مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

بررسی تجربی و عددی تاثیر پارامترهای محیطی بر ریخت‌شناسی سطح ریزسازه‌های تولید شده با ادغام فرایند ساخت افزایشی و الکتروفرمینگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
با توسعه روزافزون حوزه میکروالکترومکانیک، تقاضا برای قطعات فلزی با ابعاد کوچک به طور چشمگیری افزایش یافته است. در میان روش‌های تولید ریزسازه‌های فلزی، فرایند لیگا با بهره‌گیری از روش الکتروفرمینگ، دقت ابعادی و صافی‌سطح بالایی را ارائه می‌دهد اما دارای محدودیت‌هایی چون تجهیزات گران‌قیمت و عدم انعطاف‌پذیری در طراحی می‌باشد. ادغام فرایند ساخت افزایشی و الکتروفرمینگ، محدودیت‌های فرایند لیگا در تولید ریزسازه‌های فلزی را کاهش می‌دهد. پارامترهای محیطی فرایند الکتروفرمینگ تاثیر زیادی بر ریخت‌شناسی سطح، بروز حفره و رشد قارچی محصول نهایی دارد. در پژوهش جاری تاثیر پارامترهای محیطی از قبیل فاصله آند-کاتد، اسیدی یا غیراسیدی ‌بودن الکترولیت، غلظت سولفات‌مس و سیستم همزن روشن یا خاموش بر ریخت‌شناسی سطح ریزسازه‌های تولید شده با ادغام فرایند ساخت افزایشی و الکتروفرمینگ فلز مس مورد مطالعه قرارگرفته است. همچنین با هدف صرفه‌جویی درهزینه و زمان آزمایش، از شبیه‌سازی عددی فرایند الکتروفرمینگ در نرم‌افزار کامسول برای پیش‌بینی پروفیل ضخامت لایه نشانی‌شده طی فرایند استفاده ‌شده است. نتایج تجربی نشان می‌دهد که افزودن مقدار 78 گرم سولفوریک‌اسید به الکترولیت سبب بهبود چشم‌گیر صافی‌سطح می‌شود، همچنین در غلظت‌های پایین سولفات‌مس (حدود80گرم بر لیتر) رشد قارچی بر لایه‌ای غالب می‌شود. با بررسی تجربی و عددی تاثیر فاصله آند-کاتد بر زبری سطح و ضخامت لایه‌نشانی شده مشاهده شد این پارامتر تاثیرکمی بر زبری و پروفیل سطح دارد. نتایج عددی، بیشینه خطای5/7 درصد را نسبت به مدل تجربی نشان ‌می‌دهند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental and numerical study of environmental parameters' influence on the surface morphology of mesostructures fabricated by integrating additive manufacturing and electroforming processes

نویسندگان English

Amir Fahimi Hanzaei
Seyed Morteza Mousavi
Javad Akbari
Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

With the rapid development of the microelectromechanical systems (MEMS) field, the demand for small-scale metallic components has significantly increased. Among the manufacturing methods for micro metal structures, the LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) process, utilizing electroforming, offers high dimensional accuracy and surface smoothness; however, it has limitations such as expensive equipment and a lack of design flexibility. The integration of additive manufacturing and electroforming processes alleviates the limitations of the LIGA process in producing micro and meso metal structures. Environmental parameters during the electroforming process have a considerable impact on surface morphology, the occurrence of voids, and dendritic growth of the final product. In this study, the effects of various environmental parameters, such as the anode-cathode distance, the acidic or non-acidic nature of the electrolyte, copper sulfate concentration, and the state of the stirring system (on or off), on the surface morphology of microstructures produced through the integration of additive manufacturing and electroforming of copper were investigated. Additionally, to save on costs and testing time, numerical simulation of the electroforming process was conducted using COMSOL software to predict the thickness profile of the deposited layer during the process. Experimental results indicate that the addition of 78 grams of sulfuric acid to the electrolyte results in a significant improvement in surface smoothness. Furthermore, at low concentrations of copper sulfate (approximately 80g/l), dendritic growth becomes predominant on the layer. Experimental and numerical investigations on the effect of anode-cathode distance revealed that this parameter has a minor impact on surface roughness and thickness of the deposited layer. The numerical results showed a maximum error of 7.5 percent compared to the experimental model.

کلیدواژه‌ها English

Mesostructure
Additive Manufacturing
Electroforming
Simulation
Surface Morphology
[1] Hsu TR. MEMS and microsystems: design, manufacture, and nanoscale engineering. John Wiley & Sons; 2008 Mar 17.
[2] Hernández P, Campos D, Socorro P, Benítez A, Ortega F, Díaz N, Marrero MD. Electroforming applied to manufacturing of microcomponents. Procedia engineering. 2015 Jan 1;132:655-62. doi: 10.1016/j.proeng.2015.12.544
[3] McGeough JA, Leu MC, Rajurkar KP, De Silva AK, Liu Q. Electroforming process and application to micro/macro manufacturing. CIRP Annals. 2001 Jan 1;50(2):499-514. doi: 10.1016/S0007-8506(07)62990-4
[4] Yang H, Kang SW. Improvement of thickness uniformity in nickel electroforming for the LIGA process. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2000 May 1;40(7):1065-72. doi: 10.1016/S0890-6955(99)00107-8
[5] Huang C, Li HY, Zhu MJ, Yu MM. Present research situation and new trends of electroforming. Applied Mechanics and Materials. 2013 Mar 21;278:401-5. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.278-280.401
[6] Li H, Jiang K, Guo Y, Peng Y. Research on bipolar pulse current electroforming in precision molds and dies. Tsinghua Science and Technology. 2009 Jun;14(S1):144-8. doi: 10.1016/S1007-0214(09)70082-3
[7] Gupta K, Jain NK, Laubscher R. Chapter 4-advances in gear manufacturing. Advanced gear manufacturing and finishing. 2017:67-125.
[8] Chai J, Zhang K, Xue Y, Liu W, Chen T, Lu Y, Zhao G. Review of MEMS based Fourier transform spectrometers. Micromachines. 2020 Feb 20;11(2):214. doi: 10.3390/mi11020214
[9] Genolet G, Lorenz H. UV-LIGA: From development to commercialization. Micromachines. 2014 Jul 23;5(3):486-95. doi: 10.3390/mi5030486
[10] Malekabadi A, Paoloni C. UV-LIGA microfabrication process for sub-terahertz waveguides utilizing multiple layered SU-8 photoresist. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016 Jul 8;26(9):095010. doi: 10.1088/0960-1317/26/9/095010
[11] Van Erps J, Vervaeke M, Ottevaere H, Hermanne A, Thienpont H. Deep proton writing for the rapid prototyping of polymer micro-components for optical interconnects and optofluidics. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2013 Jul 15;307:243-7. doi: 10.1016/j.nimb.2012.10.023
[12] Zhang H, Zhang N, Gilchrist M, Fang F. Advances in precision micro/nano-electroforming: a state-of-the-art review. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2020 Jul 30;30(10):103002. doi: 10.1088/1361-6439/aba017
[13] Rabiei Motmaen F. Design and Development of the Electroforming Fabrication Process for Metallic Microstructures Using Additive Manufacturing Molds [master's thesis]. Tehran: Sharif University of Technology; 2023. [In Persian]
[14] Priyadarshi P, Kishore K, Maurya R. Electrodeposited Ni on copper substrate: an experimental and simulation comparative study. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). 2023 Aug;17(4):1489-95. doi: 10.1007/s12008-022-01166-8
[15] Wang H, Xie J, Fan T, Sun D, Li C. Improving the thickness uniformity of micro gear by multi-step, self-aligned lithography and electroforming. Micromachines. 2023 Mar 30;14(4):775. doi: 10.3390/mi14040775
[16] Mohammadi Arani I, Montazerolghaem H. Effect of Electroforming Process Parameters with One-way Pulse Current and Reverse Pulse Current (PRC) on Mechanical Properties and Thickness Uniformity of Produced Copper U-shaped. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2020 Dec 21;7(10):61-72. doi: 10.1007/s12008-022-01166-8 [In Persian]
[17] Malone GA, Hudson W, Babcock B, Edwards R. Improved electroformed structural copper and copper alloys. 1998 Nov 1.