CN112170994A - 基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于掩膜电场约束电化学沉积‑电解组合加工方法，所述方法包括在工件表面的膜上制作与掩膜板的结构相对应的阵列孔；将夹具外接电源使工具电极作为阳极，将传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积；当电源沉积工作时间结束后，将夹具外接电源使工具电极作为阴极，将传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整，去除工件表面沉积的冗余金属；当电源电解工作时间结束后，取出工件，将工件置于无水乙醇中，利用超声清洗工件表面的膜。本发明将电化学沉积和电解光整组合在一起进行加工，将电化学沉积后表面冗余金属层去除，保证了电沉积微结构的加工精度，满足了各种微小零件的加工要求。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法。
背景技术
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小型化、微型化设备和微小尺寸零件，这些微小零件可达微米级特征尺度，形状结构复杂、成形精度高，表面粗糙度小、无微裂纹及内应力，在酸碱、高温、高压等使用场合，还要求具备特殊的表面性能，因此传统增材制造方法难以达到加工要求。
近年来，针对微小尺寸零件的特种加工方法得到了很大发展，如电火花沉积、化学气相沉积、喷射沉积等。电火花沉积虽然能提高零件耐磨性、耐蚀性且可以沉积微小结构，但电火花沉积存在重铸层的问题，增大了表面粗糙度，化学气相沉积的沉积速率低且易生成杂质，喷射沉积对于沉积材料的要求比较局限，这些都是制约其广泛运用的重要因素。
基于掩膜电场约束的电化学沉积-电解组合加工利用电化学沉积的高成型精度和复制精度的优点，结合电解加工无重铸层的特点，形成一种针对微小尺寸结构加工的特殊工艺，使其具备加工精度高，表面质量好等优点。
2019年12月17日，申请号为CN201910975503.3的中国专利公开了一种电化学预处理-原位电沉积方法，该方法采用表面电化学预处理-原位电沉积技术，先对基体表面进行电化学预处理，然后采用原位技术维持预处理后基体表面状态，直接进入电沉积过程进行电沉积层生长，能显著提高电沉积层与基体的结合强度，其结合强度甚至可以高于基体的抗拉强度。但该方法主要针对于沉积金属薄膜，无法沉积微小结构的阵列。
2017年1月25日，申请号为CN201610828397.2的中国专利公开了一种电化学沉积制备图案化有序α#Fe2O3纳米粒子阵列的方法，该方法利用双光束单曝光对电极进行预图案化，制备了大面积图案化有序结构的纳米粒子阵列。在电化学沉积过程中使用阴极电沉积法，设备简单，制备成本低，无需高温加热或退火处理，使用的化学药品无毒无害，所制备的图案化有序α#Fe2O3纳米粒子阵列重现性好，具有良好的稳定性。但该方法操作步骤繁琐，加工效率较低。
2018年10月16日，申请号为CN201810658609.6的中国专利公开了一种水平电化学沉积金属的方法及其装置，该方法将半导体器件进行水平移动，同时采用整面接触式或多点接触式使上电极与半导体器件上表面进行接触，半导体器件下方待电化学沉积金属表面与电解液溶液接触，电解质溶液中的金属离子获得电子并沉积在其表面。但该方法沉积的形状与半导体器件形状一致，无法在半导体器件上沉积特定的形状组合。
2020年2月11日，申请号为CN201911039489.2的中国专利公开了一种利用光刻、电铸工艺制作微透镜阵列的方法，该方法先将光刻胶板进行光刻，然后将此光刻胶板进行电铸复制，将电铸所得的镍板再进行电铸复制，得到镍工作板；将镍工作板黏贴于玻璃板上，再在具有蜂窝状结构的镍工作板的表面涂覆一薄层紫外固化胶，用抽真空的方法，让紫外固化胶完全充满蜂窝结构的空腔内；每个蜂窝腔内的紫外固化胶的液面就会成为具有曲率半径的球面，将此固化后的紫外固化胶的微透镜阵列镍工作板进行电铸复制，得到镍模板，大批量地复制生产微透镜阵列。但该方法生产出的阵列无法实现本专利提出的在沉积的同时与金属基体表面结合。
2006年9月6日，申请号为CN200610039407.0的中国专利公开了一种分层微细电铸加工方法及装置，该方法在掩膜限制下进行电铸产物阴极沉积、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。由于采用独立式掩膜板，使得分层微细电铸的流场状况大为改善，丰富了电铸材料种类，提高了电铸速度。但该方法电铸出的零件存在重铸层，表面质量差的问题。
随着航空航天、武器装备等领域的核心部件向微型化、轻型化、智能化发展，对零件体积、加工精度、加工质量、表面性能的要求越来越苛刻，特别是实现复杂微细零件高成形精度、高表面质量、优异性能的微米级增材制造已成为尖端科技领域发展的关键。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种应用于微细零件加工方法，采用掩膜电场约束电化学沉积-电解组合的加工方式，既保证了加工精度，又实现微细零件无重铸层的加工要求。
第一方面，本发明公开了基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；
当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；
当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；
当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。
进一步地，在一种实现方式中，所述膜由光刻膜、光刻胶或绝缘板中任一种材料制成；
其中，所述光刻膜的材料为光敏有机材料；所述光刻胶的材料适用于光刻机光刻，所述光刻胶的材料为SU-8；所述绝缘板材料适用于重复利用阵列孔，所述绝缘板材料为树脂、塑料和高分子聚合物。
进一步地，在一种实现方式中，所述方法包括：将所述膜粘合在工件表面进行加工；
或者，将所述膜与工件上方的工具电极粘合在一起进行加工；
或者，通过制作专用的模板代替膜，所述模板不与工件粘合。
进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积的微结构包括圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构中任意一种结构的阵列组合；
或者，所述电化学沉积的微结构为任意多种结构的阵列组合。
进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积和电解光整的夹具的加工区域密闭且使工具电极与工件之间的间隙可调，所述间隙的调整范围为0.1-3mm。
进一步地，在一种实现方式中，制作所述阵列孔的掩膜板的加工方式包括光刻、机械微铣削和激光加工。
进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积采用的电压幅值范围为20-60V，所述电解光整采用的电压幅值范围为5-40V。
进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液采用相同的工作液时，所述工作液为根据不同金属材料微结构的制作需求选用不同的金属剂和添加剂的混合溶液，所述添加剂包括H3BO3、C12H25SO4Na以及NaCl、NaNO3和NaClO3三种中性盐溶液的混合溶液；
或者，所述电化学沉积工作液为仅有金属剂和添加剂的复合溶液，所述电解光整工作液为仅有中性盐溶液的复合溶液。
进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液的供液形式包括静液、冲液和吸液。
第二方面，本发明公开了一种实现所述基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的夹具，所述夹具包括中间用于放置工件的传动滚轮，所述传动滚轮由伺服电机驱动并外接电源；在加工区域的工件上方，所述工具电极与螺杆连接，并由伺服电机驱动所述螺杆带动工具电极作往复扫描运动；所述夹具左右两边开设有进水口和出水口，在所述工件通过加工区域的进水口和出水口位置设有冲液密封装置。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，实现了工件在不拆卸夹具的前提下完成电化学沉积和电解组合加工，即在夹具和滚轮上外接电源阴阳极，电化学沉积复合工作液流入加工区域，以工件为阴极，在阴极铺膜约束电场，工件由滚轮传动通过加工区域，螺杆由伺服电机驱动从而带动工具电极作往复扫描运动，根据膜上结构进行相对应微小结构电化学沉积；电化学沉积结束后，将外接电源阴阳极反接，传动滚轮改变转向，电解光整复合工作液流入加工区域，以工件为阳极，对工件表面沉积的冗余金属进行电解去除，使电化学沉积的微小结构表面粗糙度降低。
2、本发明采用掩膜电场约束的沉积加工方法，相比较于传统的沉积方法，本方法可以在金属表面沉积各种形状的微尺寸高精度结构，可以加工圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构，也可以加工任意多种结构的阵列组合。
3、采用电化学沉积工作液和电解光整工作液组合，区别于传统电化学沉积加工，其带来的有益效果包括：(1)该组合工作液可以避免对设备的高程度腐蚀，起到保护设备的作用；(2)采用该溶液，可以大幅度提高电解加工时的加工效率。
4、本发明所采用的掩膜电场约束电化学-电解加工方法中，膜的放置形式有粘合在工件表面进行加工，也可以与工件上方工具电极粘合在一起进行加工，还可以制作专用的模板，模板不与工件粘合，区别于传统电化学沉积在小间隙加工中易发生电火花的现象，本发明所用到的膜及模板为非金属，减小极间火花放电的影响。
5、本发明采用的基于掩膜电场约束电化学-电解加工方法中，使用大面积工件，使工件由滚轮传动通过加工区域完成整个工件的电沉积和电解加工，此方法可以实现跨尺度大面积加工，并且螺杆带动工具电极作往复扫描运动，可以实现大面积逐层沉积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的应用示意图；
图2a是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第一加工原理示意图；
图2b是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第二加工原理示意图；
图3是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法所采用的夹具示意图；
图4a是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第一加工零件阵列形状示意图；
图4b是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第二加工零件阵列形状示意图；
图4c是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第三加工零件阵列形状示意图；
图4d是本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的第四加工零件阵列形状示意图；
其中，1-浊液槽，2-第一过滤器，3-多级离心泵，4-第二过滤器，5-净液槽，6-柱塞式计量泵，7-溢流阀，8-精过滤器，9-单向阀，10-压力调节阀，11-压力表，12-夹具，13-进水口，14-工具电极，15-组合电源，16-螺杆，17-出水口，18-冲液密封装置，19-传动滚轮，20-膜，21-工件，22-工作台，23-伺服电机，24-电化学沉积工作液，25-冗余金属层，26-加工区域，27-金属阳离子，28-结构，29-电解产物，30-电解光整工作液。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例公开一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，本方法应用于航空航天、国防军工、先进医疗器械领域中各种小型化、微型化设备的微小尺寸零件的表面微结构的加工，这类微小零件的表面微结构的形状结构复杂、成形精度高，表面粗糙度小、无微裂纹及内应力，在酸碱、高温、高压等使用场合还需具备特殊的表面性能，传统加工方法无法达到此要求，因此利用本方案中的加工方法加工此类微小零件表面微结构。
本实施例提供基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；
当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；
本实施例中，所述设定电源沉积工作时间，即在所使用的脉冲电源参数设定界面上设定电沉积加工参数，所设定的加工参数保证电沉积微结构的高度超过膜的厚度。而通过所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，能够实现跨尺度大面积逐层沉积。
当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；本实施例中，所述外接电源包括直流电源和脉冲电源。
本实施例中，所述设定电源电解工作时间，即在所使用的脉冲电源参数设定界面上设定电解加工参数，所设定的电解加工参数应保证电解去除电沉积微结构超过膜部分并改善微结构表面粗糙度。
当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述膜由光刻膜、光刻胶或绝缘板中任一种材料制成；
其中，所述光刻膜的材料为光敏有机材料；所述光刻胶的材料适用于光刻机光刻，所述光刻胶的材料为SU-8；所述绝缘板材料适用于重复利用阵列孔，所述绝缘板材料为树脂、塑料和高分子聚合物。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述方法包括：将所述膜粘合在工件表面进行加工；
或者，将所述膜与工件上方的工具电极粘合在一起进行加工；
或者，通过制作专用的模板代替膜，所述模板不与工件粘合。
本实施例中，所述专用的模板可以替代膜的作用，在使用模板时即无需使用膜，通过模板代替膜，在所述模板不与工件粘合的前提下，与工件贴合进行加工。区别于传统电化学沉积在小间隙加工中易发生电火花的现象，本发明所用到的膜及模板为非金属，减小极间火花放电的影响。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述电化学沉积的微结构包括圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构中任意一种结构的阵列组合；
或者，所述电化学沉积的微结构为任意多种结构的阵列组合。
相比较于传统的沉积方法，本方法可以在金属表面沉积各种形状的微尺寸高精度结构，可以加工圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构，也可以加工任意多种结构的阵列组合。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述电化学沉积和电解光整的夹具的加工区域密闭且使工具电极与工件之间的间隙可调，所述间隙的调整范围为0.1-3mm。本实施例中，通过螺纹固定使上下夹具紧密贴合，使整个夹具加工区域密闭。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，制作所述阵列孔的掩膜板的加工方式包括光刻、机械微铣削和激光加工。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述电化学沉积采用的电压幅值范围为20-60V，所述电解光整采用的电压幅值范围为5-40V。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液采用相同的工作液时，所述工作液为根据不同金属材料微结构的制作需求选用不同的金属剂和添加剂的混合溶液，所述添加剂包括H3BO3、C12H25SO4Na以及NaCl、NaNO3和NaClO3三种中性盐溶液的混合溶液；
或者，所述电化学沉积工作液为仅有金属剂和添加剂的复合溶液，所述电解光整工作液为仅有中性盐溶液的复合溶液。
本实施例中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液可以避免对设备的高程度腐蚀，起到保护设备的作用；此外，采用所述电化学沉积工作液和电解光整工作液，可以大幅度提高电解加工时的加工效率。
本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液的供液形式包括静液、冲液和吸液。
在本实施例提供的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的基础上，本实施例还提供一种实现所述基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的夹具，所述夹具包括中间用于放置工件的传动滚轮，所述传动滚轮由伺服电机驱动并外接电源；在加工区域的工件上方，所述工具电极与螺杆连接，并由伺服电机驱动所述螺杆带动工具电极作往复扫描运动；所述夹具左右两边开设有进水口和出水口，在所述工件通过加工区域的进水口和出水口位置设有冲液密封装置。
图1为本发明实施例部分提供的一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法的应用示意图。其中，净液槽5，浊液槽1，第一过滤器2，第二过滤器4，柱塞式计量泵6，多级离心泵3，溢流阀7，单向阀9，精过滤器8，压力调节阀10，压力表11，夹具12，进水口13，出水口17，冲液密封装置18以及管道组成了基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工工作液循环***，保证加工中的工作液供给充分以及保证加工产物的及时排出，组合电源15，工作台22，夹具12，螺杆16，工具电极14，工件21，膜20，传动滚轮19，伺服电机23，组成基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工平台。
图2a和图2b是本发明的第一加工原理示意图和第二加工原理示意图。其中，在电化学沉积加工阶段，将工具电极14外接组合电源阳极，传动滚轮19外接组合电源15阴极，工件21与传动滚轮19接触并由传动滚轮19传动通过加工区域26，工具电极14作往复扫描运动，然后通入电化学沉积工作液24，最后接通电源，此时电化学沉积工作液24中的金属阳离子27受电场作用在电极21表面有序堆砌沉积，由于电极21上膜20的电场约束作用，金属阳离子27可以堆砌在指定位置，沉积出特定形状，此时的过程如图2a所示；在电化学沉积结束后表面有冗余金属层25，此时将工件21和工具电极14极性调换，通过控制伺服电机23改变传动滚轮19转向，再通入电解光整工作液30接通电源，进行电化学溶解，在电化学光整加工过程中阴极附近发生还原反应，冗余金属层25则以离子的形式被电解去除，电解产物29随工作液排出，最终完成对沉积表面的冗余金属层25进行去除，此时过程如图2b所示；最后得到如图2b所示的表面光整的结构28。因此采用该方法可以沉积得到指定形状表面粗糙度低的微小结构，可以满足航空发动机对微小零件的结构和表面质量要求。
图3为本发明所采用的夹具装置图。包括中间放置有工件21的传动滚轮19，传动滚轮19由伺服电机23驱动并外接组合电源15，在工件21上方，工具电极14与螺杆16连接并由螺杆带动作往复扫描运动，螺杆16外接组合电源居于夹具12中间位置，夹具12左右两边开有进水口13、出水口17，在工件21通过加工区域26的进、出水口位置装有冲液密封装置18。
图4a至图4d为本发明加工零件阵列形状图。本发明可以根据膜上结构加工圆形、矩形、三角形、异形结构和各种结构的阵列。
综合图1至图4d，本发明所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法为电化学沉积工作液24在多级离心泵的作用下，由管道将电化学沉积工作液24泵入加工区域26，然后由出水口17流出加工区域26，将传动滚轮19外接组合电源15阴极，工具电极14接组合电源15阳极，工件21与传动滚轮19接触由滚轮传动通过加工区域26，螺杆16带动工具电极14作往复扫描运动，进行电化学沉积；当电化学沉积结束后，将工具电极14与传动滚轮19阴阳极性调换，传动滚轮19改变转向，再通入电解光整工作液30，开启工作液循环***，接通电源开始进行电化学溶解光整加工过程。该方法利用阴极沉积、阳极溶解原理，将电化学沉积和电解加工有效组合到一起，最大化的发挥了电化学沉积加工和电解加工各自的优势，可以满足航空发动机对微小零件的结构和表面质量要求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，实现了工件在不拆卸夹具的前提下完成电化学沉积和电解组合加工，即在夹具和滚轮上外接电源阴阳极，电化学沉积复合工作液流入加工区域，以工件为阴极，在阴极铺膜约束电场，工件由滚轮传动通过加工区域，螺杆由伺服电机驱动从而带动工具电极作往复扫描运动，根据膜上结构进行相对应微小结构电化学沉积；电化学沉积结束后，将外接电源阴阳极反接，传动滚轮改变转向，电解光整复合工作液流入加工区域，以工件为阳极，对工件表面沉积的冗余金属进行电解去除，使电化学沉积的微小结构表面粗糙度降低。
2、本发明采用掩膜电场约束的沉积加工方法，相比较于传统的沉积方法，本方法可以在金属表面沉积各种形状的微尺寸高精度结构，可以加工圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构，也可以加工任意多种结构的阵列组合。
3、采用电化学沉积复合工作液和低浓度中性盐溶液组合，区别于传统电化学沉积加工，其带来的有益效果包括：(1)该组合工作液可以避免对设备的高程度腐蚀，起到保护设备的作用；(2)采用该溶液，可以大幅度提高电解加工时的加工效率。
4、本发明所采用的掩膜电场约束电化学-电解加工方法中，膜的放置形式有粘合在工件表面进行加工，也可以与工件上方工具电极粘合在一起进行加工，还可以制作专用的模板，模板不与工件粘合，区别于传统电化学沉积在小间隙加工中易发生电火花的现象，本发明所用到的膜及模板为非金属，减小极间火花放电的影响。
5、本发明采用的基于掩膜电场约束电化学-电解加工方法中，使用大面积工件，使工件由滚轮传动通过加工区域完成整个工件的电沉积和电解加工，此方法可以实现跨尺度大面积加工，并且螺杆带动工具电极作往复扫描运动，可以实现大面积逐层沉积。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；
当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；
当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；
当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。
2.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述膜由光刻膜、光刻胶或绝缘板中任一种材料制成；
其中，所述光刻膜的材料为光敏有机材料；所述光刻胶的材料适用于光刻机光刻，所述光刻胶的材料为SU-8；所述绝缘板材料适用于重复利用阵列孔，所述绝缘板材料为树脂、塑料和高分子聚合物。
3.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述方法包括：将所述膜粘合在工件表面进行加工；
或者，将所述膜与工件上方的工具电极粘合在一起进行加工；
或者，通过制作专用的模板代替膜，所述模板不与工件粘合。
4.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述电化学沉积的微结构包括圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构中任意一种结构的阵列组合；
或者，所述电化学沉积的微结构为任意多种结构的阵列组合。
5.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述电化学沉积和电解光整的夹具的加工区域密闭且使工具电极与工件之间的间隙可调，所述间隙的调整范围为0.1-3mm。
6.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，制作所述阵列孔的掩膜板的加工方式包括光刻、机械微铣削和激光加工。
7.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述电化学沉积采用的电压幅值范围为20-60V，所述电解光整采用的电压幅值范围为5-40V。
8.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液采用相同的工作液时，所述工作液为根据不同金属材料微结构的制作需求选用不同的金属剂和添加剂的混合溶液，所述添加剂包括H3BO3、C12H25SO4Na以及NaCl、NaNO3和NaClO3三种中性盐溶液的混合溶液；
或者，所述电化学沉积工作液为仅有金属剂和添加剂的复合溶液，所述电解光整工作液为仅有中性盐溶液的复合溶液。
9.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液的供液形式包括静液、冲液和吸液。
10.一种夹具，所述夹具用于实现基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述夹具包括中间用于放置工件的传动滚轮，所述传动滚轮由伺服电机驱动并外接电源；在加工区域的工件上方，所述工具电极与螺杆连接，并由伺服电机驱动所述螺杆带动工具电极作往复扫描运动；所述夹具左右两边开设有进水口和出水口，在所述工件通过加工区域的进水口和出水口位置设有冲液密封装置。
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