DE19936036C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Mikrobauteilen wird in einem mit Elektrolyt gefüllten Behälter beispielsweise eine aus Kupfer bestehende Grundplatte befestigt, auf der das Bauteil aufgebaut wird. In einem vorgegebenen Abstand über der Grundplatte wird eine plattenförmige Elektrode fixiert, deren Fläche mindestens so groß ist wie die Grundfläche des herzustellenden Bauteils. An die Grundplatte und die Elektrode wird eine elektrische Spannung angelegt, so daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden. Zwischen der Grundplatte und der Anode wird eine Lochblende auf vorbestimmten Bahnen über das Werkstück geführt, wobei unter dem Loch schichtweise Metallionen aus dem Elektrolyten abgelagert werden, so daß das Bauteil Schicht für Schicht 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 zur Ausführung dieses Verfahrens.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere zur Herstellung von Mikro- Bauteilen geeignet, wobei als Beispiele für ihre 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. Grundsätzlich ist die Erfindung auch zur Herstellung größerer metallischer Strukturen einsetzbar.

Es besteht aber insbesondere 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 Nestern, deren Formabschnitte im Größenbereich von 10 Mikrometern 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 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch elektrochemisches Abscheiden sowie eine zugehörige Vorrichtung, die eine Düsenanode mit einem Durchmesser D hat, der erheblich kleiner als die Kathode und das darauf aufzubauende Bauteil ist. Diese Düsenanode wird durch eine gesteuerte Verfahreinrichtung dreidimensional über der Kathode bewegt, um auf diese Weise das Bauteil schichtweise aufzubauen.

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 6 gelöst.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß in einem Behälter, in dem sich ein Elektrolyt befindet, ein elektrisch leitfähiges Werkstück wie beispielsweise eine Kupferplatte und - diesem gegenüberliegend - in einem vorbestimmten Abstand eine platten­ förmige Elektrode fixiert werden, deren Fläche mindestens so groß ist wie die gegenüberliegende Grundfläche des herzustellen­ den metallischen Bauteils, wobei sich die Elektrode ebenso wie das Werkstück in der Elektrolyt-Flüssigkeit befinden. Als Elek­ trolyt können beispielsweise Kupferlösungen, Nickellösungen, Kadmiumlösungen, Palladiumlösungen verwendet werden, während die Elektrode vorzugsweise durch eine Graphitplatte gebildet ist, aber auch aus Wolfram, Platin etc. bestehen kann.

An das Werkstück und an die Elektrode werden eine elektrische Spannung angelegt und zwar so, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden.

Zwischen dem Werkstück und der Anode wird nun eine Blende aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie Keramik mit einem Loch vorbestimmter Größe so bewegt, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Elektrolyten aufgebaut wird. Der Bereich der Auftragung ist da­ bei jeweils durch die Position des Lochs und die Geometrie der Anordnung der Bauteile festgelegt.

Die Lochblende fährt demnach in vorbestimmten Bahnen in X- und Y-Richtung über das Werkstück, wobei die Blende auch in Z-Rich­ tung bewegt werden kann, wenn der Abstand zwischen der Loch­ blende und dem allmählich aufgebauten Bauteil zu klein wird.

Dabei versteht es sich, daß zu Beginn des Herstellungvorgangs die Anode in einem geeigneten Abstand von dem Werkstück angeord­ net wird, der unter anderem von der vorgesehenen Bauhöhe des metallischen Bauteils abhängt. Während des Herstellungsprozesses bleibt in aller Regel der Abstand zwischen dem Werkstück und der Anode konstant, d. h. diese beiden Bauteile bleiben in dem Behäl­ ter fixiert.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß während der schichtweisen Ablagerung der Metallionen kontinuier­ lich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird, wobei dieser elektrische Meßwert zur Erfassung des jeweils stattfin­ denden Materialauftrags herangezogen wird. Da sich während der Ablagerung der Metallionen der Abstand zwischen dem Werkstück und der Anodenplatte verringert, führt dies zu einer entspre­ chenden Zunahme der Stromstärke bzw. Spannung. Der Meßwert kann einem Regelkreis zugeführt werden, der die Geschwindigkeit der Bewegung der Lochblende steuert, wodurch ein exakterer Material­ auftrag erzielt werden kann. Nachteilige Einflüsse wie unter­ schiedliche Konzentrationen der Ionen im Elektrolyten, Vorhan­ densein von Fremdstoffen im Elektrolyt, Temperaturschwankungen etc., die zu einer ungleichförmigen Ablagerung führen können, können hiermit ausgeglichen werden.

Die Blende kann so bewegt werden, daß das Loch in der Blende zeilenförmig die Fläche des Werkstücks abfährt, wobei an den Bereichen, an denen keine Ablagerung stattfinden soll, der Stromfluß durch einen durch eine Steuereinrichtung betätigten Schalter unterbrochen werden kann. Die Lochblende kann aber auch in anderen vorgegebenen Bahnen, beispielsweise polygonför­ mig über die Werkstückfläche geführt werden.

Weiter wird vorgeschlagen, daß der Elektrolyt auf einer vor­ bestimmten 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 beteiligten Bauteile kon­ stant gehalten, so daß ausgeschlossen ist, daß durch Temperatur­ änderungen Maßabweichungen entstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines dreidi­ mensionalen metallischen Bauteils enthält in dem Behälter zur Aufnahme des Elektrolyts eine erste Halteeinrichtung für das Werkstück bzw. eine Grundplatte oder eine Grundstruktur, auf der das Bauteil schichtweise aufgebaut werden soll, und eine zweite Halteeinrichtung für eine dem Werkstück im Abstand gegenüber­ liegende plattenförmige Elektrode, deren Fläche mindestens so groß ist wie die Fläche des herzustellenden Bauteils. Das Werk­ stück und die Elektrode sind über Leitungen mit einer Gleich­ stromquelle verbindbar. Außerdem enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Halte- und Führungseinrichtung für eine aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehende Blende mit einem Loch, die zwischen dem Werkstück und der Anode in X- und Y-Richtung sowie vorzugsweise auch in Z-Richtung bewegbar ist.

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 im Bereich unter dem Loch der Lochblende gemessen wird. Die Meßwerte werden dazu verwendet, den Verlauf des Schicht­ aufbaus zu erfassen und über eine Steuereinrichtung bzw. einen Regelkreis die Geschwindigkeit der Lochblende zu steuern.

Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Ionen-Konzentration enthält die Anlage nach einem weiteren wesentlichen Gesichts­ punkt der Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des PH-Wertes. Wenn sich der PH-Wert ändert, wird entsprechend frische Elek­ trolyt-Flüssigkeit zugemischt.

Zweckmäßigerweise ist außerdem eine Schwingungsdämpfungsein­ richtung vorgesehen, die das Werkstück, die Anode und die Loch­ blende erschütterungsfrei hält.

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 aufeinanderfol­ genden Schichten. Die dreidimensionale metallische Form ist mit einer Genauigkeit herstellbar, die in der Größenordnung von etwa +/-2 Mikrometern liegt, wobei die Schichtdicke in der gleichen Größenordnung liegen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Dar­ stellung kurz beschrieben. Dabei zeigt die Figur grundlegende Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht.

Die Figur zeigt rein schematisch eine beispielsweise aus Kupfer bestehende Platte 1, auf der durch einen galvanischen Schicht­ bildungsprozeß ein dreidimensionales Bauteil 2 aufgebaut wird. Die Kupferplatte 1 ist am Boden eines nicht dargestellten Behäl­ ters befestigt und so mit einer nicht dargestellten Gleichstrom­ quelle verbunden, daß sie die Kathode der Anordnung bildet.

In einem vorbestimmten Abstand über der Kathode 1 befindet sich eine plattenförmige Anode 3, die beispielsweise aus Graphit besteht und eine Fläche hat, die mindestens so groß ist wie die Grundfläche des aufzubauenden Bauteils 2. Die Anode ist an einer nicht dargestellten Halteeinrichtung fixiert.

Zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 befindet sich eine Blende 4, die mindestens eine so große Fläche hat wie die Kathode 1, so daß sie diese abschirmt. Die Blende 4 besteht aus einem elek­ trisch nicht leitenden Material wie Keramik und hat ein Loch 5 einer vorbestimmten Größe, durch das Strom von der Anode 3 zu dem Bauteil 2 fließt, wobei metallische Anionen an dem aufzubau­ enden Bauteil 2 abgeschieden werden. Die Kathode 1, das auf­ zubauende Bauteil 2, die Lochblende 4 sowie die Anode 3 befinden sich innerhalb eines Elektrolytbades.

Die Lochblende wird von einer nicht dargestellten Führungsein­ richtung in X- und Y-Richtung zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 geführt, wobei der Schichtaufbau erfolgt. Die Lochblende 4 kann von ihrer Führungseinrichtung auch in Z-Richtung bewegt werden.

Das auf diese Weise hergestellte Bauteil besteht aus sehr reinem Metall und ist so homogen, wie dies mit herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, beispielsweise dem Laser­ sintern, nicht erreichbar ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metalli­ schen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ein Elektrolyt enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges Werkstück und diesem in einem vorbestimmten Abstand gegenüber­ liegend eine plattenförmige Elektrode fixiert werden, deren Fläche mindestens so groß ist wie diejenige des herzustellenden Bauteils,
daß an das Werkstück und die Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird, derart, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden,
und daß eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende Blende aus einem elektrisch nicht leitenden Materi­ al so zwischen dem Werkstück und der Anode bewegt wird, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Elektrolyten aufgebaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende in vorbestimmten Bahnen in X- und Y-Richtung über das Werkstück geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende auch in Z-Richtung bewegt wird.

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

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schichtbauprozesses kontinuierlich die Stromstärke oder Spannung gemessen wird und daß die Meßwerte zur Steuerung der Geschwindigkeit der Bewegung der Lochblende verwendet werden.

6. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metal­ lischen Bauteils, gekennzeichnet durch einen Behälter zur Aufnahme eines Elek­ trolyts,
eine erste Halteeinrichtung für ein Werkstück (1), das mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist,
eine zweite Halteeinrichtung für eine mit der Gleichstromquelle verbindbare plattenförmige Anode (3), die dem Werkstück (1) gegenüberliegt und eine Fläche hat, die mindestens so groß wie die Fläche des herzustellenden Bauteils (2) ist, und
eine Führungseinrichtung für eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende plattenförmige Blende (4) aus einem elektrisch nicht leitendem Material, die die Blende (4) zwischen dem Werkstück (1) und der Anode (3) bewegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (4) aus Keramik be­ steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, ferner gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 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 Geschwindigkeit der Lochblende (4) steu­ ert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, ferner gekennzeichnet durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung für das Werkstück (1) und/oder die Anode (3) und/oder die Loch­ blende (4).