DE19855268B4

DE19855268B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils

Info

Publication number: DE19855268B4
Application number: DE1998155268
Authority: DE
Inventors: Claus Hornig
Original assignee: CLAHO ENGINEERING GmbH
Current assignee: CLAHO ENGINEERING GmbH
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: DE19855268A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils, bei dem
in einem einen Elektrolyten enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges Werkstück und in einem vorgegebenen kleinen Abstand davon die Spitze einer Elektrode angeordnet werden,
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 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,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Schichtbauprozesses kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird und daß die Meßwerte zur Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Anode und dem Werkstück verwendet werden, und
daß der Elektrolyt auf einer vorbestimmten erhöhten Temperatur gehalten wird.

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-Bauteilen 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 unverhältnismäßig hohen Kosten verbunden ist. So stößt die Herstellung von Spritzgußwerkzeugen mit Mestern, deren Formabschnitte im Größenbereich 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.

Die DE 44 42 961 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils, bei dem in einem ein Elektrolyt enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges Werkstück und in einem vorgegebenen kleinen Abstand davon eine Elektrode angeordnet werden, bei dem ferner 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 wobei das Werkstück und die Anode derart relativ zueinander bewegt werden, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Eletrolyten aufgebaut wird. Es werden keine Maßnahmen offenbart, die Schwankungen und Maßabweichungen bei dem Schichtbauprozeß verhindern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der betrachteten Art so weiter zu verbessern, daß dreidimensionale metallische Bauteile mit größerer Genauigkeit herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung sieht vor, daß während des Schichtaufbaus kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird, die ein Maß für den jeweiligen Abstand zwischen der Anodenspitze und dem Werkstück ist. Die Meßwerte werden zur Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Anode und dem Werkstück verwendet. Außerdem wird der Elektrolyt während des ganzen Herstellungsvorgangs auf einer vorbestimmten erhöhten Temperatur gehalten, die bevorzugt etwa 40 bis 50°C beträgt. Hierdurch wird der Ausdehnungskoefizient der beteiligten Bauteile konstant gehalten, so daß ausgeschlossen ist, daß durch Temperaturänderungen Maßabweichungen entstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält dementsprechend eine Meßeinrichtung, mit der kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung meßbar ist, und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den Meßwerten die genannte Relativgeschwindigkeit steuert. Außerdem enthält die Vorrichtung eine Heizeinrichtung, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist, deren Einhaltung durch einen Thermostaten gewährleistet wird.

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

Alternativ hierzu kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, 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 verhindert 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 verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird, die einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten darf. Da sich durch den kontinuierlichen 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 gegenseitige 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 Steuereinrichtung betätigten Schalter etc. unterbrochen werden kann. Die Anodenspitze kann aber auch in anderen vorgegebenen Bahnen, beispielsweise polygonförmig, bogenförmig usw. über die Werkstückfläche geführt werden.

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

Zweckmäßigerweise ist außerdem eine Schwingungsdämpfungseinrichtung vorgesehen, die das Werkstück und/oder die Anode erschütterungsfrei 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 Anodenspitze 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 einen präzisen, kontrollierten Materialaufbau in aufeinanderfolgenden 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 Größenordnung liegen kann.

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

1 eine weitgehend schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht und

2 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus.

1 zeigt einen Behälter 1, an dessen Boden eine beispielsweise 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 dargestellten Führungseinrichtung über die Flächen des aufzubauenden 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 Metallionen 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 1 befindet, getrennt von den übrigen Bereichen aufgebaut werden.
2 zeigt rein schematisch die in Pfeilrichtung bewegte Anodenspitze 4, unter der sich auf dem Werkstück 2 eine Metallschicht ablagert. Infolge des äußerst geringen Abstandes der Anodenspitze 4 von dem Werkstück 2 lagert sich die Metallschicht zielgenau unter der Anodenspitze ab.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils, bei dem in einem einen Elektrolyten enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges Werkstück und in einem vorgegebenen kleinen Abstand davon die Spitze einer Elektrode angeordnet werden, 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 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, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schichtbauprozesses kontinuierlich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird und daß die Meßwerte zur Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Anode und dem Werkstück verwendet werden, und daß der Elektrolyt auf einer vorbestimmten erhöhten Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in dem Behälter fixiert wird und daß die Anode in X- und Y-Richtung in vorbestimmten Bahnen über das Werkstück sowie in Z-Richtung geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in zwei orthogonalen Richtungen und die Anode in der dritten Richtung geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode in zwei orthogonalen Richtungen und das Werkstück in der dritten Richtung geführt werden.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils, mit einem Behälter (1) zur Aufnahme eines Elektrolyts, einer Halteeinrichtung für ein Werkstück (2), das mit einer Gleichstomquelle verbindbar ist, einer mit der Gleichstomquelle verbindbaren Anode (3) mit einer dem Werkstück (2) zugewandten Anodenspitze (4) und einer Führungseinrichtung für die Anode und/oder das Werkstück, so daß diese relativ zueinander in X-, Y- und Z-Richtung bewegbar sind, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, mit der kontinuierlich die Stromstärke oder Spannung meßbar ist und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den Meßwerten die Relativgeschwindigkeit zwischen der Anode (3) und dem Werkstück (2) steuert, und eine Heizeinrichtung, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung für das Werkstück (2) und/oder die Anode (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspitze (4) einen Durchmesser hat, der in der Größenordnung von 10 μm liegt.