzugt nur die zu beschichtende Fläche benetzt wird,
so kann bei einem entsprechenden Stromfluss Metall aus der Elektrolytlösung an
die Stellen der zu beschichtenden elektrisch leitenden und hierbei
insbesondere metallischen Fläche
des Körpers
galvanisch abgeschieden werden, die durch die Maske gegenüber der
Elektrolytlösung
freigeblieben sind. Letztendlich wird somit durch den genannten
Verfahrensschritt eine bzw. sämtliche
in einer Maske angeordneten Aussparungen durch abgeschiedenes Metall
aufgefüllt.
Hierdurch
bildet sich insbesondere zusammen mit der Maske eine neue, zumindest
teilweise elektrisch leitende, insbesondere metallische Schicht auf
der ursprünglichen
Schicht der Ursprungsfläche. Dadurch,
dass in der nach der Abscheidung entstandenen Schicht sowohl metallische
Anteile als auch Maskenmaterialanteile vorhanden sind, kann die
sich ergebende Fläche
je nach Verwendung des Maskenmaterials vollständig elektrisch leitend oder
auch nur partiell elektrisch leitend sein.
Durch
den zuvor beschriebenen Verfahrensschritt wird im Wesentlichen auf
eine zumindest teilweise elektrisch leitende Fläche, insbesondere auf deren
leitende Flächenbereiche,
eine (erste) Schicht von Metall abgeschieden, wobei dieses Metall
die Kontur der in der Maske vorhandenen Ausnehmungen aufweist.
In
einer Wiederholung des oben genannten Verfahrens kann es nunmehr
vorgesehen sein, auf der neu ausgebildeten, wenigstens teilweise
elektrisch leitenden Schicht eine weitere Schicht anzubringen, was
dadurch erfolgen kann, dass erneut eine Maske aufgetragen wird,
in deren Aussparungen wiederum Metall abgeschieden wird.
Auf
diese Art und Weise kann Schicht für Schicht ein metallischer,
dreidimensionaler Körper aufgebaut
werden, dessen Formgebung durch die Überlagerung mehrerer verschiedener
Schichten metallischen Materials gegeben ist.
Die
Feinheit in der Oberflächenstruktur
und auch der internen Formgebung des ausgebildeten Metallkörpers wird
hierbei maßgeblich
durch die Auswahl sowohl der Maskenschichtstärke als auch der galvanisch
abgeschiedenen Stärke
der Metallschicht bestimmt.
Da
es bei der galvanischen Metallabscheidung z.B. aufgrund unterschiedlicher
lokaler Elektrolytkonzentrationen sowie auch unterschiedlich starker
lokaler Feldstärken
zu verschieden starkem Schichtwachstum kommen kann, ist es in einer
bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass vor einer
Anordnung einer Maske auf einer zumindest teilweise elektrisch leitenden,
z.B. einer durch vorherige Abscheidung hergestellten, insbesondere
metallischen Fläche,
die Fläche
eingeebnet wird.
Ein
derartiges Einebnen kann sowohl bei der erstmalig zu beschichtenden
Grundfläche
als auch bei jeder, durch die galvanische Abscheidung hergestellten
Schicht erfolgen. Dies hat darüber
hinaus den besonderen Vorteil, dass jede abgetragene Schicht neben
der Einebnung noch auf eine bestimmte definierte Schichtstärke abgetragen
wird, so dass sich hierdurch letztendlich die Genauigkeit der Formgebung
im Herstellungsprozess beeinflussen lässt. Weiterhin ergibt sich
durch die ebene Ausgangsfläche
für eine
neu abzuscheidende Fläche
ein gleichmäßigeres
Schichtwachstum, wodurch sich auch insbesondere die Zusammensetzung
der Elektrolytlösung
(Metallsalzlösung)
vereinfacht.
In
einer weiteren bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es ergänzend
vorgesehen sein, dass eine zumindest teilweise, insbesondere bereichsweise
elektrisch leitende Fläche
vor der galvanischen Abscheidung einer metallischen Schicht vorbehandelt
wird, z.B. um diese Schicht zur Verbesserung der Haftung einer neu
aufzutragenden Schicht von organischen und/oder anorganischen Verunreinigungen
zu befreien. Hierfür kann
der Fachmann verschiedene, ihm bekannte Maßnahmen ergreifen, wie beispielsweise
die Behandlung mit entsprechenden Lösungsmitteln oder auch materialabtragende
Behandlungen, insbesondere auch die Beleuchtung mit Laserlicht,
um thermisch oder fotoablativ Verunreinigungen zu entfernen.
Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
es vorgesehen sein, dass die Maske durch ein elektrisch isolierendes
Maskenmaterial oder auch durch ein elektrisch leitendes Maskenmaterial
ausgebildet wird.
Insbesondere
wenn ein elektrisch leitendes Material verwendet wird, kann es sich
um ein Metall handeln, welches einen geringeren Schmelzpunkt aufweist
als das abzuscheidende Metall. Dies hat insbesondere Vorteile bei
der späteren
Entformung des ausgebildeten Metallkörpers aus dem Maskenmaterial
heraus und bei der Ausbildung von Hinterschneidungen oder Hohlräumen im
herzustellenden Körper.
Bei
der Verwendung eines elektrisch isolierenden Maskenmaterials wird
der Vorteil erreicht, dass sich bei einer galvanischen Abscheidung
von Metall dieses Metall definitiv nur an den Stellen ablagert,
an denen das isolierende Maskenmaterial die darunter liegende metallische
Fläche
freigibt. Eine Metallabscheidung an dem isolierenden Maskenmaterial
selbst tritt nicht auf.
Dies
hat jedoch den Nachteil, dass bei dem schichtweisen, in die Höhe verlaufenden
Aufbau eines Metallkörpers
in einer Schicht nur derartige Stellen weiter metallisiert werden
können,
die in einer darunter liegenden Schicht bereits Metall aufgewiesen
haben. Bei einer Verwendung eines elektrisch isolierenden Maskenmaterials
kann sich daher eine Struktur eines schichtweise gebildeten Körpers nach oben
hin nur verjüngen
oder in der Ausdehnung konstant bleiben.
Das
Ausbilden von Hohlräumen
oder Hinterschneidungen in einer Struktur des schichtweise aufgebauten
Körpers
kann bei der Verwendung eines elektrisch isolierenden Maskenmaterials
z.B. dann erreicht werden, wenn das bereits in einer Fläche vorliegende
isolierende Maskenmaterial zumindest bereichsweise mit einer elektrisch
leitenden Beschichtung, z.B. einem Leitlack beschichtet wird, so dass
bei der Abscheidung einer neuen Schicht sich das abzuscheidende
Metall auch auf den ansonsten nicht leitenden Bereichen des Maskenmaterials
abscheidet. Durch diese verfahrensmäßige Ausgestaltung besteht
daher auch die Möglichkeit,
Hohlräume und
Hinterschneidungen bei der Verwendung von elektrisch nicht leitenden
Maskenmaterialien auszubilden.
Diese
Problematik stellt sich nicht, sofern als Maskenmaterial ein elektrisch
leitendes Material wie beispielsweise ein Metall eingesetzt wird.
Hierbei ist lediglich zu beachten, dass das als Maskenmaterial verwendete
elektrisch leitende Material eine andere Materialeigenschaft als
das abzuscheidende Material aufweist, um über diese differierenden Materialeigenschaften
nach dem schichtweisen Aufbau des metallischen Körpers eine Entformung vornehmen
zu können.
So
kann beispielsweise bei der Verwendung eines elektrisch nicht leitenden
Materials, wie beispielsweise eines Lackes, die Entformung durch
eine Verbrennung des Maskenmaterials erfolgen, bei der nach dem
Verbrennungsvorgang lediglich der schichtweise aufgebaute metallische
Körper
stehen bleibt.
Hingegen
bei der Verwendung eines elektrisch leitenden Maskenmaterials, wie
z.B. eines Metalls mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als der des abzuscheidenden
Materials kann eine Entformung durch Erhitzung stattfinden, da hierbei
bei einer Erwärmung
des hergestellten Körpers über den Schmelzpunkt
des Maskenmaterials und unterhalb des Schmelzpunktes des abgeschiedenen
Metalls sich nur das Maskenmaterial verflüssigt und aus dem schichtweise
aufgebauten Körper
entfernt werden kann. Nach der Abkühlung bleibt somit lediglich ebenso
der schichtweise aufgebaute Körper
stehen.
Zur
Ausbildung einer Maske kann in einer bevorzugten Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Maskenmaterial auf eine zu beschichtende Fläche beispielsweise vollständig aufgetragen werden,
woraufhin dann anschließend
die Maskenausnehmungen in das Maskenmaterial eingebracht werden.
Dies kann beispielsweise durch übliche spanabhebende
Bearbeitung oder bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt
mittels eines insbesondere fokussierten Laserstrahls erfolgen.
Da
Laserstrahlung sich durch sehr kohärentes Licht auszeichnet, besteht
die Möglichkeit,
einen sehr kleinen Fokusfleck eines Laserstrahls zu erzielen, so
dass auch besonders feine Maskenausnehmungen im Maskenmaterial z.B.
durch den schreibenden Verlauf eines Laserstrahls hergestellt werden können. Hierfür können beispielsweise
Laserbeschriftungsanlagen verwendet werden.
Der
Materialabtrag aus dem Maskenmaterial zur Ausbildung von Maskenausnehmungen
mittels eines Lasers kann hierbei beispielsweise durch eine thermische
Wechselwirkung und das dadurch bedingte Verdampfen des Materials
oder auch durch fotochemische Prozesse, wie beispielsweise eine
Fotoablation erfolgen.
Ebenso
kann es vorgesehen sein, zur vollflächigen Beschichtung einer galvanisch
zu beschichtenden Fläche
einen sogenannten Fotoresist zu verwenden, der zunächst auf
die zu beschichtende Fläche
gleichmäßig aufgetragen
wird, anschließend
entsprechend belichtet wird, beispielsweise mit UV-Licht durch eine
entsprechende Belichtungsmaske hindurch oder aber auch direkt durch
das Schreiben mittels eines Laserstrahls, woraufhin anschließend aus dem
Fotoresist die belichteten oder je nach Verfahren auch die unbelichteten
Maskenmaterialanteile beispielsweise chemisch ausgelöst werden.
In die sodann entstehenden Maskenausnehmungen kann erneut galvanisch
Metall abgeschieden werden.
In
einer anderen Verfahrensvariante kann es ebenso vorgesehen sein,
das Maskenmaterial nur partiell auf die beschichtete Fläche aufzutragen,
beispielsweise durch eine Auftragsmaske, wie es vom Siebdruckverfahren
her bekannt ist. So bleiben automatisch die später durch Metall zu beschichtenden Flächenanteile
von Maskenmaterial frei.
Wie
oben beschrieben, können
die Ausnehmungen in ein Maskenmaterial beispielsweise durch Verwendung
eines Lasers erzielt werden. Hierfür kann es vorgesehen sein,
dass ein beispielsweise durch UV-Strahlung aushärtbarer Lack, ein Klebefilm oder
ein durch Reibschweißen
aufgebrachter Thermoplast auf die zu beschichtende Fläche aufgebracht
wird. Nach diesem Auftrag kann sodann dieses Maskenmaterial mittels
des Laserstrahls bearbeitet werden, um die gewünschten Ausnehmungen einzubringen.
Ebenso
ist es möglich,
ein Maskenmaterial in Form eines Lösungsmittellacks einzusetzen
oder auch die Verfahren der Pulverbeschichtung oder des Wirbelsinterns
einzusetzen.
Grundsätzlich kann
der Fachmann zur Ausbildung einer geeigneten Maske jedes ihm bekannte Verfahren
einsetzen.
Durch
das zuvor beschriebene Planen bzw. Einebnen einer durch Abscheidung
erzeugten Fläche,
auf die durch die galvanische Abscheidung weitere Schichten aufgetragen
werden sollen, wird besonders erreicht, dass die Verteilung der
einzelnen Schichtdicken sehr gleichmäßig ist. Hierdurch vereinfacht
sich insbesondere die Zusammensetzung der verwendeten Metallsalzlösung, wie
beispielsweise Kupfersulfat oder Nickelsulfatamat, die gemäß dem Stand
der Technik besonders angepasst werden musste, um gleichmäßige Schichtabscheidungen
zu erreichen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann weiterhin vorteilhaft dadurch weiter gebildet werden, dass
die Stärke
eines für
die galvanische Abscheidung vorgesehenen Stroms an die elektrisch
leitenden Flächenanteile
der zu beschichtenden Fläche angepasst
wird.
Beispielsweise
ist davon auszugehen, dass bei einer metallischen Grundplatte, die
als Ausgangsfläche
zur schichtweisen Abscheidung herangezogen wird, die ursprünglich erstmalig
zu beschichtende Fläche
vollständig
metallisch ausgebildet ist.
Eine
erstmals hierauf aufgetragene Maske wird dementsprechend bezogen
auf das weitere Verfahren maximale Anteile von Ausnehmungen aufweisen,
die bei der Verwendung nicht elektrisch leitender Maskenmaterialien
mit jeder Schicht weiter abnehmen. Daher wird bevorzugt zur Erzielung
einer gleichmäßigen Flächenstromdichte
in jeder abzuscheidenden Schicht die Stromstärke mit jedem weiteren Aufbringen
einer Schicht eine geringere Stromstärke gewählt. Insbesondere kann die
Stromstärke zur
galvanischen Schichtabscheidung derart eingestellt werden, dass
bezüglich
jeder Schicht eine konstante Flächenstromdichte
erreicht wird.
In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen
sein, die Metallabscheidung unter einem Umgebungsdruck stattfinden
zu lassen, der größer ist
als der normale Atmosphärendruck.
Hierfür
kann beispielsweise das Verfahren in einer Druckkammer durchgeführt werden, in
der ein solcher erhöhter
Umgebungsdruck einstellbar ist. Vorteilhafterweise kann durch Erhöhung des Umgebungsdruckes
erreicht werden, dass die Bildung von Gasblasen am metallischen
Körper,
der wie eine Elektrode wirkt, verringert oder gänzlich verhindert wird. Als
Umgebungsdruck wird zu Durchführung
des Verfahrens beispielsweise ein Druck größer als 2 bar, bevorzugt größer als
10 bar eingestellt.
Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt
die Formgebung eines metallischen Körpers gleichzeitig mit dessen
Herstellung. Es ist daher nicht notwendig, wie es im Stand der Technik
bekannt ist, vorhergehende Herstellungsprozesse beispielsweise von
Grundformen, von denen eine Abformung durchgeführt wird, abzuwarten.
Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt
sich die Möglichkeit
sehr fein strukturierte Oberflächen
und Strukturen in dem metallisch schichtweise aufgebauten Körper zu
erzielen, da die Feinstrukturen im Wesentlichen durch die Maskenausnehmungen
und hier gegebenenfalls bei Verwendung eines Lasers zur Erzeugung
dieser Ausnehmungen durch die Laserwellenlänge und die Fokussierbarkeit
des Strahles gegeben ist. Es können
daher Strukturen erzielt werden, die wesentlich kleiner sind als
die kleinsten derzeit verwendbaren Fräserradien.
Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens können so
beispielsweise Kunststoffspritzgussformen hergestellt werden, die
eine besonders hohe Genauigkeit und Feinheit der Strukturen aufweisen.
Der
Ablauf des Verfahrens ist in der nachfolgenden Abbildung exemplarisch
in der Art eines Flussdiagramms dargestellt.
Die
Figur zeigt einen Rohling 1, der beispielsweise aus einem
Metall bestehen kann oder zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche 2 aufweist.
Im Fall eines Metallrohlings 1 muss nicht notwendigerweise
dieser Rohling aus dem gleichen Metall bestehen wie die aufzutragenden
Schichten. Die Materialwahl kann hierbei unter Gesichtspunkten, wie
beispielsweise die gute Zerspanbarkeit, optimiert werden.