基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。该方法根据工件三维形状数据，获取分层切片信息；将光固化材料涂覆到工件表面形成绝缘掩膜，通过光刻使绝缘掩膜选区固化；光刻完成后，进给显影液到掩膜表面去除未曝光部分，得到限域图案；显影完成后，进给电化学沉积工作液，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺限域图案时停止电化学沉积；在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面。光刻、显影、电化学沉积和整平过程交替循环进行，逐层完成金属三维结构工件沉积，用有机溶剂浸泡去除堆叠的掩膜。本发明专利技术利用光刻绝缘掩膜和电化学沉积的快速转换，实现了复杂三维结构金属零件的高精度快速制备。快速制备。快速制备。

【技术实现步骤摘要】
基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置


[0001]本专利技术涉及特种加工
，尤其涉及基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。

技术介绍

[0002]随着科学技术的快速发展，航空航天、国防军工、先进医疗器械等领域越来越多地使用一体化复杂结构零件，这些零件形状结构复杂、内部无孔隙、成型精度高，并且能够适应高温、高压、强腐蚀性的工作条件。传统减材加工方式难以加工结构特别复杂的零件，且生产周期往往很长，特别是对于难加工的合金材料，制造成本将非常大，也难以避免零件内部和表面存在微小缺陷。
[0003]2016年1月13日，申请号为201510770394.3的中国专利公开了一种三维电铸加工方法及系统。先获取电铸部件对应的模具实体造型的分层切片信息，再使用增材制造技术在阴极基板上分层制备铸模绝缘材料层；在铸模绝缘材料层的限制下进行分层电铸加工形成铸模绝缘材料层包围内的电铸层，两类加工交替循环进行，直至各个分层的电铸层堆积形成三维电铸部件。该专利技术能电铸出三维结构复杂，深宽比大的电铸件。但是该方法采用的增材技术制备的模板精度一般且成型步骤复杂。
[0004]2017年8月24日，申请号为201710736266.6的中国专利公开了一种激光刻蚀玻璃模具分层微细电铸的装置及方法。该装置包括控制系统、加工系统、激光辐照系统和工作液循环系统。该方法运用分层叠加的原理沉积微细金属零件，先通过计算机软件建模再分层切片，生成每一层的激光扫描路径，利用激光刻蚀玻璃薄片形成每层所需图形型腔，再利用喷射电沉积与激光复合进行沉积，每层沉积结束后叠加薄片玻璃，最后在工作槽中加入缓冲氧化物刻蚀液，溶解剩下的玻璃进行脱模。该专利技术工艺流程简单，精度高且可以实现无损脱模。但是该方法采用激光刻蚀成本较高、较难大批量制造且衬底只为玻璃薄片有一定局限性。
[0005]2006年4月10日，申请号为200610039407.0的中国专利公开了一种分层微细电铸加工方法及装置。该方法采用分层电铸技术，其特点在于掩膜板为具有多个贯穿图案的独立式，与阳极不接触，电铸时与阴极精密贴合。掩膜限制下的电铸产物阴极沉积、对电铸产物涂覆、对涂覆层进行平面化加工使电铸产物底面露出这三个过程交替进行，循环直至制造出整个三维微细零件，最后，去除涂覆材料获得三维微细零件。该专利技术使得分层微细电铸的流场状况得到改善，丰富了电铸材料种类，提高了电铸质量和电铸速度。同时，电铸制造的微细结构深宽比，理论上讲没有限制。但是该方法掩膜定域较难、传质较慢且存在杂散沉积的影响。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的加工精度和加工效率不高，提供基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法和装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、分层处理，根据待加工的工件三维形状数据，获取分层切片信息；
[0009]步骤二、制备绝缘掩膜，将光固化材料涂覆到待加工的工件表面形成一层绝缘掩膜，通过光刻使所述绝缘掩膜选区固化；当所述光刻过程完成后，进给显影液到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模；
[0010]步骤三、电化学沉积，当显影过程完成后，进给电化学沉积工作液，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺绝缘掩膜的限域图案时停止电化学沉积；
[0011]步骤四、整平沉积表面，在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面；
[0012]重复步骤二、三、四，如此逐层沉积金属，直至完成所需金属三维结构工件沉积；
[0013]步骤五、脱模处理，用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜，取出工件。
[0014]所述光刻过程采用一组光刻掩膜版，所述光刻掩膜版刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版，每次光刻结束后切换；
[0015]或者，采用一块光刻掩膜版，所述光刻掩膜版上具有所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，根据分层切片信息移动；
[0016]或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。
[0017]所述光固化材料是液态光固化材料，所述光固化材料的类型为G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶或ArF光刻胶。
[0018]所沉积的金属为金属单质或至少两种金属元素组成的异质合金。沉积多元素异质合金时的电化学沉积工作液包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所述金属离子配位剂包括柠檬酸钠、明胶、桃胶、氰化物和氟硼酸盐。
[0019]所述整平沉积表面采用电化学溶解，所述电化学溶解使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平；
[0020]或者，在电化学沉积工作液中添加光亮剂和整平剂，所述光亮剂包含糖精、对甲苯磺酰胺、2
‑
甲基醛缩苯胺、甲醛或者1，4
‑
丁炔二醇，所述整平剂包含健那绿、氯化物、席夫碱、含硫氨基酸或者十二烷基硫酸钠；
[0021]或者，在电解液中加入磨粒，通过微细磨削整平表面；
[0022]所述绝缘掩膜的厚度通过涂覆液态光固化材料的量、旋涂的时间与转台的转速进行自由调控，厚度范围为纳米级到毫米级。
[0023]根据沉积材料和所制备结构的用途，选择合适的后处理工艺，包括固溶热处理、时效处理、淬火、回火和电抛光。
[0024]所制备的金属三维结构为锥状、柱状、球状、螺旋状、其他异形形状、所述形状相互结合的阵列或复杂三维结构。
[0025]实现本专利技术公开的方法的装置，包括数控工作台、供液系统、光刻系统，电源系统和控制系统；
[0026]所述数控工作台包括底座、用于固定待加工的工件的转台、第一机械臂、第二机械臂、废液收集装置、喷嘴、电化学沉积夹具以及光学传感器，所述转台位于底座上方，所述废
液收集装置位于转台下方底座上方；所述第一机械臂一端与底座连接，另一端与所述电化学沉积夹具连接，能上下和水平移动；所述第二机械臂一端与底座连接，另一端与所述光刻系统连接，能带动光刻系统上下移动；所述喷嘴与第一机械臂远离底座的一端连接；所述电化学沉积夹具与第一机械臂远离底座的一端连接；所述光学传感器与第一机械臂远离底座的一端连接；在显影和电化学沉积过程，电化学沉积夹具位于待加工的工件表面上方，与待加工的工件形成相对封闭的工作液流道；
[0027]所述供液系统包括第一储液槽、第二储液槽、第三储液槽、多级离心泵、溢流阀、单向阀、调压阀、电磁换向阀以及流量计；所述第一储液槽储存液态光固化材料，所述第二储液槽储存显影液，所述第三储液槽储存电化学沉积工作液；所述电磁换向阀一端经过调压阀和流量计连通工作液流道的进液口，另一端在显影时连通显影液供液支路，在电化学沉积时连通电化学沉积工作液供液支路；在涂覆液态光固化材料时，液态光固化材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分层处理，根据待加工的工件(11)三维形状数据，获取分层切片信息；步骤二、制备绝缘掩膜(12)，将光固化材料涂覆到待加工的工件(11)表面形成一层绝缘掩膜，通过光刻使所述绝缘掩膜选区固化；当所述光刻过程完成后，进给显影液(2)到掩膜表面去除未曝光部分，得到具有所需限域图案的绝缘掩模(12)；步骤三、电化学沉积，当显影过程完成后，进给电化学沉积工作液(1)，开始电化学沉积；当沉积的金属层平铺绝缘掩膜(12)的限域图案时停止电化学沉积；步骤四、整平沉积表面，在电沉积过程中实时整平金属表面，或者当每层沉积完成后整平金属表面；重复步骤二、三、四，如此逐层沉积金属，直至完成所需金属三维结构工件沉积；步骤五、脱模处理，用有机溶剂浸泡去除堆叠的绝缘掩膜(12)，取出工件。2.根据权利要求1所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述光刻过程采用一组光刻掩膜版(23)，所述光刻掩膜版(23)刻有一个层级的图案，共有一块以上的光刻掩膜版(23)，每次光刻结束后切换；或者，采用一块光刻掩膜版(23)，所述光刻掩膜版(23)上具有所需三维形状各层级的图案，所述层级至少两层以上，按分层顺序排列，每次光刻结束后，根据分层切片信息移动；或者，采用无光刻掩膜版的紫外光直写成像方法，将所需图案写入计算机，控制光源在所述掩膜上投影的图案与位置，进行选区固化。3.根据权利要求2所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述光固化材料是液态光固化材料(3)，所述光固化材料的类型为G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶或ArF光刻胶。4.根据权利要求3所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所沉积的金属为金属单质或至少两种金属元素组成的异质合金；其中，沉积多元素异质合金时的电化学沉积工作液(1)包含所需金属离子盐溶液和金属离子配位剂，所述金属离子配位剂包括柠檬酸钠、明胶、桃胶、氰化物和氟硼酸盐。5.根据权利要求4所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述整平沉积表面采用电化学溶解，所述电化学溶解使用高频双向脉冲电源，在沉积时不断加入微量的电解进行沉积表面实时整平；或者，在电化学沉积工作液(1)中添加光亮剂和整平剂，所述光亮剂包含糖精、对甲苯磺酰胺、2
‑
甲基醛缩苯胺、甲醛或者1，4
‑
丁炔二醇，所述整平剂包含健那绿、氯化物、席夫碱、含硫氨基酸或者十二烷基硫酸钠；或者，在电解液中加入磨粒，通过微细磨削整平表面。6.根据权利要求5所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：所述绝缘掩膜(12)的厚度通过涂覆液态光固化材料(3)的量、旋涂的时间与转台(13)的转速进行自由调控，厚度范围为纳米级到毫米级。7.根据权利要求6所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征在于：根据沉积材料和所制备结构的用途，选择合适的后处理工艺，包括固溶热处理、时效处理、淬火、回火和电抛光。8.根据权利要求7所述的基于光刻分层制备限域图案的电化学增材制造方法，其特征
在于：所制备的金属三维结构为锥状、柱状、球状、螺旋状、其他异形形状、由上述形状相互结合的阵列或复杂三维结构。9.实现权利要求8所述方法的装置，其特征在于：包括数控工作台、供液系统、光刻系统(14)、电源系统(21)和控制系统(22)；所述数控工作台包括底座(24)、用于固定待加工的工件(11)的转台(13)、第一机械臂(25)、第二机械臂(26)、废液收集装置(15)、喷嘴(10)、电化学沉积夹具(18)以及光学传感器(19)，所述转台(13)位于底座(24)上方，所述废液收集装置(15)位于转台(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦，张杰，邓信豪，蔡康捷，刘远港，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：