Гальваноформование: точное воспроизведение формы и структуры поверхности.

Введение

Электроформирование – это процесс формования металла, при котором детали изготавливаются посредством электроосаждения на модель, известную в промышленности как мандрель. Проводящие (металлические) мандрели обрабатываются для создания механического разделительного слоя или химически пассивируются для ограничения адгезии электроформы к мандрелю и, тем самым, обеспечения его последующего отделения. Непроводящие (стекло, кремний, пластик) мандрели требуют нанесения проводящего слоя перед электроосаждением. Такие слои могут быть нанесены химическим способом или с использованием методов вакуумного осаждения (например, распыления золота). Внешняя поверхность мандреля формирует внутреннюю поверхность формы. Процесс включает в себя пропускание постоянного тока через электролит, содержащий соли металла, подвергаемого электроформированию. Анодом является твердый металл, используемый для электроформирования, а катодом – мандрель, на который осаждается (наплавляется) электроформа. Процесс продолжается до достижения требуемой толщины электроформы. Затем мандрель отделяют целиком, расплавляют или химически растворяют. Поверхность готовой детали, находившаяся в тесном контакте с мандрелем, воспроизводится в мельчайших деталях в соответствии с оригиналом и не подвержена усадке, которая обычно наблюдается в отлитых металлических изделиях или следам инструмента при обработке резанием. Сторона детали, обращенная к раствору, менее четко определена, и эта потеря четкости увеличивается с толщиной осадка. В крайних случаях, когда требуется толщина в несколько миллиметров, происходит преимущественное накопление материала на острых внешних краях и углах. Эта тенденция может быть уменьшена с помощью экранирования или процесса, известного как периодическая реверсивная поляризация, при котором электроформирующий ток периодически меняет направление на короткие промежутки времени, и избыток материала предпочтительно растворяется электрохимически. Готовая форма может быть конечной деталью или использоваться в последующем процессе для получения позитива оригинальной формы мандреля, например, при производстве виниловых пластинок или штампов для CD и DVD. В последние годы, благодаря способности воспроизводить поверхность мандреля практически без потери точности, электроформирование приобрело новое значение в изготовлении металлических устройств микро- и наномасштаба, а также в производстве прецизионных литьевых форм с микро- и наномасштабными элементами для производства неметаллических микроформованных изделий.

Electroforming is a metal forming process in which parts are fabricated through electrodeposition on a model, known in the industry as a mandrel. Conductive (metallic) mandrels are treated to create a mechanical parting layer, or are chemically passivated to limit electroform adhesion to the mandrel and thereby allow its subsequent separation. Non conductive (glass, silicon, plastic) mandrels require the deposition of a conductive layer prior to electrodeposition. Such layers can be deposited chemically, or using vacuum deposition techniques (e. g., gold sputtering). The outer surface of the mandrel forms the inner surface of the form. The process involves passing direct current through an electrolyte containing salts of the metal being electroformed. The anode is the solid metal being electroformed, and the cathode is the mandrel, onto which the electroform gets plated (deposited). The process continues until the required electroform thickness is achieved. The mandrel is then either separated intact, melted away, or chemically dissolved. The surface of the finished part that was in intimate contact with the mandrel is replicated in fine detail with respect to the original, and is not subject to the shrinkage that would normally be experienced in a foundry cast metal object, or the tool marks of a milled part. The solution side of the part is less well defined, and that loss of definition increases with thickness of the deposit. In extreme cases, where a thickness of several millimetres is required, there is preferential build up of material on sharp outside edges and corners. This tendency can be reduced by shielding, or a process known as periodic reverse, where the electroforming current is reversed for short periods and the excess is preferentially dissolved electrochemically. The finished form can either be the finished part, or can be used in a subsequent process to produce a positive of the original mandrel shape, such as with vinyl records or CD and DVD stamper manufacture. In recent years, due to its ability to replicate a mandrel surface with practically no loss of fidelity, electroforming has taken on new importance in the fabrication of micro and nano scale metallic devices and in producing precision injection molds with micro and nano scale features for production of non metallic micro molded objects.

Процесс

В процессе базового электроформирования электролитическая ванна используется для нанесения никеля или другого металла, подлежащего электроформированию, на проводящую поверхность модели (мандреля). После достижения необходимой толщины нанесенного материала, электроформа отделяется от основы. Этот процесс обеспечивает точное воспроизведение текстуры и геометрии поверхности мандреля с низкой себестоимостью, высокой повторяемостью и превосходным контролем процесса. Если мандрель изготовлен из непроводящего материала, его можно покрыть тонким проводящим слоем.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество электроформовки заключается в точной передаче внешней формы оправки. Как правило, точная обработка полости сложнее, чем обработка выпуклой поверхности; однако, в случае электроформовки ситуация обратная, поскольку внешнюю поверхность оправки можно точно обработать, а затем использовать для электроформовки прецизионной полости. По сравнению с другими основными процессами формования металлов (литье, ковка, штамповка, глубокая вытяжка, механическая обработка и изготовление), электроформовка особенно эффективна, когда требуются экстремальные допуски, сложность конструкции или малый вес. Высокая точность и разрешение, обеспечиваемые фотолитографически сформированной проводящей структурированной подложкой, позволяют создавать более тонкие геометрические элементы с более жесткими допусками, сохраняя при этом превосходную четкость границ и почти оптическую чистоту поверхности. Электроформованный металл может быть исключительно чистым, обладая улучшенными свойствами по сравнению с деформированным металлом благодаря его измельченной кристаллической структуре. Несколько слоев электроформованного металла могут быть соединены друг с другом или с различными материалами подложки для создания сложных конструкций с интегрированными фланцами и выступами. Сообщается о допусках в диапазоне от 1,5 до 3 нанометров. Электроформовка позволяет изготавливать широкий спектр форм и размеров, основным ограничением является необходимость отделения изделия от оправки. Поскольку для изготовления изделия требуется только одна модель или оправка, экономически целесообразно производить небольшие партии.