Microelectroquímico

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 319 (2023) Citar este artículo

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La precisión del micromecanizado electroquímico pulsado depende predominantemente de la duración del pulso. Para obtener una alta precisión, se necesita una fuente de energía costosa con una duración de pulso ultracorta. En este trabajo se propone un método de micromaquinado electroquímico basado en circuitos de doble retroalimentación para lograr este objetivo. En el circuito del micromaquinado electroquímico pulsado se utiliza un circuito de retroalimentación positiva más un circuito de retroalimentación negativa. Así, las ganancias de los circuitos de retroalimentación pueden controlar la duración del pulso del sistema de mecanizado. Los experimentos muestran que la resolución de mecanizado se puede mejorar notablemente mediante un aumento en las ganancias de retroalimentación. Usando el método, se produce un micro haz de curado doble, y su precisión alcanza el nivel de nanómetros bajo la condición de usar una fuente de energía ordinaria de duración de pulso.

La tecnología de micromecanizado es una tecnología de procesamiento emergente del sistema microelectromecánico, que pertenece al punto crítico de investigación en el campo de la tecnología de fabricación avanzada en el mundo. Es de gran importancia asegurar y mejorar el rendimiento de trabajo del sistema microelectromecánico1,2,3. Entre estas tecnologías de micromecanizado, el método de mecanizado electroquímico tiene un gran potencial de desarrollo para el procesamiento de materiales en escalas micrométricas y nanométricas porque la transferencia de material se lleva a cabo a escala iónica durante el mecanizado electroquímico. Por lo tanto, el micromecanizado electroquímico ha atraído la atención de investigadores de todo el mundo.

Bhttacharyya desarrolló un método de mecanizado microelectroquímico que incluía un sistema de mecanizado, un sistema eléctrico, un sistema de flujo de electrolitos y un sistema de monitoreo, y luego analizó la posibilidad de su uso en el mecanizado microestructural4. Zhu propuso una herramienta de dos polos con casquillo de metal en el exterior del revestimiento aislante de la herramienta de cátodo, que redujo la densidad de corriente en el área del espacio lateral del orificio de mecanizado y mejoró la precisión y la estabilidad del mecanizado5. Mount analizó el transitorio de corriente en el mecanizado electroquímico y determinó los parámetros clave relacionados con el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo plana6.

Aunque el mecanizado electroquímico tiene ventajas en principio, la localización de la tecnología de mecanizado electroquímico tradicional es muy pobre. Esto limita en gran medida la capacidad de mecanizado de esta tecnología para micro y nanoestructuras. Para aumentar la localización del mecanizado electroquímico, Schuster introdujo una técnica de micromecanizado electroquímico (ECMM) basada en voltajes de pulsos ultracortos, y se llevaron a cabo amplios estudios utilizando la técnica7. Shin optimizó los parámetros de la señal de pulso, como el pico de voltaje, la duración del pulso y su período, para mejorar la precisión y la estabilidad del mecanizado8. Maurer fabricó microestructuras en aleaciones con memoria de forma de NiTi utilizando la técnica ECMM basada en pulsos ultracortos9. Huang desarrolló un sistema de micromecanizado electroquímico pulsado de nanosegundos, realizó una serie de experimentos, estudió los efectos de los parámetros de la señal de pulso en la precisión del mecanizado y preparó con éxito microestructuras complejas en placas de níquel y superaleaciones10. Wang utilizó un electrodo de herramienta esférico para reducir la conicidad de las microestructuras procesadas11. Chen investigó la relación entre la precisión de mecanizado de la técnica y la forma de onda del pulso12,13. Koyano mecanizó el patrón microtexturizado mediante la técnica de mecanizado electroquímico de pulso ultracorto14. Zhang optimizó la estructura del cátodo de la herramienta y los parámetros de mecanizado en la tecnología de mecanizado electroquímico pulsado y mejoró la calidad del mecanizado de la pequeña ranura anular en la pared interior de la boquilla15.

En la técnica ECMM mencionada anteriormente, la precisión de mecanizado depende principalmente de la duración del pulso de voltaje. Para lograr una precisión de mecanizado de escala nanométrica, se necesita una escala de picosegundos del voltaje de duración del pulso, que no es fácil de obtener y es costosa.

Para ello, Xu usó inductancia ajustable y Zhao usó capacitancia ajustable en el circuito del micromecanizado electroquímico pulsado de manera que la precisión del maquinado se incrementó ajustando la inductancia o la capacitancia cuando se usaba la fuente de alimentación de ancho de pulso μs16,17.

Entre estos estudios, la precisión de mecanizado basada en técnicas de capacitancia variable o inductancia variable llegó hasta el nivel nanométrico. Sin embargo, el problema en la tecnología de mecanizado de capacitancia variable es que la influencia de la capacitancia parásita debe controlarse estrictamente. En la tecnología de mecanizado de inductancia variable, el voltaje máximo de la señal de pulso depende de la inductancia y debe ajustarse y controlarse.

El control de retroalimentación es una técnica eléctrica clásica que se usa ampliamente en campos como los sistemas electromecánicos, la rotación del rotor, los sistemas de energía, los mecanismos piezoeléctricos y los sistemas cuánticos, etc.

El circuito de mecanizado del micromecanizado electroquímico pulsado es equivalente a un circuito RC cuya constante de tiempo se puede cambiar agregando un circuito de retroalimentación, lo que podría alterar la precisión de mecanizado del micromecanizado electroquímico pulsado. Xu propuso un método de micromecanizado electroquímico basado en el control de la constante de tiempo e investigó la relación entre la precisión del mecanizado y la ganancia de retroalimentación del lazo de control18.

La tecnología de procesamiento anterior aún debe mejorarse aún más para aumentar la precisión de mecanizado de las microestructuras. Por esta razón, se propone una técnica de micromecanizado electroquímico basada en el principio de doble retroalimentación. Además del ancho de pulso, se proporcionan dos parámetros de control de precisión. En comparación con los métodos mencionados anteriormente, la técnica propuesta es más ventajosa para aumentar la precisión del mecanizado.

De las Ecs. (4) y (5) (consulte la sección de método), se sabe que aumentar el coeficiente de retroalimentación positiva k1 puede extender la constante de tiempo τv para mejorar la precisión del mecanizado. La verificación se llevó a cabo mediante experimentos de mecanizado de microagujeros, y cada grupo de experimentos se repitió tres veces.

En la prueba, el diámetro del electrodo de alambre de tungsteno utilizado fue de 9,80 μm (ver Fig. 1a). La frecuencia del voltaje del pulso fue de 100 kHz y el ciclo de trabajo fue del 15 %, lo que corresponde a un ancho de pulso de 1,5 μs. El voltaje máximo fue de 1,3 V. Se usó una lámina de níquel de 5 μm de espesor como pieza de trabajo del ánodo, y la concentración de electrolito diluido H2SO4 fue de 0,03 M. En la prueba de procesamiento de microagujeros, el electrodo de la herramienta se alimenta a lo largo de la dirección perpendicular a la pieza de trabajo, la profundidad de avance es de 8 μm, la velocidad de avance es de 0,03 μm/s y la distancia inicial entre la herramienta y la pieza de trabajo es de 0,8 μm.

Microagujeros producidos en k1 = 0,92 y k2 = 0.

Bajo los mismos parámetros de proceso, se obtuvieron los resultados de mecanizado de microagujeros con diferente ganancia de retroalimentación positiva k1 (ver Fig. 1b y c, en la que solo se da un resultado por limitaciones de espacio). Los cambios en el diámetro promedio de los microagujeros y el espacio del lado de mecanizado, junto con la ganancia de retroalimentación positiva k1, se muestran en la Tabla 1. La resolución del mecanizado se estimó por el espacio del lado de mecanizado, que era igual a la mitad de la diferencia entre el final diámetro del agujero y el diámetro de la herramienta.

Los resultados muestran que en el caso de un coeficiente de retroalimentación positivo k1 < 0,92, con el aumento de la ganancia k1, el espacio del lado de mecanizado disminuye y se mejora la precisión del mecanizado. En k1 = 0,92, el espacio lateral medio alcanza los 0,61 μm. Cuando k1 está por encima de 0,92, el número de cortocircuitos en el procesamiento aumenta significativamente, y la "retroalimentación en corto" repetida conduce a la disminución de la capacidad de mecanizado. El espacio lateral promedio aumenta a 2,22 μm en k1 = 0,93. Esto se debe a que la reacción electroquímica no se pudo llevar a cabo de manera efectiva. Por lo tanto, el coeficiente de retroalimentación positiva k1 debe tomarse por debajo o igual a 0.92 en micromaquinado electroquímico con un circuito de retroalimentación positiva (Tabla 2).

De E's. (4) y (5) (consulte la sección de método), se sabe que aumentar el coeficiente de retroalimentación negativa k2 también puede extender la constante de tiempo Av para mejorar la precisión del mecanizado. La verificación se llevó a cabo mediante el experimento de mecanizado de microagujeros, y cada grupo de experimentos también se repitió tres veces. Se utilizó alambre de tungsteno de 9,35 μm de diámetro como electrodo en el experimento (ver Fig. 2). Se tomaron otros parámetros como los mismos que los de la situación de retroalimentación positiva anterior.

Microagujeros producidos para varios k1 = 0 y k2 = 1,2.

Los resultados muestran que con el aumento de la ganancia de retroalimentación negativa k2, se reduce el espacio del lado de mecanizado y se mejora la precisión del mecanizado. En k2 = 1,2, el espacio lateral medio alcanza los 0,29 μm. Cuando k2 está por encima de 1,2, el número de cortocircuitos en el procesamiento aumenta significativamente y el "retroalimentador" repetido conduce a la disminución de la capacidad de mecanizado. El espacio lateral promedio aumenta a 2,85 μm en k2 = 1,3. Esto se debe a que la reacción agroquímica no se pudo llevar a cabo de manera efectiva. Por lo tanto, el coeficiente de retroalimentación negativa k2 debe tomarse por debajo o igual a 1,2 en el micromecanizado agroquímico con un circuito de retroalimentación negativa.

En el capítulo 2.1, los resultados de las pruebas muestran que la ganancia de retroalimentación k1 debe estar en el rango de 0 a 0,92. En el capítulo 2.2, los resultados de las pruebas muestran que la ganancia de retroalimentación k2 debe estar en el rango de 0–1.2. Aquí, investigamos los efectos de la ganancia de retroalimentación k1 en la precisión de mecanizado para una ganancia de retroalimentación dada k2. Aquí, cuanto mayor sea el coeficiente de retroalimentación k2, menor será el rango de ajuste del coeficiente k1. Para garantizar que el coeficiente k1 tenga un amplio rango de ajuste, el coeficiente de retroalimentación k2 aquí toma un número más pequeño dentro del rango deseable y se toma como ganancia de retroalimentación k2 = 0,2.

Para una ganancia de retroalimentación negativa dada k2 = 0,2, la ganancia de retroalimentación positiva k1 se cambió para estudiar la influencia del bucle de retroalimentación doble en la precisión de mecanizado de microagujeros por experimento, y cada grupo de experimentos se repitió tres veces. El electrodo de la herramienta fue un alambre de tungsteno de 7,20 μm de diámetro (ver Fig. 3a). Otros parámetros se consideraron iguales a los de las dos situaciones anteriores.

Microagujeros producidos en k1 = 0,64 y k2 = 0,2.

Bajo los mismos parámetros de proceso (aquí k2 = 0,2), se obtuvieron los resultados de mecanizado de microagujeros con diferente coeficiente de retroalimentación positiva k1 (ver Fig. 3b y c, en la que solo se da un resultado típico debido a limitaciones de espacio). Los cambios del diámetro promedio de los microagujeros y el espacio del lado de mecanizado junto con la ganancia de retroalimentación positiva k1 se muestran en la Tabla 3.

Los resultados muestran que con una ganancia de retroalimentación negativa k2 = 0,2, el espacio del lado de mecanizado aún se reduce y la precisión de mecanizado mejora al aumentar la ganancia de retroalimentación positiva k1. En comparación con los resultados para k2 = 0, la precisión de mecanizado mejora más rápidamente al aumentar la ganancia k1. En k2 = 0,2 y k1 = 0,64, el espacio lateral medio alcanza los 0,20 μm. Ilustra que la precisión de la tecnología de retroalimentación doble es mayor que la de las tecnologías de retroalimentación positiva simple o retroalimentación negativa simple.

Aquí, investigamos los efectos de la ganancia de retroalimentación k2 en la precisión de mecanizado para una ganancia de retroalimentación dada k1. De la misma manera que en el capítulo 2.3, cuanto mayor sea el coeficiente de retroalimentación k1, menor será el rango de ajuste del coeficiente k2. Para garantizar que el coeficiente k2 tenga un amplio rango de ajuste, el coeficiente de retroalimentación k1 aquí toma un número más pequeño dentro del rango deseable y se toma como ganancia de retroalimentación k1 = 0,2.

Para una ganancia de retroalimentación positiva dada k1 = 0,2, la ganancia de retroalimentación negativa k2 se cambió para estudiar la influencia del bucle de retroalimentación doble en la precisión de mecanizado de microagujeros mediante experimentos, y cada grupo de experimentos se repitió tres veces.

El diámetro del electrodo de la herramienta fue de 10,39 μm (ver Fig. 4a). Otros parámetros se consideraron iguales a los de las situaciones anteriores.

Microagujero producido en k2 = 0,7 y k1 = 0,2.

Bajo los mismos parámetros de proceso (aquí k1 = 0,2), se obtuvieron los resultados de mecanizado de microagujeros con diferente coeficiente de retroalimentación negativa k2 (ver Fig. 4b y c, en la que solo se da un resultado típico debido a limitaciones de espacio). Los cambios del diámetro promedio de los microagujeros y el espacio del lado de mecanizado, junto con el coeficiente de retroalimentación positiva k2 se muestran en la Tabla 4.

Los resultados muestran que con una ganancia de retroalimentación positiva k1 = 0,2, el espacio del lado de mecanizado sigue disminuyendo y la precisión de mecanizado mejora al aumentar la ganancia de retroalimentación negativa k2. En comparación con los resultados para k1 = 0, la precisión de mecanizado también mejora más rápidamente al aumentar la ganancia k2. En k1 = 0,2 y k2 = 0,7, el espacio lateral medio alcanza los 0,21 μm. Este resultado ilustra además que la precisión de la tecnología de retroalimentación doble es mayor que la de las tecnologías de retroalimentación positiva simple o retroalimentación negativa simple.

Cabe señalar que los valores de las Tablas 1, 2, 3, 4 son diferentes de los de las Figs. 1, 2, 3, 4. Esto se debe a que las Tablas 1, 2, 3, 4 muestran el valor promedio de los múltiples resultados de mecanizado, y las Figs. 1, 2, 3, 4 dan un caso de múltiples resultados de mecanizado.

Las Figuras 1, 2, 3, 4 también muestran que los diámetros de entrada y salida de los microagujeros procesados ​​son básicamente iguales entre sí, y la conicidad de estos microagujeros es bastante pequeña.

Los resultados experimentales muestran que la conicidad de las microestructuras depende principalmente de la conicidad del electrodo de la herramienta. Por lo tanto, la clave es asegurar la cilindricidad del electrodo de la herramienta. Cuando el alambre de tungsteno del electrodo de la herramienta se produce en el principio electroquímico, si la corriente es pequeña, se producirá una disminución en el electrodo de la herramienta. Hay una corriente óptima correspondiente a la conicidad cero del electrodo de la herramienta. Los microagujeros en las Figs. 5, 6, 7, 8 son producidos por los polos de la herramienta bajo la corriente optimizada.

Foto EM de microagujero en k2 = 0,7 y k1 = 0,2.

Cambios de precisión de mecanizado junto con ganancias k1 y k2. líneas: calculado d0. triángulos y círculos: probado d0.

(a) Micro haz de doble curva producido con la técnica propuesta. (b) electrodo de herramienta; c) Sistema de mecanizado con circuitos de doble realimentación. (d) Forma de onda de voltaje experimental.

(a) Circuito del sistema de maquinado con doble lazo de retroalimentación; a1 y a2 denotan sumador; k1 es un amplificador proporcional, k2 es un amplificador diferencial. (b) Diagrama de bloques del circuito equivalente.

Además, los electrodos de la herramienta utilizados tienen solo alrededor de 10 μm de diámetro, por lo que la flexión y otras fallas ocurren fácilmente en el proceso de mecanizado. Después de que se daña un electrodo de herramienta, se debe producir un nuevo electrodo de herramienta. El electrodo de herramienta de 10 μm de diámetro se formó mediante grabado electroquímico de alambre de tungsteno de 100 μm en solución de NaOH. Debido a que los diámetros son demasiado pequeños, el diámetro del electrodo de la herramienta no se pudo controlar con exactitud, incluso con los mismos parámetros. Teniendo en cuenta que la precisión de los microagujeros está determinada por la diferencia de diámetro entre el electrodo de la herramienta y el agujero, se utilizaron varios polos de herramientas con diámetros similares pero diferentes en los experimentos de mecanizado de microagujeros, como se muestra en las Figs. 1, 2, 3, 4.

Se utiliza una imagen de microscopio electrónico (EM) para obtener la topografía de la superficie del microagujero, como se muestra en la Fig. 5. La imagen se toma desde un ángulo de unos 45 grados para ver la pared del agujero. La imagen EM muestra la topografía de la superficie de la pared del orificio, lo que ilustra que la calidad de la superficie de mecanizado del microagujero es bastante buena.

Se simuló la precisión de mecanizado de la técnica de doble retroalimentación (ver Fig. 6). Aquí, se da la precisión de mecanizado en función de las ganancias k1 y k2. La simulación se realizó utilizando la Ec. (5), y los resultados simulados se compararon con los resultados experimentales. Aquí, Re = 100 Ω cm (H2SO4 0,03 M), Cd = 15 μF/cm2 y se determina que Cd es 15 μF/cm2. Los datos experimentales se obtuvieron de las pruebas antes mencionadas, como se muestra en las Tablas 1, 2, 3, 4. Los resultados muestran que:

Cuando se da un ancho de pulso ton, la distancia límite d0 es la máxima en k1= k2=0. Además, la distancia límite d0 disminuye linealmente al aumentar k1 para un k2 dado. En k2=0, la distancia límite d0 se aproxima a cero cuando k1 está cerca de 1. En k2=0,2, la distancia límite d0 disminuye más rápidamente al aumentar k1. En k2=0.2, la distancia límite d0 tiende a cero cuando k1 está cerca de 0.83.

De la misma manera, la distancia límite d0 decrece linealmente al aumentar k2 para un k1 dado. En k1=0, la distancia límite d0 tiende a cero cuando k2 está cerca de 1,15. Con k1=0,2, la distancia límite d0 también disminuye más rápidamente al aumentar k2. En k1=0,2, la distancia límite d0 tiende a cero cuando k2 está cerca de 0,86.

La precisión probada se ajusta a la calculada, lo que ilustra la eficacia de la tecnología de mecanizado propuesta con circuitos de doble retroalimentación. Estos resultados significan que la precisión de mecanizado de las microestructuras puede llegar a escalas nanométricas ajustando los coeficientes de ganancia k1 y k2 bajo la condición de que se utilice un voltaje de pulso con un orden de magnitud de μs.

Usando el método de maquinado, se produjo un micro haz de curado doble. Usando el mismo tipo de electrolito y concentración que el anterior, también se produjo el micro haz de curado doble. El material de la pieza de trabajo era Ni. Aquí, ϕ = 1,3 V, ton = 1,5 μs, k1 = 0,64 y k2 = 0,2. Los principales parámetros de procesamiento fueron los mismos que los parámetros óptimos para el mecanizado de microagujeros. El único parámetro diferente fue la velocidad de avance lateral de la herramienta. Se llevaron a cabo los experimentos óptimos, mostrando que la velocidad óptima de avance de la herramienta fue de 0,09 μm/s.

La figura 7a muestra una microviga de doble curva mecanizada usando la técnica con circuitos de doble retroalimentación. Aquí, el diámetro del electrodo de la herramienta es de 10,88 μm (ver Fig. 7b).

La figura 7c muestra el sistema de micromecanizado electroquímico con circuitos de doble retroalimentación. Se compone principalmente de una plataforma de movimiento, una unidad de control, una fuente de alimentación, un electrodo de cátodo y una pieza de trabajo de ánodo, y elementos de detección de estado. La figura 7d muestra la forma de onda del voltaje del pulso después de usar un circuito de retroalimentación doble. Muestra que, con los lazos de retroalimentación, el tiempo de respuesta de voltaje del sistema a las señales de pulso aumenta, lo que confirma que la constante de tiempo aumenta significativamente debido a las señales de retroalimentación.

Para lograr una precisión de mecanizado submicrónica, la resolución de alimentación de la plataforma de movimiento debe mantenerse a nivel nanométrico. Los micromovimientos en los ejes X, Y y Z se realizaron con una plataforma de traducción eléctrica ultrafina 01TS001 con una resolución inicial de 0,3125 μm. Con 200 veces de subdivisión, la resolución podría alcanzar los 12,5 nm. El movimiento macro correspondiente en la dirección Z fue impulsado por la plataforma de traslación eléctrica ordinaria 01TS102 con un recorrido de 100 mm para garantizar el espacio de operación para sujetar la pieza de trabajo del ánodo y el electrodo de la herramienta.

La tarjeta de control de movimiento de 4 ejes PCI-1240U emite pulsos con una precisión de 1 LSB y el rango de pulsos es de 1PPS-4MPPS. Con el control Active DAQ del lenguaje Visual Basic, se empleó la función de biblioteca de la tarjeta de control de movimiento para escribir el programa de control de movimiento. La velocidad de movimiento de la plataforma de micromovimiento se controló configurando el número de pulsos de salida por segundo. El tiempo de mecanizado, la distancia de movimiento y el número de cortocircuito se mostraron en tiempo real.

El polo de la herramienta primero graba verticalmente a 8 μm de profundidad, a través de la pieza de trabajo, y luego la herramienta se mueve lateralmente a lo largo de un camino específico en la película de Ni como se muestra a continuación: (a) El electrodo de la herramienta viaja en línea recta; (b) el electrodo de la herramienta se desplaza en medio arco; (c) el electrodo de la herramienta recorre la segunda línea recta; (d) el electrodo de la herramienta recorre el primer arco de 1/4; (e) el electrodo de la herramienta recorre la tercera línea recta; (f) el electrodo de la herramienta recorre el segundo 1/4 de arco. Las velocidades de avance de la herramienta vertical y lateral son 0,03 μm/s y 0,09 μm/s, respectivamente.

El movimiento de alimentación para mecanizar la viga de doble curva adopta el método de "interpolación discreta"; es decir, primero se discretizan los puntos de la curva, y luego se realiza la interpolación alimentando en las direcciones X e Y.

Para una velocidad de avance de herramienta dada, una distancia discreta demasiado pequeña podría hacer que el electrodo de la herramienta se alimente repetidamente en el proceso de interpolación, lo que provocaría una disminución en la precisión del mecanizado. Una distancia discreta demasiado grande podría causar una retracción lenta del poste de la herramienta cuando ocurre un cortocircuito. Por lo tanto, la distancia discreta debe establecerse correctamente. Para 1/2 arco, su radio es relativamente pequeño (40 μm) y la distancia discreta correspondiente se toma como 0,02 rad. Para dos arcos de 1/4, sus radios son relativamente grandes (80 y 120 μm), por lo que la distancia discreta correspondiente se toma como 0,01 rad.

La longitud del microhaz de doble curva maquinado es de aproximadamente 180 y 120 μm, respectivamente. El ancho del canal es de aproximadamente 12,46 μm. La distancia desde la herramienta hasta la pared del canal es de unos 790 nm [(12,46 − 10,88)/2 = 0,79 μm]. La precisión es mucho mejor que los 2 μm proporcionados con pulsos de 40 ns4,19. Aquí, solo se utilizan señales de ancho de pulso de 1,5 μs.

En este trabajo se propone un método de micromaquinado electroquímico basado en circuitos de doble retroalimentación. Se utilizó un circuito de retroalimentación positiva más un circuito de retroalimentación negativa para controlar el sistema de micromecanizado. Luego se presentó la ecuación del circuito dinámico del sistema y se usó para determinar la precisión del mecanizado en función del ancho del pulso y las ganancias de retroalimentación. Se diseñó y fabricó el circuito de control de la técnica de mecanizado. Usando el circuito, se estudiaron los efectos de las ganancias del bucle de retroalimentación en la precisión de mecanizado de los microagujeros. Los experimentos demostraron que los tres modos de retroalimentación podían aumentar la precisión del mecanizado. Entre ellos, el modo de doble retroalimentación tuvo la mayor precisión de mecanizado. La precisión probada estuvo en buen acuerdo con las simulaciones. Usando la técnica, se produjo un micro haz de curado doble, y su precisión alcanzó el nivel de nanómetros bajo la condición de usar una fuente de energía ordinaria de duración de pulso.

Cuando el voltaje estable en la capa DL está por encima del voltaje umbral para el mecanizado electroquímico, la condición para el mecanizado efectivo bajo voltaje de pulso es que la duración del pulso ton esté por encima de la constante de tiempo τv (ton ≥ τv). Bajo la condición de ton ≥ τv, cuanto más cerca están los dos, menos efectivo es el tiempo de mecanizado para cada pulso y mayor es la precisión del mecanizado. Como la distancia desde el poste de la herramienta hasta la pieza de trabajo es pequeña, la constante τv es pequeña. Por lo tanto, para aumentar la precisión del mecanizado, se requiere una tonelada de duración de pulso pequeña de las señales de voltaje.

En el método propuesto, la pequeña constante de tiempo τv a una distancia pequeña entre el poste de la herramienta y la pieza de trabajo se puede ajustar para que se convierta en un valor grande ajustando las ganancias de retroalimentación. Por lo tanto, la precisión de mecanizado puede llegar a la palanca de nanómetros usando una fuente de energía de pulso ordinaria de ancho de pulso de μs. Los circuitos de doble retroalimentación tienen una mayor precisión de sintonización de la constante de tiempo τv, lo que puede hacer que la constante de tiempo τv se acerque más a la duración del pulso ton. Por lo tanto, la distancia límite d0 es la más pequeña y la precisión de mecanizado es la más alta con los circuitos de doble retroalimentación.

En el micromecanizado electroquímico, el método principal para mejorar la precisión del procesamiento es reducir el ancho de pulso de la señal de voltaje, mientras que la eficiencia del procesamiento disminuye. Por ejemplo, en ref7, el ancho de pulso es de 50 ns y la holgura de mecanizado alcanza los 2 μm. La velocidad de avance para la perforación vertical es de solo 0,06 μm/s. Si se requiere que la holgura de mecanizado alcance el nivel nanométrico, el ancho de pulso debe reducirse al nivel de picosegundos y la velocidad de avance del mecanizado debe reducirse aún más. En el método propuesto, el ancho de pulso es de 1,5 μs. El juego de mecanizado alcanza los 200 nm. La velocidad de avance para la perforación vertical es de 0,03 μm/s. Es la mitad de la velocidad de avance en ref7 para una holgura de mecanizado de 2 μm. Si se compara con la misma holgura de mecanizado, la velocidad de avance del método propuesto debería ser mucho más rápida que la del método en ref7. Por supuesto, en comparación con la tecnología de micromecanizado electroquímico de pulso ultracorto, la ventaja de nuestro método no es solo mejorar la eficiencia del procesamiento. La principal ventaja de nuestro método es que al usar señales de pulso de nivel μs más un circuito de control simple, la precisión del mecanizado electroquímico se mejora a nivel nanométrico. Evita el requisito de reducir en gran medida el ancho de pulso en la referencia 7, es decir, puede evitar el uso de la costosa fuente de alimentación de pulso ultracorto.

Si se conecta una resistencia en serie en el sistema de mecanizado electroquímico, la precisión del micromecanizado también podría mejorar hasta cierto punto, pero hay dos deficiencias:

Primero, la resistencia en serie reducirá el voltaje aplicado entre los dos electrodos. Para garantizar el mecanizado electroquímico normal, se debe aumentar el voltaje de salida de la fuente de alimentación de pulso. En segundo lugar, la resistencia en serie solo puede mejorar la constante de tiempo de todo el sistema compuesto por la resistencia y la unidad de mecanizado electroquímico, en lugar de la constante de tiempo del sistema electrolítico, y la mejora de la precisión del mecanizado será limitada.

El método de control de retroalimentación propuesto aquí puede mejorar la constante de tiempo del sistema electrolítico y es más efectivo para mejorar la precisión del mecanizado. De la ecuación. (4), se puede saber que aumentar el coeficiente de ganancia de retroalimentación k1 no solo puede aumentar la constante de tiempo del sistema electrolítico, sino también aumentar el voltaje de respuesta de la doble capa eléctrica. Significa que el voltaje de salida de la fuente de alimentación de pulso podría disminuir. Es bastante diferente del caso de la resistencia en serie.

El sistema de micromecanizado electroquímico pulsado es equivalente a un circuito RC, y su ecuación dinámica es 18:

donde φ y Cd son el voltaje y la capacitancia por unidad de área en la doble capa (DL) del electrodo, respectivamente; S es el área de reacción electroquímica en el electrodo; Resistencia a los electrolitos; t el tiempo; \(\emptyset\) el voltaje aplicado a los electrodos.

Cuando se agregan bucles de retroalimentación dobles, el circuito cambia (ver Fig. 8a). Aquí, se agregan un bucle de retroalimentación negativa y un bucle de retroalimentación positiva.

Los bucles de retroalimentación positiva y negativa constan de un amplificador proporcional y un amplificador diferencial, respectivamente. La tensión entre los dos polos se toma como señal de realimentación. La señal de retroalimentación se aplica al sumador 1 a través de un amplificador diferencial inverso y se forma un bucle de retroalimentación negativa. Mientras tanto, la señal de retroalimentación se aplica al sumador 2 a través de un amplificador proporcional y también se forma un bucle de retroalimentación positiva. La Figura 8b proporciona un diagrama de bloques correspondiente del sistema.

La ecuación del circuito dinámico del sistema de mecanizado propuesto es:

donde C y R son la capacitancia y la resistencia del amplificador diferencial, respectivamente.

De la ecuación. (2), la ecuación de control correspondiente se puede dar como:

Bajo voltaje de escalón unitario, la respuesta de voltaje en la doble capa se puede obtener con base en la ecuación. (3) como:

Aquí, la constante de tiempo equivalente \(\tau_{v} = \frac{{k_{2} CR + C_{DL} R_{e} }}{{1 - k_{1} }}\).

Cuando el voltaje estable en la capa DL está por encima del voltaje umbral para el mecanizado electroquímico, la condición para el mecanizado efectivo bajo voltaje de pulso es que la duración del pulso ton de las señales sea mayor que la constante de tiempo τv (ton ≥ τv). A partir de ella (considerando Re = d ρ S, ρ es la resistividad específica del electrolito y d es la distancia entre el polo de la herramienta y la pieza de trabajo), la resolución de mecanizado en función de la duración del pulso ton, las ganancias de retroalimentación k1 y k2 se pueden dar como :

donde d0 es la distancia límite en la que podría ocurrir la reacción electroquímica, determinando la precisión del mecanizado.

La ecuación (5) muestra que la precisión del mecanizado depende de la ganancia del circuito de retroalimentación k1 y k2, además de la duración del pulso ton. De la ecuación. (4), también sabemos que el circuito de retroalimentación positiva aumenta el voltaje del circuito. Para obtener el mismo voltaje de mecanizado bajo diferentes niveles de ganancia de retroalimentación, el voltaje de la fuente eléctrica debe ajustarse de acuerdo con la siguiente condición:

sin un circuito de retroalimentación, el parámetro de control más efectivo es la duración del pulso ton. En el método del circuito de retroalimentación doble, las ganancias k1 y k2 del bucle de retroalimentación se pueden usar para reducir la distancia límite d0.

En los circuitos de control de retroalimentación, el circuito de retroalimentación positiva incluye un amplificador proporcional inverso (ver Fig. 9a) y un circuito de suma inversa (Fig. 9b). En el amplificador proporcional inverso, Ra es la resistencia de retroalimentación y se ajusta en el rango de 0 a R2. La ganancia k1 del amplificador proporcional inverso es:

Aquí, el rango ajustado de la ganancia k1 es de 0 a 1.

Elementos de control de retroalimentación. (a) amplificador proporcional inverso; (b) Sumador inverso. (c) Circuito diferencial inverso.

En el circuito de adición inversa, Ra2 es la resistencia de equilibrio, Rf es la resistencia de retroalimentación y es una resistencia ajustada. Aquí, \(\emptyset\) es el voltaje de entrada y φf es el voltaje de retroalimentación. El voltaje de salida del sumador es:

Aquí, Ra11 se toma como igual a Ra12 (Ra11 = Ra12), y luego la ganancia del sumador es a = Rf/Ra11. Tomando Rf = Ra11, entonces φa = -(∅ + φf).

En los circuitos de control de retroalimentación, el circuito de retroalimentación negativa incluye un amplificador proporcional inverso (ver Fig. 9a), un circuito de suma inversa (Fig. 9b) y un amplificador diferencial inverso (ver Fig. 9c). Aquí, el sumador inverso y el amplificador proporcional inverso son los mismos que en el ciclo de retroalimentación positiva. La ganancia del amplificador proporcional inverso es k2, que también es igual a Ra/R2, y el rango ajustado de la ganancia k2 también es de 0 a 1.

En el circuito diferencial inverso, R3 es la resistencia de retroalimentación y C7 es la capacitancia del circuito. El potencial de salida del circuito diferencial es:

En la Fig. 10 se muestra una foto de los circuitos de control de retroalimentación. En la Fig. 11 se muestra el diagrama de circuito de todo el sistema con control de retroalimentación doble.

Foto de los circuitos de control de retroalimentación.

Circuito de control para mecanizado microelectroquímico con doble lazo de realimentación.

Todos los datos identificados están disponibles previa solicitud razonable del autor correspondiente.

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Este proyecto cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 52105487).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Yanshan, Qinhuangdao, 066004, China

Lizhong Xu, Jipeng Wang y Chuanjun Zhao

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LX propuso las ideas y escribió el texto principal del manuscrito, JW y CZ completaron la prueba y prepararon todas las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito".

Correspondencia a Lizhong Xu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Xu, L., Wang, J. & Zhao, C. Micromecanizado electroquímico basado en circuitos de doble retroalimentación. Informe científico 13, 319 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25964-y

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Recibido: 19 julio 2022

Aceptado: 07 diciembre 2022

Publicado: 06 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25964-y

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