DE19855268A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Mikrobausteinen wird in einem mit Elektrolyt gefüllten Behälter eine beispielsweise aus Kupfer bestehende Grundplatte befestigt, auf der das Bauteil aufgebaut wird. In einem vorgegebenen sehr kleinen Abstand von der Grundplatte wird die Spitze einer Elektrode angeordet. An die Grundplatte und an die Elektrode wird eine elektrische Spannung angelegt, so daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bildet. Die Anodenspitze wird nun auf vorbestimmten Bahnen über das Werkstück geführt, auf dem schichtweise Metallionen aus dem Elektrolyten abgelagert werden, so daß Schicht für Schicht das Bauteil aufgebaut wird. Die gewünschte Struktur wird mit äußerster Genauigkeit eingehalten, und das Bauteil hat eine extrem hohe Homogenität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils sowie eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren ausführbar ist.

Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Mikro-Bautei­ len geeignet, wobei als Beispiele für seine Einsatzgebiete der Mikro-Formenbau, Mikro-Manufacturing, Mikro-Prototyping, die Medizintechnik, die Feinstwerktechnik und der Mikrospritzguß zu nennen sind, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist. Die Erfindung ist grundsätzlich aber auch zur Herstellung größerer metallischer Strukturen einsetzbar.

Es besteht ein großer Bedarf nach einem Verfahren, mit dem sehr kleine dreidimensionale metallische Bauteile herstellbar sind, da dies in herkömmlicher Herstellungsweise häufig nicht mit der erforderlichen Genauigkeit möglich oder aber mit unverhältnis­ mäßig hohen Kosten verbunden ist. So stößt die Herstellung von Spritzgußwerkzeugen mit Nestern, deren Formabschnitte im Größen­ bereich von 10 µm liegen, in der Praxis auf unüberwindliche Schwierigkeiten, und die Herstellung winziger Getriebe für Uhren, um ein weiteres Beispiel zu nennen, ist mit sehr hohen Kosten verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem insbesondere kleindimensionierte metallische Bauteile in nahezu beliebiger dreidimensionaler Form mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand herstellbar sind. Außer­ dem soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der solche Bauteile hergestellt werden können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Behälter, in dem sich ein Elektrolyt befindet, ein elektrisch leitfähiges Werkstück wie beispielsweise eine Kupferplatte befestigt, und in einem vorgegebenen Abstand davon die Spitze einer Elektrode angeordnet, wobei sich die Elektrodenspitze ebenso wie das Werkstück in der Flüssigkeit befinden. Als Elektrolyt können beispielsweise Kupferlösungen, Nickellösungen, Kadmiumlösungen, Palladiumlösungen usw. verwendet werden, während die Elektrode beispielsweise aus Wolfram, Graphit, Platin etc. bestehen kann.

Weiter sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß an das Werkstück und an die Elektrode eine elektrische Spannung ange­ legt wird, und zwar so, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden.

Das Werkstück und die Anodenspitze werden nun relativ zueinander bewegt, wobei auf dem Werkstück das herzustellende Bauteil schichtweise durch Ablagerungen von Metallionen aus dem Elek­ trolyten aufgebaut wird, was vorzugsweise in einem kontinueri­ lichen Prozeß geschieht.

Der Durchmesser der vorzugsweise konischen Anodenspitze hängt von der Größe der aufzubauenden Strukturen ab. Wenn sich der Bauraum in einer Größenordnung von 10 × 10 × 10 mm bewegt, kann der Durchmesser der Elektrodenspitze am freien Ende etwa 10 µm betragen, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist.

Der Abstand der Anodenspitze von der zugewandten Oberfläche des herzustellenden Bauteils kann ebenfalls in einer Größenordnung von 10 µm liegen, wobei die bei jedem Durchgang der Anoden­ spitze abgelagerte Schicht eine Dicke hat, die in diesem Falle z. B. 1-5 µm betragen kann.

Bei der Herstellung größerer Bauteile liegen die Abmessungen in einem entsprechend größeren Bereich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Werkstück in dem Behälter fixiert werden, während die Anode bei dem selekti­ ven Materialauftrag in X-, Y- und Z-Richtung in vorbestimmten Bahnen über das Werkstück geführt wird.

Alternativ hierzu kann das Verfahren auch so durchgeführt wer­ den, daß entweder das Werkstück in zwei orthogonalen Richtungen und die Anodenspitze in der dritten Richtung oder aber die Anodenspitze in zwei orthogonalen Richtungen und das Werkstück in der dritten Richtung geführt werden.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das Werkstück und die Anodenspitze gegenläufig in der X- und/oder Y-Richtung geführt werden, wenn dies zweckmäßig ist.

Bei der Relativbewegung der Anodenspitze gegenüber dem Werkstück wird in durch die jeweiligen Prozeßbedingungen vorgegebenen Bahnbreiten schichtweise der Metallkörper aufgebaut, wobei ver­ hindert werden muß, daß der Abstand zwischen der Anodenspitze und dem Werkstück bzw. dem im Aufbau befindlichen Bauteil so klein wird, daß es zu einem Kurzschluß kommt. Um dies zu verhin­ dern, wird vorgeschlagen, daß kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird, die einen vorgegebenen Grenz­ wert nicht überschreiten darf. Da sich durch den kontinuier­ lichen Schichtaufbau der Abstand zwischen der Anodenspitze und dem Werkstück verringert, führt dies zu einer entsprechenden Zunahme der Stromstärke, wobei nach einem weiteren wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung vorgesehen ist, daß die Meßwerte zur Steuerung der Geschwindigkeit herangezogen werden, mit der sich die Anodenspitze entlang des Werkstücks bewegt.

Der elektrische Meßwert wird damit zur Erfassung des jeweils stattfindenden Materialauftrags herangezogen, wobei dieser Meßwert einem Regelkreis zugeführt werden kann, der die gegen­ seitige Verschiebung von Anodenspitze und Werkstück steuert.

Die Anodenspitze kann zeilenförmig die Fläche des Werkstücks abfahren, wobei an den Bereichen, an denen keine Ablagerung stattfinden soll, der Stromfluß durch einen durch eine Steuer­ einrichtung betätigten Schalter etc. unterbrochen werden kann. Die Anodenspitze kann aber auch in anderen vorgegebenen Bahnen, beispielsweise polygonförmig, bogenförmig usw. über die Werk­ stückfläche geführt werden.

Wenn eine Schicht aufgetragen ist, wird der Abstand zwischen der Anodenspitze und der Oberseite des Werkstücks um eine Schicht­ dicke erhöht, wonach die nächste Schicht abgelagert werden kann.

Mit großem Vorteil wird ferner vorgeschlagen, daß der Elektrolyt auf einer vorbestimmten erhöhten Temperatur gehalten wird, die bevorzugt etwa 40 bis 50°C beträgt, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist. Die vorbestimmte Prozeßtemperatur wird während des gesamten Herstellungsvorgangs unverändert aufrecht erhalten. Hierdurch wird der Ausdehnungskoeffizient der betei­ ligten Bauteile konstant gehalten, so daß ausgeschlossen ist, daß durch Temperaturänderungen Maßabweichungen entstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines dreidi­ mensionalen metallischen Bauteils enthält in dem Behälter zur Aufnahme des Elektrolyts eine Halteeinrichtung für das Werkstück bzw. eine Grundplatte oder eine Grundstruktur, auf der das Bauteil schichtweise aufgebaut werden soll, sowie die Anode mit der dem Werkstück zugewandten Anodenspitze, die ebenfalls an einer Halteeinrichtung befestigt ist. Das Werkstück und die Anode sind über Leitungen mit einer Gleichstromquelle verbind­ bar. Außerdem enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Führungseinrichtung für die Anode und/oder das Werkstück, so daß diese relativ zueinander in X-, Y-, und Z-Richtung bewegbar sind.

Bevorzugt ist die Vorrichtung außerdem mit einer Heizeinrichtung versehen, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Tempera­ tur erwärmbar ist, deren Einhaltung durch einen Thermostaten gewährleistet wird. Außerdem ist mit großem Vorteil eine Meßein­ richtung vorgesehen, mit der kontinuierlich die Stromstärke oder Spannung gemessen wird. Die Meßwerte werden dazu verwendet, den Verlauf des Schichtaufbaus zu erfassen, und über eine Steuerein­ richtung bzw. einen Regelkreis die Relativgeschwindigkeit zwi­ schen der Anode und dem Werkstück zu steuern.

Zweckmäßigerweise ist außerdem eine Schwingungsdämpfungsein­ richtung vorgesehen, die das Werkstück und/oder die Anode er­ schütterungsfrei hält.

Die Anodenspitze kann - wenn sie querschnittlich kreisrund ist - einen Durchmesser haben, der im Bereich von 10 bis 100 µm liegt, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist. Die Ano­ denspitze kann querschnittlich aber auch eine langgestreckte Form haben, beispielsweise mit einer Breite von 10 µm und einer Länge von 100 µm, wodurch die Breite, auf der der jeweilige Schichtaufbau erfolgt, entsprechend größer wird.

Die Erfindung sieht demnach einen selektiven Materialauftrag durch einen elektrochemischen Prozeß vor. Sie ermöglicht die generative Herstellung von metallischen Mikrostrukturen durch eine präzisen, kontrollierten Materialaufbau in aufeinanderfol­ genden Schichten. Die dreidimensionale metallische Form ist mit einer Genauigkeit herstellbar, die in der Größenordnung von etwa +/- 2 µm liegt, wobei die Schichtdicke in der gleichen Größen­ ordnung liegen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend in ihren wesentlichen Merkmalen anhand zweier schematischer Darstellungen kurz beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine weitgehend schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspek­ tivischen Ansicht und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, an dessen Boden eine beispiels­ weise aus Kupfer bestehende Platte befestigt ist, auf der durch einen galvanischen Schichtbildungsprozeß ein dreidimensionales Bauteil 2 aufgebaut wird.

Eine Anode 3 hat eine Anodenspitze 4, die von einer nicht dar­ gestellten Führungseinrichtung über die Flächen des aufzubauen­ den Bauteils 2 geführt wird, auf denen der Schichtbauprozeß stattfinden soll.

Das aufzubauende Bauteil 2 und die Anodenspitze 4 befinden sich innerhalb eines Elektrolytbades, aus dem beim Fließen des Stroms von der Anodenspitze 4 zu dem Bauteil 2 metallische Anionen an dem aufzubauenden Bauteil abgeschieden werden. Das Bauteil besteht aus sehr reinem Metall und ist so homogen, wie dies mit herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, beispielsweise dem Lasersintern, nicht erreichbar ist.

Die Anode 3 wird in X- und Y-Richtung über das Werkstück 2 geführt, bis ein Schichtaufbau vollendet ist. Dann wird die Anode 3 um eine Schichtdicke in Y-Richtung angehoben, woraufhin die nächste Schicht aufgetragen wird.

Alternativ hierzu können aber auch einzelne Bereiche, wie der säulenförmige Abschnitt 5, über dem sich die Anode 3 in der Darstellung der Fig. 1 befindet, getrennt von den übrigen Bereichen aufgebaut werden.

Fig. 2 zeigt rein schematisch die in Pfeilrichtung bewegte Anodenspitze 4, unter der sich auf dem Werkstück 2 eine Me­ tallschicht ablagert. Infolge des äußerst geringen Abstandes der Anodenspitze 4 von dem Werkstück 2 lagert sich die Metallschicht zielgenau unter der Anodenspitze ab.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metalli­ schen Bauteils,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ein Elektrolyt enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges Werkstück und in einem vorgegebenen kleinen Abstand davon die Spitze einer Elektrode angeordnet werden,
daß an das Werkstück und an die Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird, derart, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden,
und daß das Werkstück und die Anode derart relativ zueinander bewegt werden, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Elektrolyten aufgebaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in dem Behälter fi­ xiert wird und daß die Anode in X- und Y-Richtung in vorbestimm­ ten Bahnen über das Werkstück sowie in Z-Richtung geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in zwei orthogonalen Richtungen und die Anode in der dritten Richtung geführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode in zwei orthogonalen Rich­ tungen und das Werkstück in der dritten Richtung geführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt auf einer vorbestimm­ ten erhöhten Temperatur gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schichtbauprozesses kontinuierlich die Stromstärke gemessen wird und daß die Meßwer­ te zur Steuerung der Geschwindigkeit verwendet werden.

7. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metal­ lischen Bauteils,
gekennzeichnet durch einen Behälter (1) zur Aufnahme eines Elek­ trolyts,
eine Halteeinrichtung für ein Werkstück (2), das mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist,
eine mit der Gleichstromquelle verbindbare Anode (3) mit einer dem Werkstück (2) zugewandten Anodenspitze (4) und
eine Führungseinrichtung für die Anode und/oder das Werkstück, so daß diese relativ zueinander in X-, Y- und Z-Richtung beweg­ bar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, ferner gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, mit der kon­ tinuierlich die Stromstärke oder Spannung meßbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den Meßwerten die Relativgeschwindigkeit zwischen der Anode (3) und dem Werkstück (2) steuert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, ferner gekennzeichnet durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung für das Werkstück (2) und/oder die Anode (3).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspitze (4) einen Durch­ messer hat, der in der Größenordnung von 10 µm liegt.