基于化学沉积方法的快速成形技术研究

第34卷第4期河北工业大学学报2005年8月V ol.34No.4JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY August2005文章编号：1007-2373(2005)04-0015-05基于化学沉积方法的快速成形技术研究薛明1，杨伟东2，颜永年1（1.清华大学机械工程系，北京100084；2.河北工业大学机械学院，天津300132）摘要：各种快速成形新技术的涌现，提高了快速成形技术的成形能力，拓展了其应用领域．介绍了基于化学沉积方法的快速成形技术，提出了根据成形材料的不同状态和使能技术的不同方式将其分类的方法，分析了热化学液相沉积成形、激光诱导化学沉积成形、电子束诱导化学沉积成形、电化学沉积成形等快速成形新技术的基本原理和工艺特点，并阐述了其应用前景．关键词：快速成形；化学沉积；热化学；激光诱导；电子束诱导；电化学中图分类号：TG39；TH16文献标识码：AStudy on Rapid Prototyping Technologies Basedon the Chemical DepositionXUE Ming1，Y ANG Wei-dong2，Y AN Y ong-nian1(1.Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China；2.College of Mechanics,Hebei Universityof Technology,Tianjin300132，China)Abstract：The appearance of many kinds of new technologies not only increases the forming abilities of Rapid Prototypingtechnology but also expands the fields of its application.Rapid Prototyping technologies based on the chemical depositionare proposed.The classification according to the forming materials and enabled methods is presented.The essential prin-ciples and technological characteristics of several new Rapid Prototyping technologies,such as Rapid Prototyping of Ther-mochemical Liquid Deposition,Rapid Prototyping of Laser-induced Chemical Liquid Deposition,Rapid Prototyping ofElectron Beam-induced Chemical V apor Deposition,Rapid Prototyping of Electrochemical Liquid Deposition,and soon,and their potential application are also analyzed.Key words：rapid prototyping；chemical deposition；thermochemical；laser-induced；electron beam-induced；electro chemical0前言快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）技术是一种基于离散∕堆积成形原理的，由CAD模型直接驱动的，快速制造复杂形状三维物理实体的技术的总称[1]．快速成形技术自诞生至今，已从最初的快速原型制造扩展到了快速模具、金属零部件制造、生物制造、微细加工等众多技术领域[2]．化学沉积（Chemical Deposition）是在薄膜生长、表面工程、微细制造等领域内广泛应用的一类方法．近年来，化学沉积技术与快速成形技术相集成，逐渐形成了新的快速成形工艺．1基于化学沉积方法的快速成形技术的分类根据成形材料的不同状态，基于化学沉积方法的快速成形技术可以分为化学气相沉积成形（Rapid Prototyping of Chemical V apor Deposition）和化学液相沉积成形（Rapid Prototyping of Chemical Liquid Deposi-收稿日期：2005-01-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（50175059）作者简介：薛明（1978-），男（汉族），博士生．16河北工业大学学报第34卷tion ）两大类；根据使能技术的不同方式，这些快速成形技术又可以分为激光诱导化学沉积成形（Rapid Prototyping of Laser-induced Chemical Deposition ）、电子束诱导化学沉积成形（Rapid Prototyping of Electron-induced Chemical Deposition ）、电化学沉积成形（Rapid Prototyping of Electrochemical Deposition ）和热化学沉积成形（Rapid Prototyping of Thermochemical Deposition ）等．因此，选择不同状态的成形材料和不同方式的使能技术集成在一起，就形成了多种基于化学沉积方法的快速成形新技术．2典型的基于化学沉积方法的快速成形技术2.1激光诱导气相沉积成形激光诱导气相沉积成形（Rapid Prototyping of Laser-induced Chemical V apor Deposition ，简称LCVD-RP ）是最早使用气态成形材料的快速成形技术．其最早可追溯到1995年，美国Connecticut 大学采用选择性激光烧结工艺在空气中通过烧结铝粉得到氧化铝原型，并在氮气或氨气中烧结硅来制造氮化硅零件[3]．与此同时，德国Max-Planck 研究所将化学气相沉积方法应用到快速成形技术中，来制造三维实体零件[4]．1998年美国Connecticut 大学对这项技术进行了深入研究，也将其称为选择性激光沉积（Selective Area Laser Deposition ，简称SALD ）[5]．激光诱导气相沉积成形是一种基于活性气体分解沉积的快速成形技术．如图1所示，它使用高能量激光束的热能和光能将活性气体分解，并沉积出一个层厚的材料薄层，逐层制造实体零件．选择不同成分的活性气体，可以制造出不同材料的零件．适用于激光诱导气相沉积成形的材料极为广泛．在具有极高能量密度的激光束的作用下，能够在较低温度下将非金属、金属、金属化合物等多种材料沉积成形，如碳、硅、铁、镍、钨、碳化硅、砷化镓等．特别是可以成形一些具有高熔点、超硬度等特殊性能的材料，如氮化硅、碳化钛、氮化钛等．影响成形的主要工艺参数是激光功率、成形温度（包括基体温度和成形材料的温度）、成型室内成形材料的压力等．激光诱导气相沉积成形也存在一些局限．首先，需要大功率激光器和完备的真空系统，设备成本极高．其次，沉积速率慢．再次，在成形金属与合金材料时，成形性能受到很大的限制．这主要是受到沉积机理和激光特性的影响[6]．1）成形材料对激光的吸收率要小，而沉积产物对激光的反射率要小，否则，底板温度和沉积速率就会显著下降；2）沉积出的材料的热传导率要低，否则，激光束的能量迅速扩散，在沉积表面上的高温区域将扩大，导致沉积速率降低和零件精度下降．由于金属和合金材料对激光具有较高的反射率和热传导率，因此，这项技术虽然能够沉积出金属材料，但更适合于沉积各类非金属和金属化合物．2.2电子束诱导气相沉积成形大多数采用气相沉积方法的快速成形技术是选择激光作为使能方式，美国Nebraska-Lincoln 大学则选择电极发射电子束作为使能方式，开发出了电子束诱导气相沉积成形（Rapid Prototyping of Electron Beam-induced Chemical Vapor Deposition ，简称ECVD-RP ）技术[7]．与激光诱导气相沉积成形不同的是，这项技术通过电极发射电子束将活性气体分解，并沉积出材料薄层，逐层制造实体零件．美国Nebraska-Lincoln 大学的研究者将一套场致发射扫描透射电子显微镜进行了改装，使其同时兼备化学气相沉积设备的功能．选用二戊铁、二戊镍等无羰基的金属有机化合物作为成形材料，沉积出了图1激光诱导气相沉积成形原理示意图Fig.1The schematic diagram of LCVD-RP 激光窗口原型零件气体输出成型室成型材料输入17薛明，等：基于化学沉积方法的快速成形技术研究第4期由铁、镍等材料构成的具有线、矩形、圆锥等简单几何形状的微米级、纳米级结构（见图2）．在该项技术中，虽然以电子束代替了激光器，但仍然需要完备的真空系统．影响成形过程的主要参数是基底温度和成形材料的压力．此外，不同的成形条件将决定成形材料具有截然不同的成形机理，并导致完全不同的沉积结果．成形过程中，在某一基底温度下，成形材料的压力与它在该温度下的饱和蒸汽压之间的比值，是决定成形机理和最终沉积结果的关键．2.3激光诱导液相沉积成形相对于采用气相沉积方法的快速成形技术而言，采用液相沉积方法的快速成形技术主要用于金属材料的成形．激光诱导液相沉积成形（Rapid Prototyping of Laser-inducedChemical Liquid Deposition ，简称LCLD-RP ）的基本原理，如图3所示，是利用激光束使液态成形材料发生光电化学反应、热电化学反应、光分解反应、热分解反应等，沉积出金属，并逐层制造三维实体零件．激光诱导液相沉积成形可以追溯到20世纪80年代，最初源于在材料表面镀敷金属的研究[8]．国内的研究单位也在这项技术上取得了研究成果．复旦大学利用氩离子激光器实现了在环氧树脂上沉积铜及在硅片上沉积铜和镍[9]；华东理工大学采用醋酸铜溶液沉积出了铜线[10]；上海交通大学采用硫酸铜溶液利用二氧化碳激光器在玻璃表面沉积出了铜，并对进一步进行三维微细加工的可行性进行了研究[11]．目前，激光诱导液相沉积成形主要应用于各种功能薄膜、微电子元件和线路的制造与修复中．这项技术的特点在于：1）可以有选择地在零部件的局部进行微细的沉积；2）不同于气相沉积成形，这项技术主要用于沉积金属，而且可沉积的金属材料广泛，如铜、金、银、铅、镍、钼、铬、铁、钛等；3）沉积速率高于气相沉积成形、化学镀等方法；4）实验条件和工艺过程相对而言简单易行．2.4电化学液相沉积成形在使用液态成形材料的基于化学沉积方法的快速成形技术中，除了选择激光作为能量源之外，利用电极形成的电场也是一种重要的使能方式，即电化学液相沉积成形（Rapid Prototypingof Electrochemical Liquid Deposition ，简称ECLD-RP ）．这项技术是利用电极形成的电场，使液体成形材料发生分解，并沉积出金属，通过控制电极的运动和电场的电压、电流，逐层制造出需要的原型零件．南京航空航天大学将喷射式电铸技术应用到快速成形技术领域，提出了选择性电铸工艺[12]，即是一种电化学液相沉积成形技术（见图4）．作为阳极的喷嘴将高速流动的电解液喷射至阴极表面，电解液中的金属离子在外加电场的作用下被源源不断地沉积下来，控制喷嘴的扫描运动就能选择性地在特定区域沉积出零件的一个层面，逐层沉积叠加制作出三维实体原图2电子束诱导气相沉积成形所获得的原型Fig.2Prototypes fabricated by ECVD-RP 图3激光诱导液相沉积成形原理示意图Fig.3The schematic diagram of LCLD-RP激光18河北工业大学学报第34卷型零件．目前已能够得到具有良好外形结构和纳米级微观结构的铜原型．2.5热化学液相沉积成形在各种基于化学沉积方法的快速成形技术中，热化学液相沉积成形（Rapid Prototyping of ThermochemicalLiquid Deposition ，简称TCLD-RP ）是一项诞生不久的技术，其原理如图5所示，在特定的成形环境中，将室温下为液态的成形材料用数字化喷射的方法喷射到加热的底板上，成形材料的液滴与底板接触后，于特定的条件下发生热化学反应，得到固体产物并沉积在底板上．通过控制喷射装置的运动和成形材料液滴的喷射，就可以将某种材料的三维实体逐层堆积成形，最终得到所需的原型零件．该项技术可供选择的成形材料范围广泛．选择合适的成形材料，不仅可以沉积得到金属材料的原型零件，还可以沉积成形由无机盐、陶瓷材料、特殊性能的功能材料等物质构成的原型零件．成形过程中不需要激光器等大功率器件，也不需要加热到高温的喷头等复杂、昂贵的条件．影响成形过程的主要参数是底板温度和液滴尺寸．美国Drexel 大学对这项技术进行了研究，在不锈钢表面沉积出了镍，并对三维成形的可行性进行了分析[13]．清华大学机械工程系在国家自然科学基金的资助下，对这项技术的基本原理、成形材料、成形系统、成形工艺等进行了系统而深入的研究（见图6），在铜、镍、玻璃等不同材质的基底上沉积出了具有一定复杂形状和表面质量的、由无机盐、金属、金属氧化物等多种材料构成的原型（见图7）．3结论与许多其他快速成形新技术一样，化学沉积技术与快速成形技术的集成，不仅提高了快速成形技术自身的成形能力，也为快速成形技术开辟了新的应用领域．上述这些基于化学沉积方法的快速成形新技术，已逐渐从试验室研究阶段进入实际应用阶段．其独特的成形特性，在成形具有特殊结构或性能的功能材料、微电子器件或线路的定制与修复、微机械系统或零部件的制造、微细加工等领域发挥了特殊的作用，具有诱人的应用前景．图5热化学液相沉积成形原理示意图Fig.5The schematic diagram of TCLD-RP 喷射装置运动原型阀图6热化学液相沉积成形系统外观Fig.6The photograph of the TCLD-RP system 图7玻璃基底上沉积的镍原型Fig.7The photograph of Nickel prototype deposited on the glass substrate19薛明，等：基于化学沉积方法的快速成形技术研究第4期参考文献：[1]颜永年，张伟，卢清萍，等．基于离散∕堆积成形概念的RPM 原理与发展[J ]．中国机械工程，1994，5(4)：646-646．[2]卢清萍．快速原型制造技术[M ]．北京：高等教育出版社，2001．[3]Birmingham B R ，Marcus H L ．Solid freeform fabrication of silicon nitride shapes by selective laser reaction sintering [A ]．In ：The 6th Solid Freeform Fabrication [C ]．Austin,TX ：University of Texas Press ，1995：389-396．[4]Lehmann O ，Stuke M ．Three-dimensional laser direct writing of 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