Обмеження нітратного електроліту міднення для швидкісного електрохімічного 3d-друку
Анотація
Проведено випробування локального електроосадження металічної міді з нітратного електроліту з метою визначення можливості застосування цього електроліту в технології електрохімічного 3D-друку. Осадження проводили з використанням платинового нерозчинного анода, розміщеного в поліпропіленовому капілярі діаметром 4 мм. Електроформували об’єкти у формі циліндра висотою 100 мкм та 500 мкм за різної густини струму в стаціонарному та імпульсному режимах. Експериментально осаджені зразки аналізували із застосуванням 3D-профілометрії, порівнювали профіль поверхні з комп’ютерною моделлю та бажаним профілем покриття. Встановлено, що найвища точність друку досягається при густині струму осадження 20 А/дм2 при товщині осаду до 100 мкм. Збільшення товщини осаду, густини струму осадження та застосування імпульсного режиму призводять до зниження точності електроформування та компактності осаду через появу дифузійних обмежень і утворення дендритів. Таким чином, нітратний електроліт дозволяє проводити якісне локальне електроосадження об’єктів з міді висотою до 100 мкм при густині струму до 20 А/дм2
Ключові слова
локальне електроосадження; профіль осаду; комп’ютерне моделювання; профілометрія; дендрити
Використані джерела
[1] C. Korner, "Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting - a review", International Materials Reviews, vol. 61, no. 5, pp. 361-377, 2016.
[2] P. Regenfuss et al., "Principles of laser micro sintering", Rapid Prototyping Journal, vol. 13, no. 4, pp. 204-212, 2007.
[3] L. Xinchao, M. Pingmei, A. Sansan, and W. Wei, "Review of additive electrochemical micro-manufacturing technology", International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 173, p. 103848, 2021.
[4] G. S. Vasiliev, D. Y. Ushchapovskyi, V. I. Vorobyova, and O. V. Linyucheva, "Modeling of electrochemical 3d printing processes", Naukovi visti KPI, no. 2, pp. 97105, 2021 [in Ukrainian].
[5] G. Vasyliev, V. Vorobyova, D. Uschapovskiy, and O. Linyucheva, "Local electrochemical deposition of copper from sulfate solution", Journal of Electrochemical Science and Engineering, vol. 12, no. 3, pp. 557-563, 2022.
[6] S. D. Leith, and D. T. Schwartz, "High-rate through-mold electrodeposition of thick (>200 μm) NiFe MEMS components with uniform composition", Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 8, no. 4, pp. 384-392, 1999.
[7] A. L. Cohen, U. Frodis, F. G. Tseng, G. Zhang, M. Florian, and P. M. Will, "EFAB: low-cost automated electrochemical batch fabrication of arbitrary 3D microstructures", in Proc. Micromachining and Microfabrication Process Technology V, vol. 3874, pp. 236-247, 1999
[8] J. D. Madden, S. R. Lafontaine, and I. W. Hunter, "Fabrication by electrodeposition: building 3D structures and polymer actuators", in Proc. IEEE Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science, 1995, pp. 77-81.
[9] J. Xu, W. Ren, Z. Lian, P. Yu, and H. Yu, "A review: development of the maskless localized electrochemical deposition technology", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 110, pp. 1731-1757, 2020.
[10] P. Hanekamp, W. Robl, and F. M. Matysik, "Development and application of a multipurpose electrodeposition cell configuration for studying plating processes on wafer specimen and for characterizing surface films by scanning electrochemical microscopy", Journal of Applied Electrochemistry, pp. 1-8, 2017.
[11] S. Morsali, S. Daryadel, Z. Zhou, A. Behroozfar, D. Qian, and M. MinaryJolandan, "Multi-physics simulation of metal printing at micro/nanoscale using meniscus-confined electrodeposition: Effect of environmental humidity", Journal of Applied Physics, vol. 121, pp. 024903-024908, 2017.
[12] J. Hu, and M. F. Yu, "Meniscus-confined three-dimensional electrodeposition for direct writing of wire bonds", Science, vol. 329, no. 5989, pp. 313-316, 2010.
[13] S. K. Seol et al., "Electrodeposition-based 3D printing of metallic microarchitectures with controlled internal structures", Small, vol. 11, no. 32, pp. 3896-3902, 2015.
[14] A. Behroozfar, S. Daryadel, S. R. Morsali, S. Moreno, M. Baniasadi, R. A. Bernal, and M. Minary-Jolanda, "Microscale 3D printing of nanotwinned copper", Advanced Materials, vol. 30, no. 4, pp. 1705107-1705113, 2017.
[15] P. Liu, Y. Guo, Y. Wu, J. Chen, and Y. Yang, "A low-cost electrochemical metal 3D printer based on a microfluidic system for printing mesoscale objects", Crystals, vol. 10, no. 4, pp. 257-273, 2020
[16] K. Nakazawa, M. Yoshioka, Y. Mizutani, T. Ushiki, and F. Iwata, "Local electroplating deposition for free-standing micropillars using a bias-modulated scanning ion conductance microscope", Microsystem Technologies, vol. 26, pp. 1-10, 2019.
[17] G. Ercolano, C. V. Nisselroy, T. Merle, J. Voros, D. Momotenko, W. W. Koelmans, and T. Zambelli, "Additive manufacturing of sub-micron to sub-mm metal structures with hollow AFM cantilevers", Micromachines, vol. 11, pp. 6-20, 2020