本發(fā)明涉及電化學增材制造，具體涉及基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法及裝置。

背景技術：

1、隨著汽車工業(yè)、航空航天、國防軍工等技術領域的快速發(fā)展，對于曲面上的防腐蝕、防水、防冰的性能要求越來越高。傳統(tǒng)的平面光刻工藝對于曲面上的應用有著很大限制，曲面光學元件或器件通常具有復雜的曲面形狀，導致工藝不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)高質量的圖形轉移。曲面微陣列加工的發(fā)展已經對傳統(tǒng)平面微陣列加工的缺陷取得了越來越大的進步，但仍然存在重大挑戰(zhàn)。

2、為了解決這些問題，眾多三維曲面微結構制造技術應運而生，3d打印、激光直寫、曲面轉印技術等。但是目前可用于三維曲面打印的材料種類相對有限并且3d打印的分辨率會受到限制。相比傳統(tǒng)平面打印技術，激光直寫技術通常需要更長的時間來完成打印，特別是對于復雜的曲面結構。曲轉印技術適用于某些特殊形狀的曲面，對于非常復雜或特殊形狀的曲面可能不太適用。

3、2020年，申請?zhí)枮閏n202010554663.3的中國專利公開一種薄膜結構裁剪方法，本發(fā)明公開了一種薄膜結構裁剪方法，包括選擇一塊空間膜片，膜片的一條裁剪邊事先已經確定，對空間膜片進行區(qū)域劃分，由幾何學原理保證可將空間膜無誤差地展開成平面膜片。該方法應用于大尺寸薄膜的展開，切割形狀單一，對于硬度較高的掩模板分割，較難有效消除在復雜變曲率曲面上的掩模板貼合所產生的應力變化。

4、2018年，申請?zhí)枮閏n201810456005.3的中國專利公開了一種基于透明柔性薄膜材料的曲面光刻工藝，包括以下步驟：將目標曲面圖案沿平面展開，將平面化圖案制作在平面狀的光刻掩膜板或硬掩膜板上；選取柔性薄膜材料；采用光刻掩膜板進行處理，或者采用硬掩膜板對柔性薄膜材料進行處理，得到表面具有完整非透明圖案的柔性基底；在待光刻的曲面上涂膠，將柔性基底緊密無縫隙地貼附在該待光刻的曲面上，經過曝光、顯影后，即可實現(xiàn)曲面光刻。該方法主要針對可展開曲面的光刻，但難以克服不可展開曲面的曲率問題，較難實現(xiàn)在不可展開曲面上的掩膜光刻。

5、2015年，申請?zhí)枮閏n201510037978.x的中國專利公開了一種柔性、可拉伸、可變形曲面光刻模板與光刻方法和裝置。制作可拉伸的柔性光刻掩模板和柔性紫外發(fā)光二極管led面板作為曝光用的光源，將柔性可拉伸的模板在可控應力的作用下緊密附著在涂有光刻膠的基底上，將柔性led面板緊密附著在柔性模板上后進行光刻。該方法可以實現(xiàn)在一些復雜曲面上進行光刻，但是因為使用的柔性可拉伸掩膜板，在貼合過程中因為拉伸力的作用，會使掩膜板上的結構存在一定量的變形，降低光刻精度。

6、2019年，申請?zhí)枮閏n201911417378.0的中國專利公開了一種采用dmd與液晶調制的曲面光刻方法。采用dmd作為數(shù)字灰度掩模調制器，對入射光的振幅進行調制，同時加入液晶作為相位調制器，對入射光的相位進行調制，從而將入射的平面波轉化為特定波前的光束，然后再經過投影鏡頭，最終成像在曲面的光刻膠基底上，從而實現(xiàn)曲面光刻。該方法由于dmd的微鏡是基于數(shù)字控制的，可能會導致各個區(qū)域曝光強度的不均勻，從而影響最終圖案的質量和一致性。

7、公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域普通技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法及裝置，能夠實現(xiàn)不可展開曲面大面積微結構光刻和電化學沉積，并具有更高的微結構精度。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明的第一方面公開了基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法，其包括：

3、s1、在工件的不可展開曲面形成光刻干膜層；

4、s2、通過數(shù)字建模分析將所述不可展開曲面劃分成多個近似于平面的可展開的小面積微元，根據所述不可展開曲面的結構確定單位區(qū)域內劃分的數(shù)量；將劃分后的所述不可展開曲面展開，得到近似二維化的剪切圖案；

5、s3、將柔性光刻掩膜板按照所述剪切圖案進行切割，切割后將其貼合至所述光刻干膜層背離所述不可展開曲面的一側表面；通過曝光、顯影，在所述光刻干膜層上形成所需的微圖案鏤空；

6、s4、向工件和陽極之間通入工作液，并向作為陰極的工件和陽極施加電壓，在所述微圖案鏤空中進行電化學沉積；

7、s5、去除光刻干膜層，在所述不可展開曲面上制備出大面積陣列結構或微納圖案。

8、具體地，所述s1包括：

9、采用拉伸熱壓法對所述工件的不可展開曲面進行光刻干膜貼覆。對光刻干膜進行拉伸，保持各方向上的拉伸力相同，在拉伸過程中光刻干膜發(fā)生彈性變形，使光刻干膜能夠適應所述工件的不可展開曲面的輪廓，并在光刻干膜完整覆蓋所述工件的不可展開曲面后對其進行熱壓，得到光刻干膜層；

10、或者，使用旋涂法將光刻膠均勻地涂敷在所述工件的不可展開曲面，再將所述工件放入熱板上進行預烘烤。

11、具體地，所述通過曝光、顯影在所述光刻干膜層上形成所需的微圖案鏤空的步驟包括：通過光刻膠曝光固化所述光刻干膜層的位于所需微圖案以外的區(qū)域；曝光完成后，通過光刻膠顯影，除去所述光刻干膜層中的未曝光區(qū)域。

12、優(yōu)選地，所述不可展開曲面為旋轉對稱曲面；在所述s4中，使工件和陽極處于相對旋轉狀態(tài)。具體地，為了實現(xiàn)工件和陽極處于相對旋轉狀態(tài)，可設置陽極處于靜止，作為陰極的所述工件在伺服電機驅動下作自旋轉運動，實現(xiàn)不可展開曲面各部分均勻沉積；或者，可設置作為陰極的工件處于靜止，陽極在旋轉托盤驅動下圍繞陰極工件作圓周旋轉運動，實現(xiàn)不可展開曲面各部分均勻沉積。

13、具體地，所述s2中將所述不可展開曲面劃分成多個近似于平面的可展開的小面積微元，根據所述不可展開曲面中不同區(qū)域的不同曲率，設置不同的結構劃分密度；高曲率區(qū)域設置較高的結構劃分密度，低曲率區(qū)域設置較低的結構劃分密度。

14、本實施例通過設計不同的結構劃分密度，提高高曲率區(qū)域的劃分密度，以確保貼合間隙小于影響光刻質量的臨界間隙。

15、具體地，根據所述不可展開曲面的不同形狀尺寸確定所述小面積微元的形狀；所述小面積微元的形狀為環(huán)形、扇形和平面多邊形的任意一種或者幾種的組合。

16、具體地，所述柔性光刻掩膜板為可彎曲不可拉伸掩膜板，選自pet掩膜板、pdms掩膜板、pi掩膜板和有機薄膜掩膜板的一種；所述的柔性光刻掩膜板具有的不透光圖案根據用途分為線性結構圖案、點狀結構圖案和復合型結構圖案。

17、具體地，根據所述不可展開曲面的形狀尺寸設計所述陽極，所述陽極設計為線性陽極、工件同曲率片狀陽極或者全包裹式陽極；

18、其中，所述線性陽極和所述工件同曲率片狀陽極均所述不可展開曲面保持相同曲率，并圍繞著所述工件的不可展開曲面進行循環(huán)往復運動，引起陽極與陰極之間的電子轉移反應，在曲面表面發(fā)生電化學還原，實現(xiàn)對曲面表面的大面積結構沉積。

19、所述全包裹式陽極具有與所述工件相同的形狀，且能夠完全罩設所述工件的不可展開曲面，并在罩設時與所述工件的不可展開曲面之間保留出加工間隙。

20、在本技術中，兩個曲面保持相同曲率是指兩個曲面之間的距離在任意點上都是相同的。

21、具體地，在所述s4中，當所述陽極為所述線性陽極或所述工件同曲率陽極時，設置所述工件和所述陽極完全浸沒在所述工作液中；當所述陽極為所述全包裹式陽極時，所述工作液采用沖液的方式進行供給，以對所述工件和所述陽極之間的加工間隙進行持續(xù)不斷的沖刷。

22、具體地，為了避免因曲面各部分入射角度不同而造成光刻精度低，所述曝光采用數(shù)控多點化光源或者線性光源；

23、其中，所述數(shù)控多點化光源包括若干點化光源，所述若干點化光源均勻分布于所述不可展開曲面的各個方向并且能夠同時對所述不可展開曲面進行光照，用于確保所述不可展開曲面的各部分受到的光照參數(shù)相同；

24、所述線性光源，能夠發(fā)出與所述不可展開曲面同曲率的線性光線，工件自轉時，所述線性光源發(fā)出的線性光線掠過所述不可展開曲面，用于消除光線散射。

25、具體地，所述s5包括：使用有機溶劑浸泡完成電沉積的所述工件，使其表面的所述光刻干膜層脫落去除。

26、具體地，所述貼合的步驟包括：采用間隙填充材料對所述柔性光刻掩膜板與所述工件的不可展開曲面進行間隙填充；所述間隙填充材料選自pdms、uv膠和細胞外基質凝膠的一種或者兩種以上的組合。

27、本發(fā)明的第二方面公開了一種用于實施上述的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備裝置，該裝置包括數(shù)控機床、沉積槽、機架、可升降機械臂、掩膜光刻系統(tǒng)、電化學沉積加工系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。

28、其中，所述數(shù)控機床包括可移動的數(shù)控工作臺；所述數(shù)控工作臺上固定安裝有沉積槽，所述沉積槽內設置有用于固定工件的工件固定夾具；

29、所述機架通過可升降機械臂可升降地連接至所述機床底座的上方，所述掩膜光刻系統(tǒng)和所述電化學沉積加工系統(tǒng)均安裝于所述機架且均設置在所述數(shù)控工作臺的移動途徑上；

30、所述掩膜光刻系統(tǒng)包括用于均勻夾持和拉伸已去除厚層保護薄膜的光刻干膜的拉伸機構、活動熱壓模具、加熱油缸、壓力表、數(shù)控多點化光源以及光源調節(jié)裝置；所述活動熱壓模具與所述加熱油缸的伸縮端連接并加熱后保持在所述光刻干膜上方，當所述數(shù)控工作臺移動至使所述工件與所述活動熱壓模具上下相對且所述加熱油缸對所述活動熱壓模具加熱至熱壓目標溫度時，所述加熱油缸帶動所述活動熱壓模具下移直至將所述光刻干膜熱壓貼合于所述工件的不可展開曲面；所述數(shù)控多點化光源用于向所述工件的不可展開曲面的各部分提供具有相同光照參數(shù)的光線；

31、所述電化學沉積加工系統(tǒng)包括自旋轉平臺、用于固定陽極的陽極夾具、溫度檢測裝置以及加熱裝置；所述自旋轉平臺安裝于所述可升降機械臂；所述陽極夾具固定連接于所述自旋轉平臺的下方；所述加熱裝置用于加熱所述沉積槽內的工作液至第二目標溫度；所述溫度檢測裝置用于實時監(jiān)控所述沉積槽內的工作液的溫度；

32、所述電源系統(tǒng)包括第一電源以及高頻雙向脈沖電流電源，所述第一電源用于向所述掩膜光刻系統(tǒng)供電；所述高頻雙向脈沖電流電源的正極與所述陽極連接，負極與所述工件連接，當向所述工件與所述陽極之間通入工作液時實現(xiàn)閉合回路；

33、該裝置被配置為，在所述工件掩膜光刻完成后，控制所述數(shù)控機床使所述數(shù)控工作臺移動帶動所述工件同步移動至所述自旋轉平臺的下方并使所述陽極完全浸入到所述沉積槽內的工作液中且與所述工件之間保留出加工間隙；所述自旋轉平臺能夠通過所述陽極夾具帶動所述陽極圍繞所述工件作公轉圓周運動，從而實現(xiàn)不可展開曲面大面積微結構的制備。

34、有益效果：

35、1)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法中，將剪紙法應用于掩膜光刻進行表面微結構陣列或微納圖案電化學的制備，將曲面表面計算分割成小面積微元，剪切掩膜板至微單元區(qū)域的形狀進行貼合光刻。通過本發(fā)明的所述方法，可以實現(xiàn)不同曲率的曲面微結構光刻，克服了因為曲面和掩膜板因曲率不同導致的光刻精度低的問題。

36、2)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法中，使用數(shù)學建模劃分并曲面展開后，可以對光刻結構進行形狀補償，克服了因為曲率不同導致的曲面光刻結構變形的問題。

37、3)本發(fā)明采用的用于實施基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備裝置中，電化學沉積時將沉積槽裝夾在數(shù)控工作臺上，通過驅動機構例如電機帶動螺旋桿使得數(shù)控工作臺可進行上下左右的移動，在覆膜光刻區(qū)完成后數(shù)控工作臺可直接移動至沉積區(qū)進行電沉積，減少停機時間，提高生產效率。

38、4)本發(fā)明采用的用于實施基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備裝置中，采用拉伸熱壓法對曲面工件表面進行覆膜。相對于傳統(tǒng)的光刻干膜掩膜，通過拉伸熱壓，避免了因為光刻干膜與曲面工件的曲率不一致而在貼合時候產生的褶皺問題。

39、5)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法中，通過多點式旋轉光刻或線性光刻，彌補因為工件存在曲率而產生的不同區(qū)域入射角不同。

40、6)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法中，根據不可展開曲面的不同形狀尺寸，將曲面劃分為環(huán)形、扇形和平面多邊形的任意一種或者幾種的組合。根據不同的曲率選擇不同形狀的單元以達到最好的貼合，不同的劃分形狀可有效減少掩膜板彈性變形所導致的內部應力。

41、7)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法中的電化學工作液補給方式，采用線性陽極時或工件同曲率陽極時，采用完全浸液方式，確保電極附近始終有足夠的離子濃度。采用全包裹式陽極時，采用沖液方式，確保電極附近始終有足夠的離子濃度，同時有助于加工產物的排出。

42、8)本發(fā)明采用的基于剪紙法的不可展開曲面大面積微結構制備方法，可實現(xiàn)對于曲面外表面和內表面的微陣列和圖案化制備。