DE4442961C2 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch elektrochemisches Abscheiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Derartige Verfahren sind zum Beispiel aus der EP 0 426 363 A2 und der P 43 19 128.2 bekannt. Die darin beschriebenen Verfahren haben einen schichtweisen Metallauftrag auf einer Unterlage zum Gegenstand. Dabei wird aus einer Düse ein flüssiges, mit Binder vermischtes Metall ausge­ schieden und anschließend einem Sinterprozeß zur Austreibung des Binders unterzogen. Das Metall kann auch als Metallschmelze ausgeschieden werden, was jedoch hohe Temperaturen (Temperaturbereich des Schmelz­ punktes des verwendeten Metalles) erfordert. Bei Verwendung von Me­ tallbindergemischen ist das nachträgliche Austreiben der Binderphase auf­ wendig. Anderenfalls verbleiben die Binderteilchen in dem herzustellenden Bauteil. Derartige Bauteile eignen sich nicht für alle Verwendungen. Das in der EP 0 426 363 A2 beschriebene Verfahren verläuft so, daß das dort auszuscheidende Metall durch das Schmelzen eines einer Düse zugeführten drahtförmigen Materiales in Flüssigphase gebracht wird, was nicht nur mit einem erheblichen verfahrenstechnischen, sondern auch maschinentechni­ schen Aufwand verbunden ist.

Aus der DE-PS 91 515 ist ein Elektrolyseverfahren bekannt, bei dem zur Ver­ meidung einer schädlichen Gasentwicklung der Kathode Salz zugeführt wird. Dabei wird die Kathode frei im Raum aufgehängt und die Salzlösung als kon­ stanter Stromstrahl gegen sie geführt. Dieses Verfahren eignet sich zur Erzeu­ gung von Metallüberzügen auf Bauteilen.

Ein weiteres Verfahren zur Beschichtung komplizierter Oberflächengeometrien mittels einer universell anpaßbaren Formanode ist aus DE 31 31 367 C2 be­ kannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung drei­ dimensionaler Bauteile anzugeben, das freiformend durchführbar ist und eine kostengünstige und materialsparende Verfahrensweise erlaubt.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Da­ nach wird das Bauteil freiformend durch einen schichtweisen Metallauftrag auf der Kathode hergestellt. Seine Form wird durch elektrisch geladene Metallio­ nen, die der Kathode gesteuert zugeführt werden, bestimmt. Dabei werden die einzelnen Schichten aufeinander abgeschieden durch eine dreidimensionale. Relativbewegung zwischen der Anode und der Kathode. Dadurch wird der Ab­ scheidevorgang dreidimensional gesteuert, entsprechend der vorgegebenen geometrischen Form des herzustellenden Bauteiles. Zur Durchführung des Ver­ fahrens eignen sich herkömmliche galvanische Bäder. Im einfachsten Fall kann die Abscheidung des Metalles und somit der Aufbau des Bauteiles auf der Ka­ thode durch ein gesteuertes Verfahren einer Anode in einem galvanischen Bad durchgeführt werden. Es ist besonders vorteilhaft, daß außer der Steuerung der Bewegung der Anode keine wesentlichen Änderungen gegenüber einer herkömmlichen Badgalvanik notwendig sind, auch bezüglich der Badzu­ sammensetzung und der erforderlichen Anlagetechniken. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist lediglich eine gesteuerte Verfahrein­ richtung, die die Anode dreidimensional im Verfahren verfährt sowie Ab­ schirmeinrichtungen, die direkt mit der Anode gekoppelt sind, um eine Abschei­ dung außerhalb des gewünschten Bereiches zu vermeiden, notwendig. Die Steuerung der Einrichtung der Anode kann rechnerunterstützt erfolgen, dies ist insbesondere bei komplizierten Bauteilen von großem Vorteil und manchmal sogar notwendig. Die Steuerung und Zuführung der elektrisch geladenen Metallionen kann durch einen Flüssigkeitsstrahl beziehungsweise einen Elek­ trolytstrahl erfolgen. Die Zuführung der elektrisch geladenen Metallionen kann sowohl als Freistrahl außerhalb eines galvanischen Bades erfolgen, als auch in einem elektrolytischen Bad. In beiden Fällen wird mit der beschleunigten An­ strömung der Kathodenfläche eine Beschleunigung der Abscheidung erreicht. Auch ein in Tröpfchen aufgelöster Elektrolytstrahl kann verwendet werden. Die Tröpfchen können anodenseitig mit Hochspannung aufgeladen werden und sodann in dem zwischen Anode und Kathode entstehenden elektrischen Feld zur Kathode transportiert werden, wo sie ihre Ladung abgeben. Bei der La­ dungsabgabe wird das Metallion zum Metall reduziert, wodurch der Metallauf­ trag erfolgt. Die Zuführung des Elektrolyten in Form eines Flüssigkeitsstrahles kann sowohl in Freistrahltechnik als auch als Staustrahl realisiert werden. Die Einhaltung der vorgegebenen Geometrien ist durch die Verwendung einer unlöslichen Anode besonders günstig. Jedoch muß bei Verwendung einer derartigen Anode das gesamte aufgebrachte Metall im Elektrolyten enthalten sein, wodurch Elektrolyte sehr hohen Metallgehaltes erforderlich sind. Daraus resultiert dann auch eine Begrenzung der Abscheidegeschwindigkeit. Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es möglich, das benötigte Metall für die Auftragung in den Abscheideprozeß anodenseitig so einzubringen, daß es der Diffusionsgrenzschicht als metallischer Werkstoff in Form von Partikeln oder in Drahtform kontinuierlich zugeführt wird, womit der Verbrauch der Metallionen des Elektrolyten selbst deutlich vermindert wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, welches in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die prinzipielle Anordnung der Anode und der Kathode bei einem ge­ steuerten Abscheideprozeß.

Fig. 2 Die Anordnung der Anode in Düsenform mit einer dieser zugeordneten Abschirmung.

Der erfindungsgemäße gesteuerte Abscheidungsprozeß wird durch elektro­ chemische Abscheidung in einem bewegten Elektrolytvolumen bezie­ hungsweise Elektrolytstrahl durchgeführt. Hierzu muß der gesamte, für die Abscheidung benötigte elektrische Strom durch denjenigen Teil des Elek­ trolytstrahles geleitet werden, der sich zwischen Anode 1 und Kathode 2 oder, im fortgeschrittenen Stadium, dem Bauteil 3 befindet. Das Bauteil 3 wird durch den schichtweisen Metallauftrag auf der Kathode aufgebaut. Durch den elektrischen Widerstand des Elektrolyten findet eine Streuung des Stromes statt, so daß am Auftreffpunkt des Strahles eine Verbreiterung der Geometrie des aufgetragenen Metalles 3a verglichen mit dem Durch­ messer D der Düsenanode 1 stattfindet. Da Präzisonsbauteile 3 erwartet werden, ist diese Verbreiterung des aufgetragenen Materiales 3a für die fertigen Bauteile 3 nachteilig. Deshalb weist die Einrichtung eine Abschir­ mung 4 auf. Diese Abschirmung 4 kann zum Beispiel durch ein Kunststoff­ rohr (Fig. 2) realisiert werden. Dadurch wird die Verteilung der Stromlinien vom Zentrum der Auftragung weg durch die Abschirmung 4 behindert, so daß der Durchmesser des abgeschiedenen Metallpunktes dadurch kontrol­ liert werden kann. Die Dicke der einzelnen aufgetragenen Schichten 5 wird durch die Verweilzeit der Anode 1 an einer Stelle beziehungsweise durch die Geschwindigkeit des Verfahrens bestimmt. Es ist besonders vorteilhaft, daß das Bauteil hängend angeordnet ist (Ausführung nicht dargestellt). Diese bauliche Maßnahme ist wesentlich für die Entfernung des Elektroly­ ten nach Durchlauf durch die Arbeitsstrecke zwischen Anode und Bauteil. Wird der Elektrolyt nicht entfernt, so kann eine Stromdichteverteilung ent­ stehen. Die Abschirmung 4 kann in Form einer Blende, einer Maske oder eines einfachen Kunststoffrohres ausgeführt sein. Durch das gesteuerte Verfahren der Anode 1 in X und Y-Richtung entsteht ein im wesentlichen zweidimensionales Bauteil 3. In Z-Richtung weist dieses Bauteil nur die Ausdehnung einer Schicht 5 auf. Durch das Übereinanderlegen vieler solcher Schichten, und durch die Wiederholung der Schichtabscheidung mit geän­ derter Z-Koordinate entsteht ein räumlicher Körper. Die Anode wird dabei vorteilhafterweise durch ein CAD-unterstütztes System gesteuert; die Schichtzerlegung des Bauteiles erfolgt durch ein CAD-System, die Verfahr­ geschwindigkeit der Anode wird unter Zugrundelegung der CAD-Schichten­ zerlegung dem galvanischen Prozeß angepaßt. Die Anode wird rechnerun­ terstützt verfahren.

Bezugszeichenliste

1

Strahldüse, gleichzeitig Anode

2

leitende Oberfläche, Grundplatte oder Bauteiloberfläche, gleich­ zeitig Kathode

3

elektrochemisch aufgetragenes Material

3

a Verbreiterung der Geometrie des aufgetragenen Metalles gegen­ über dem Durchmesser (D) der Düsenanode

4

Abschirmung, im einfachsten Fall Kunststoffrohr

5

Dicke der einzelnen aufgetragenen Metallschichten

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, durch elektrochemisches Ab­ scheiden eines Metalles auf einer Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil freiformend hergestellt wird durch einen schichtweisen Me­ tallauftrag auf der Kathode, wobei die einzelnen Schichten aufeinander ab­ geschieden werden, durch eine dreidimensionale Relativbewegung zwi­ schen Anode und Kathode zur geometrischen dreidimensionalen Steuerung des Abscheidevorgangs entsprechend der vorgegebenen geometrischen Form des Bauteiles.