PL246280B1

PL246280B1 - Device for use as a bearing or linear guide and method of making the same

Info

Publication number: PL246280B1
Application number: PL431750A
Authority: PL
Inventors: Piotr Jenczyk; Dariusz Jarząbek; Bek Dariusz Jarz
Original assignee: Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2024-12-30

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zastosowania jako łożysko lub prowadnica liniowa oraz sposób jego wykonania.The subject of the invention is a device for use as a bearing or linear guide and a method of making the same.

Siłomierze umożliwiają pomiar siły, w zależności od zasady działania oraz konstrukcji urządzenia wyznaczanie siły może odbywać się w różnych kierunkach (np. układ tensometrów w zależności od organizacji układu może mierzyć siłę w jednym lub w dwóch kierunkach jednocześnie), w różnych zakresach pomiarowych (np. od 10 mN do 1 N lub od 1 MN do 10 MN), z różną dokładnością (np. ±1 mN lub ± 10 N). Są to podstawowe parametry brane pod uwagę przy doborze siłomierza do rozważanego rozwiązania konstrukcyjnego. Pozostałe parametry najczęściej rozważane to: wymiary gabarytowe, powtarzalność, odporność na zużycie, odporność na warunki otoczenia. Z powodu konstrukcyjnych możliwości dobierania wartości powyższych parametrów w szerokich zakresach szczególnie popularny jest pomiar odkształcenia sprężystego elementu, na który działa siła, którą należy zmierzyć. Pomiar odkształcenia może zostać wykonany na kilka sposobów, np. z użyciem tensometrii oporowej lub czujnika przemieszczenia, przy czym sposób wykonania elementu odkształcalnego również wpływa na dokładność pomiaru i jego powtarzalność.Force gauges enable force measurement, depending on the operating principle and design of the device, force can be determined in different directions (e.g. a system of strain gauges, depending on the organization of the system, can measure force in one or two directions simultaneously), in different measurement ranges (e.g. from 10 mN to 1 N or from 1 MN to 10 MN), with different accuracy (e.g. ±1 mN or ±10 N). These are the basic parameters taken into account when selecting a force gauge for the considered design solution. Other parameters most often considered are: overall dimensions, repeatability, wear resistance, resistance to environmental conditions. Due to the design possibilities of selecting the values of the above parameters in wide ranges, the measurement of the elastic deformation of the element on which the force that needs to be measured is particularly popular. The deformation measurement can be performed in several ways, e.g. using resistance strain gauges or a displacement sensor, while the method of making the deformable element also affects the accuracy of the measurement and its repeatability.

Podobnej analizie poddawane są łożyska i prowadnice. O doborze tych elementów decyduje również szereg parametrów, np. współczynnik tarcia, dokładność, powtarzalność, odporność na zużycie.Bearings and guides are subjected to similar analysis. The selection of these elements is also determined by a number of parameters, such as friction coefficient, accuracy, repeatability, and wear resistance.

W książce „Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych”, której autorem jest prof. dr hab. inż. Waldemar Oleksiuk z zespołem, zaproponowano geometrię sprężyny do sprężystych łożysk i prowadnic. Natomiast omawiana publikacja nie zawiera wskazówek co do wykonania tego przyrządu oraz wykorzystania go jako siłomierza. Galwanoplastyka i galwanostegia to znane od początku XIX wieku procesy uzyskiwania warstw wykorzystujące przepływ prądu elektrycznego, inaczej zwane elektroosadzaniem (Brugnatelli, Jacobi). Ze względu na bardzo dużą ilość parametrów wpływających na efekt końcowy, technologie te są rozwijane po dzień dzisiejszy. Patent EP1826294 A1 opisuje duży zakres osadzania przy pomocy prądu impulsowego. W galwanostegii zakłada się, że osadzona warstwa jest nierozłączna z podłożem, natomiast w galwanoplastyce podłoże jest usuwane spod warstwy za pomocą różnych technik. W książce „Galwanotechnika domowa” autorstwa S. Sękowskiego można znaleźć opisy tych technik. W przypadku pokrywania podłóż metalowych polegają one na naniesieniu cienkiej warstwy pośredniej (z materiału innego niż materiał podłoża i elektroosadzonego pokrycia) na podłoże przed elektroosadzaniem. W wyniku takiego zabiegu podłoże będzie słabo związane z elektroosadzoną warstwą i możliwe do ręcznego oddzielenia w wypadku gdy geometria na to pozwala. Inną metodą jest stosowanie niskotopliwych materiałów jako podłoże. Ich temperatura topnienia jest znacznie niższa niż temperatura pokrycia, zatem po odpowiednim nagrzaniu podłoże ulega stopieniu.In the book "Construction of precision devices and instruments", authored by prof. dr hab. inż. Waldemar Oleksiuk and his team, the geometry of a spring for elastic bearings and guides was proposed. However, the discussed publication does not contain instructions on how to make this device or use it as a dynamometer. Electroplating and galvanostegia are processes known since the beginning of the 19th century for obtaining layers using the flow of electric current, also known as electrodeposition (Brugnatelli, Jacobi). Due to the very large number of parameters influencing the final effect, these technologies are developed to this day. Patent EP1826294 A1 describes a large range of deposition using pulse current. In electroplating, it is assumed that the deposited layer is inseparable from the substrate, while in electroplating, the substrate is removed from under the layer using various techniques. In the book "Home Electroplating" by S. Sękowski, you can find descriptions of these techniques. In the case of coating metal substrates, they consist in applying a thin intermediate layer (made of a material other than the substrate material and the electrodeposited coating) to the substrate before electrodeposition. As a result of such a procedure, the substrate will be weakly bonded to the electrodeposited layer and can be separated manually if the geometry allows it. Another method is to use low-melting materials as the substrate. Their melting temperature is much lower than the coating temperature, so after appropriate heating, the substrate melts.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego sposobu wytwarzania nowych wielofunkcyjnych urządzeń do zastosowania jako prowadnice, łożyska oraz siłomierze.The aim of the invention is to develop a new method of manufacturing new multifunctional devices for use as guides, bearings and force gauges.

Istotą wynalazku jest urządzenie do zastosowania jako łożysko lub prowadnica liniowa zawierające dwie ułożone równolegle wobec siebie podstawy sztywno związane z podłożem, sprężyny oraz uchwyt ruchomy liniowo w kierunku Y umiejscowiony pomiędzy podstawami, charakteryzujące się tym, że zawiera dwie sprężyny o zamkniętym konturze pośrednio ze sobą połączone przez uchwyt, z których każda jest połączona z jedną podstawą, a geometria sprężyny stanowiącej części urządzenia, posiada co najmniej jeden wymiar b będący odległością między powierzchniami pokrycia galwanicznego, przy czym sprężyna jest trójwymiarowym elementem na planie prostokąta, gdzie jedna para równoległych jego ścian jest płaska a druga para ma kształt sygnału prostokątnego o połowie okresu równym wymiarowi b.The essence of the invention is a device for use as a bearing or linear guide comprising two bases arranged in parallel to each other rigidly connected to the substrate, springs and a linearly movable handle in the Y direction located between the bases, characterized in that it comprises two springs with a closed contour indirectly connected to each other by a handle, each of which is connected to one base, and the geometry of the spring constituting a part of the device has at least one dimension b being the distance between the surfaces of the galvanic coating, wherein the spring is a three-dimensional element on a rectangular plan, where one pair of its parallel walls is flat and the other pair has the shape of a rectangular signal with a half period equal to dimension b.

Korzystnie urządzenie jest wyposażone w czujnik przemieszczenia lub ugięcia.Preferably the device is equipped with a displacement or deflection sensor.

Korzystnie urządzenie wykonane jest z materiału wybranego z grupy obejmującej nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali.Preferably, the device is made of a material selected from the group consisting of nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the said metals.

Kolejną istotą wynalazku jest sposób wytwarzania urządzenia według wynalazku charakteryzujący się tym, że obejmuje następujące etapy:Another essence of the invention is a method of manufacturing a device according to the invention, characterized in that it comprises the following steps:

a) wycięcie kawałków metalowego materiału podkładowego o wybranej geometrii posiadającej co najmniej jeden wymiar a, odpowiadającej geometriia) cutting pieces of metal backing material with a selected geometry having at least one dimension a, corresponding to the geometry

i) urządzenia, albo ii) co najmniej jednej sprężyny o zamkniętym konturze;i) a device, or ii) at least one closed-contour spring;

b) pokrycie warstwą nieprzewodzącą górnej i dolnej powierzchni kawałków materiału podkładowego wyciętych w etapie a);b) covering the upper and lower surfaces of the pieces of backing material cut in step a) with a non-conductive layer;

c) galwaniczne pokrycie pozostałych powierzchni materiału podkładowego materiałem innym niż materiał podkładowy;c) galvanic coating of the remaining surfaces of the backing material with a material other than the backing material;

d) selektywne wytrawianie metalowego materiału podkładowego w postaci zamkniętego konturu zlokalizowanego pod pokryciem galwanicznym wykonanym w etapie c), pozostawiające nienaruszone galwaniczne pokrycie warstwą materiału innego niż materiał podkładowy i uzyskanie, w zależności od geometrii przygotowanej w etapie a) odpowiednio urządzenia o geometrii posiadającej co najmniej jeden wymiar b mniejszy od wymiaru a lub co najmniej jednej sprężyny o zamkniętym konturze o geometrii posiadającej co najmniej jeden wymiar b mniejszy od wymiaru a;d) selectively etching the metal backing material in the form of a closed contour located under the galvanic coating made in step c), leaving intact the galvanic coating with a layer of material other than the backing material and obtaining, depending on the geometry prepared in step a), respectively a device with a geometry having at least one dimension b smaller than dimension a or at least one spring with a closed contour with a geometry having at least one dimension b smaller than dimension a;

gdzie w przypadku uzyskania w etapie d) co najmniej jednej sprężyny sposób obejmuje etap składania urządzenia poprzez montowanie uchwytu pomiędzy dwoma sprężynami wykonanymi w etapie d) a następnie każda ze sprężyn montowana jest do jednej z podstaw.wherein in the case of obtaining at least one spring in step d), the method comprises the step of assembling the device by mounting the holder between the two springs obtained in step d) and then each of the springs is mounted to one of the bases.

Korzystnie w etapach od a) do d) jako metalowy materiał podkładowy jest materiał wybrany z grupy obejmującej nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali.Preferably, in steps a) to d) the metal substrate material is a material selected from the group consisting of nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the aforementioned metals.

Korzystnie w etapie c) do galwanicznego pokrycia powierzchni stosowany jest nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali.Preferably, in step c) nickel, zinc, aluminium, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the aforementioned metals is used to galvanically coat the surface.

Korzystnie w wyniku galwanicznego osadzania z etapu c) zostaje osadzona warstwa materiału o grubości od 1 nm do 200 μm.Preferably, the electroplating of step c) deposits a layer of material having a thickness of from 1 nm to 200 μm.

W niniejszym ujawnieniu zastosowano następujące definicje:The following definitions are used in this disclosure:

• sprężyna o zamkniętym konturze - jest ciągłym i zamkniętym fragmentem powierzchni danej bryły. Przy czym, daną bryłę stanowi materiał podkładowy (podłoże), a fragment powierzchni jest definiowany jako część powierzchni zewnętrznej tej bryły (podłoża), która została pokryta galwanicznie;• closed contour spring - is a continuous and closed fragment of the surface of a given solid. Wherein, the given solid is the backing material (substrate), and the surface fragment is defined as the part of the external surface of this solid (substrate) that has been electroplated;

• wybrana geometria - dowolna geometria, która posiada co najmniej jeden wymiar a i pozwala na wytworzenie sprężyny lub urządzenia posiadającego co najmniej jeden wymiar b;• selected geometry - any geometry that has at least one a dimension and allows the production of a spring or device having at least one b dimension;

• wymiar a - oznacza dowolnie wybrany wymiar, w tym minimalny wymiar możliwy do uzyskania technikami ubytkowymi;• dimension a - means any chosen dimension, including the minimum dimension that can be obtained using removal techniques;

• wymiar b - oznacza wymiar mniejszy niż wymiar a;• dimension b - means a dimension smaller than dimension a;

• odpowiednie powierzchnie - należy rozumieć jako te powierzchnie pociętego materiału podkładowego, które nie będą pokrywane galwanicznie wybranym materiałem;• suitable surfaces - should be understood as those surfaces of the cut backing material that will not be galvanically coated with the selected material;

• pozostałe powierzchnie - należy rozumieć jako te powierzchnie pociętego materiału podkładowego, które będą pokrywane galwanicznie wybranym metalem.• other surfaces - should be understood as those surfaces of the cut base material that will be galvanically coated with the selected metal.

Wynalazek dostarcza następujących korzyści:The invention provides the following advantages:

• ułatwienie lub umożliwienie wytwarzania elementów o skomplikowanej geometrii z jednego kawałka materiału;• facilitating or enabling the production of elements with complex geometry from a single piece of material;

• polepszenie parametrów technicznych sprężystych łożysk, prowadnic liniowych i siłomierzy w wyniku zminimalizowania liczby lub usunięcia elementów złącznych oraz możliwości dostosowania wymiarów i materiałów do danego zadania konstrukcyjnego w szerszym zakresie w stosunku do rozwiązań obecnych w stanie techniki;• improvement of the technical parameters of elastic bearings, linear guides and dynamometers as a result of minimizing the number or removing fasteners and the possibility of adapting dimensions and materials to a given design task to a wider extent than the solutions available in the state of the art;

• umożliwia produkcję sprężyn do sprężystych łożysk, prowadnic i siłomierzy oraz wykonanie urządzeń z litego materiału;• enables the production of springs for elastic bearings, guides and force gauges as well as the production of devices from solid material;

• pozwala na zastosowanie różnych materiałów do osadzenia galwanicznego: nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali, dzięki czemu można uzyskać szeroki zakres parametrów łożysk, prowadnic i siłomierzy.• allows the use of various materials for galvanic deposition: nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chrome, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the above-mentioned metals, thanks to which a wide range of parameters of bearings, guides and force gauges can be obtained.

Wynalazek przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry na geometrię sprężyny znaną ze stanu techniki w znanym urządzeniu; fig. 2 przedstawia etapy wytwarzania sprężyny sposobem według wynalazku; fig. 3 przedstawia widok z góry na urządzenie według wynalazku zawierające sprężyny o zamkniętym konturze wykonane według pierwszego wariantu sposobu według wynalazku; fig. 4 przedstawia widok z góry na urządzenie według wynalazku wykonane według drugiego wariantu sposobu według wynalazku.The invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a top view of the spring geometry known from the prior art in a known device; Fig. 2 shows the steps of manufacturing a spring by the method according to the invention; Fig. 3 shows a top view of the device according to the invention containing closed-contour springs manufactured according to the first variant of the method according to the invention; Fig. 4 shows a top view of the device according to the invention manufactured according to the second variant of the method according to the invention.

Wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania.The invention is presented in the form of embodiments.

Przykład 1Example 1

Porównanie geometrii sprężyny znanej ze stanu techniki z geometrią sprężyny w prowadnicy według wynalazku.Comparison of the spring geometry known from the prior art with the spring geometry in the guide according to the invention.

Znaną ze stanu techniki geometrię sprężyny do sprężystych łożysk, prowadnic i siłomierzy przedstawiono w widoku z góry na Fig. 1. Opisana w literaturze geometria sprężyn 5 o otwartym konturze wymaga stosowania w urządzeniach łączników. Np. znana ze stanu techniki prowadnica (Fig. 1) charakteryzuje się tym, że podstawy 1 i 2 są sztywno związane z podłożem. Łączniki 3 i 4 łączą sprężyny 5 o otwartym konturze. Uchwyt 6 ma możliwość ruchu liniowego w kierunku Y, wtedy gdy jest do niego przyłożona siła o niezerowej składowej w kierunku Y.The spring geometry known from the prior art for elastic bearings, guides and dynamometers is shown in a top view in Fig. 1. The geometry of open-contour springs 5 described in the literature requires the use of connectors in the devices. For example, the guide known from the prior art (Fig. 1) is characterized in that the bases 1 and 2 are rigidly connected to the substrate. Connectors 3 and 4 connect the open-contour springs 5. The holder 6 is capable of linear movement in the Y direction when a force with a non-zero component in the Y direction is applied to it.

Natomiast sposób według wynalazku zapewnia wytworzenie sprężyn 8 o zamkniętym konturze i o skomplikowanej geometrii, które nie wymagają stosowania łączników. Sprężyna 8 zamkniętym konturze wykonana sposobem według wynalazku jest ciągłym i zamkniętym fragmentem powierzchni danej bryły. Przy czym, daną bryłę stanowi materiał podkładowy 7 (podłoże), a fragment powierzchni jest definiowany jako część powierzchni zewnętrznej tej bryły (podłoża), która została pokryta galwanicznie.In contrast, the method according to the invention ensures the production of springs 8 with a closed contour and with a complex geometry, which do not require the use of connectors. The spring 8 with a closed contour produced by the method according to the invention is a continuous and closed fragment of the surface of a given solid. Wherein, the given solid is the base material 7 (substrate), and the surface fragment is defined as a part of the external surface of this solid (substrate), which has been electroplated.

Stosując sposób według wynalazku można wytworzyć sprężynę 8 o kształcie niemożliwym do osiągnięcia metodami ubytkowymi. Na Fig. 2 wskazano przykład takiej sytuacji, gdzie uzyskiwany jest wymiar b (Fig. 2D), który jest mniejszy niż minimalny wymiar możliwy do uzyskania technikami ubytkowymi - wymiar a (Fig. 2B).Using the method according to the invention, it is possible to produce a spring 8 with a shape impossible to obtain by means of subtractive methods. Fig. 2 shows an example of such a situation, where the dimension b is obtained (Fig. 2D), which is smaller than the minimum dimension possible to obtain by means of subtractive techniques - dimension a (Fig. 2B).

Przy czym, stosując sposób według wynalazku można otrzymać również sprężyny w innych, bardziej standardowych wymiarach. Zgodnie z przyjętą definicją wymiar a oznacza dowolnie wybrany wymiar, w tym minimalny wymiar możliwy do uzyskania technikami ubytkowymi. Natomiast wymiar b zawsze jest mniejszy niż wymiar a.However, using the method according to the invention, it is also possible to obtain springs in other, more standard dimensions. According to the adopted definition, dimension a means any chosen dimension, including the minimum dimension obtainable by means of removal techniques. On the other hand, dimension b is always smaller than dimension a.

Sprężyna 8 wykonana według sposobu według wynalazku może znaleźć zastosowanie do sprężystych łożysk, prowadnic i siłomierzy. Na Fig. 3 w widoku z góry przedstawiono wielofunkcyjne urządzenie 10 zawierające dwie sprężyny 8, które charakteryzuje się tym, że podstawy 1 i 2 są sztywno związane z podłożem. Natomiast dwie sprężyny 8 są ze sobą połączone pośrednio poprzez uchwyt 6, który może wykonać ruch liniowy w kierunku Y, wtedy gdy przyłożona jest do niego siła o niezerowej składowej w kierunku Y. Przemieszczenie uchwytu 6 w kierunku Y jest zależne od wartości składowej siły w kierunku Y i jest mierzone za pomocą zamontowanego na urządzeniu 10 czujnika przemieszczenia lub ugięcia 9.The spring 8 manufactured according to the method of the invention can be used for elastic bearings, guides and dynamometers. Fig. 3 shows a top view of a multifunctional device 10 comprising two springs 8, which is characterized in that the bases 1 and 2 are rigidly connected to the substrate. On the other hand, the two springs 8 are indirectly connected to each other via a handle 6, which can perform a linear movement in the Y direction when a force with a non-zero component in the Y direction is applied to it. The displacement of the handle 6 in the Y direction depends on the value of the force component in the Y direction and is measured by means of a displacement or deflection sensor 9 mounted on the device 10.

Figura 4 przedstawia widok z góry na ponownie zmodyfikowaną geometrię całego urządzenia 10 według wynalazku wykonanego z litego materiału wraz z zamontowanym czujnikiem przemieszczenia lub ugięcia 9 umożliwiającym wyznaczenie siły.Figure 4 shows a top view of the re-modified geometry of the entire device 10 according to the invention made of a solid material together with a mounted displacement or deflection sensor 9 enabling the force to be determined.

Przykład 2Example 2

Sposób wytwarzania co najmniej jednej sprężyny 8 o zamkniętym konturze i skomplikowanej geometriiMethod of manufacturing at least one spring 8 with a closed contour and complex geometry

W tym nieograniczającym przykładzie wykonania materiał podkładowy 7 (Fig. 2A) stanowi blacha miedziana a naraz wykonywane są dwie sprężyny 8.In this non-limiting embodiment, the backing material 7 (Fig. 2A) is a copper sheet and two springs 8 are formed at the same time.

Przy czym, materiał podkładowy 7 może być wykonany również z innych materiałów, w szczególności należących do grupy obejmującej nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali.The backing material 7 may also be made of other materials, in particular those belonging to the group consisting of nickel, zinc, aluminium, copper, cobalt, chrome, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the aforementioned metals.

W pierwszym etapie następuje wycięcie kawałków metalowego materiału podkładowego 7, tak aby otrzymać wybraną przez użytkownika geometrię sprężyny 8. Takich możliwych geometrii jest bardzo dużo, ale wszystkie wykonane sprężyny mają kontur zamknięty definiowany, jak w przykładzie 1, jako ciągły i zamknięty fragment powierzchni bryły (podłoża), gdzie wspomniany fragment stanowi tę część powierzchni zewnętrznej bryły, która została pokryta galwanicznie.In the first stage, pieces of the metal substrate material 7 are cut out so as to obtain the spring geometry 8 selected by the user. There are many such possible geometries, but all the springs produced have a closed contour defined, as in example 1, as a continuous and closed fragment of the surface of the solid (substrate), where the said fragment constitutes the part of the external surface of the solid that has been electroplated.

W tym przykładzie wykonania uzyskana geometria wyciętego materiału podkładowego 7 (Fig. 2B) posiada co najmniej jeden wymiar a - definiowany jako minimalny wymiar możliwy do uzyskania technikami ubytkowymi.In this embodiment, the obtained geometry of the cut backing material 7 (Fig. 2B) has at least one dimension a - defined as the minimum dimension achievable using subtractive techniques.

Następnie odpowiednie powierzchnie wyciętego materiału podkładowego 7 są pokrywane warstwą nieprzewodzącą. W tym przykładzie wykonania stosuje się pokrycie lakierem przy pomocy pędzelka, ale dopuszczalne jest również zastosowanie innych technik, np. techniki znanej z fotolitografii naniesienie fotorezystu.Then, the corresponding surfaces of the cut substrate material 7 are covered with a non-conductive layer. In this embodiment, a paint coating with a brush is used, but it is also possible to use other techniques, e.g. the technique known from photolithography of applying a photoresist.

Przy czym, przez frazę „odpowiednie powierzchnie” należy rozumieć te powierzchnie przygotowanego materiału podkładowego 7, które w dalszych etapach nie będą pokrywane galwanicznie wybranym materiałem - tj. powierzchnie górna i dolna.The phrase "suitable surfaces" should be understood as those surfaces of the prepared base material 7 which will not be galvanically coated with the selected material in subsequent stages - i.e. the upper and lower surfaces.

Następnie powierzchnie wyciętego materiału podkładowego 7 niepokryte warstwą nieprzewodzącą (tj. pozostałe powierzchnie) są galwanicznie pokrywane dowolnym materiałem innym niż materiał podkładowy 7 (Fig. 2C). W tym nieograniczającym przykładzie wykonania stosuje się galwaniczne pokrycie powierzchni niklem. Inne nieograniczające przykłady materiałów możliwych do zastosowania obejmują np. nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stop zawierający przynajmniej jeden z wymienionych metali.Then, the surfaces of the cut substrate material 7 not covered with the non-conductive layer (i.e., the remaining surfaces) are electroplated with any material other than the substrate material 7 (Fig. 2C). In this non-limiting embodiment, an electroplated surface coating of nickel is used. Other non-limiting examples of materials that can be used include, for example, nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold, or an alloy containing at least one of the aforementioned metals.

W wyniku osadzania korzystnie uzyskuje się warstwę niklu (lub innego stosowanego materiału) o grubości od 1 nm do 200 μm.The deposition preferably results in a layer of nickel (or other material used) with a thickness of 1 nm to 200 μm.

W tym przykładzie wykonania uzyskano warstwę o grubości około 50 μm.In this embodiment, a layer of approximately 50 μm thickness was obtained.

Następny etap stanowi selektywne wytrawianie metalowego materiału podkładowego 7, tj. blachy miedzianej - w postaci zamkniętego konturu zlokalizowanego pod pokryciem galwanicznym wykonanym w etapie c) - pozostawiające nienaruszone galwaniczne pokrycie niklem i uzyskanie dwóch sprężyn 8.The next step is selective etching of the metal backing material 7, i.e. the copper sheet - in the form of a closed contour located under the galvanic coating made in step c) - leaving the galvanic nickel coating intact and obtaining two springs 8.

Sprężynę 8 przedstawiono na Fig. 2D. Przy czym, uzyskane sprężyny 8 posiadają co najmniej jeden wymiar b - definiowany jako wymiar mniejszy od wymiaru a.Spring 8 is shown in Fig. 2D. The obtained springs 8 have at least one dimension b - defined as a dimension smaller than dimension a.

Omawiany sposób umożliwia wytwarzanie elementów o skomplikowanej geometrii z jednego kawałka materiału oraz umożliwia dostosowanie wymiarów urządzeń i zastosowanych materiałów do danego zadania konstrukcyjnego w szerszym zakresie w stosunku do rozwiązań obecnych w stanie techniki.The discussed method enables the production of elements with complex geometry from a single piece of material and enables the adjustment of the dimensions of the devices and the materials used to a given construction task to a wider extent than the solutions available in the prior art.

Przykład 3Example 3

Wariant 1 sposobu wytwarzania i montowania urządzenia zawierającego sprężyny 8Variant 1 of the method of manufacturing and assembling a device containing 8 springs

Sposobem według przykładu 1 wytworzono dwie sprężyny 8 o zamkniętym konturze i wybranej geometrii. Następnie wspomniane dwie sprężyny 8 wykonane sposobem według przykładu 1 zamontowano razem z uchwytem 6 oraz podstawami 1 i 2 tworząc wielofunkcyjne urządzenie 10 (Fig. 3), które może spełniać rolę sprężystego łożyska lub sprężystej prowadnicy.Two springs 8 with a closed contour and selected geometry were produced by the method of example 1. Then, the two springs 8 produced by the method of example 1 were mounted together with the handle 6 and the bases 1 and 2, creating a multifunctional device 10 (Fig. 3), which can act as an elastic bearing or an elastic guide.

Otrzymane wielofunkcyjne urządzenie 10 zawiera dwie ułożone równolegle wobec siebie podstawy 1 i 2 sztywno związane z podłożem, uchwyt 6 ruchomy liniowo w kierunku Y umiejscowiony pomiędzy podstawami 1 i 2, oraz dwie sprężyny 8 o zamkniętym konturze pośrednio ze sobą połączone przez uchwyt 6, z których każda jest połączona z jedną podstawą 1 albo 2, a geometria sprężyny 8 stanowiącej części urządzenia 10, posiada co najmniej jeden wymiar b będący odległością między powierzchniami pokrycia galwanicznego, przy czym sprężyna 8 jest trójwymiarowym elementem na planie prostokąta, gdzie jedna para równoległych jego ścian jest płaska a druga para ma kształt sygnału prostokątnego o połowie okresu równym wymiarowi b.The obtained multifunctional device 10 comprises two parallel bases 1 and 2 rigidly connected to the substrate, a handle 6 movable linearly in the Y direction located between the bases 1 and 2, and two closed-contour springs 8 indirectly connected to each other through the handle 6, each of which is connected to one base 1 or 2, and the geometry of the spring 8 constituting a part of the device 10 has at least one dimension b being the distance between the surfaces of the galvanic coating, wherein the spring 8 is a three-dimensional element on a rectangular plan, where one pair of its parallel walls is flat and the other pair has the shape of a rectangular signal with a half-period equal to the dimension b.

Ponadto, po zamontowaniu czujnika zmiany położenia lub odkształcenia 9 na urządzeniu przedstawionym na Fig. 3, urządzenie 10 może być stosowane jako siłomierz.Furthermore, by mounting the position change or strain sensor 9 on the device shown in Fig. 3, the device 10 can be used as a force gauge.

W celu sprawdzenia działania urządzenia jako siłomierza, do uchwytu 6 przyłożono nieznaną siłę, która wywołała liniowy ruch uchwytu 6. Następnie zmierzono przemieszczenie uchwytu 6 za pomocą czujnika zmiany położenia lub odkształcenia 9 i wyznaczono wartość siły.In order to test the operation of the device as a force gauge, an unknown force was applied to the handle 6, which caused a linear movement of the handle 6. Then, the displacement of the handle 6 was measured using a position change or deformation sensor 9 and the force value was determined.

Przykład 4Example 4

Wariant drugi sposobu wytwarzania urządzenia 10 zawierającego sprężyny 8The second variant of the method of manufacturing the device 10 containing springs 8

W tym nieograniczającym przykładzie wykonania materiał podkładowy 7 stanowi blacha aluminiowa, a jako osadzany materiał zastosowano kobalt.In this non-limiting embodiment, the backing material 7 is an aluminum sheet and cobalt is used as the deposited material.

W pierwszym etapie następuje wycięcie kawałków metalowego materiału podkładowego 7, tak aby otrzymać wybraną przez użytkownika geometrię całego urządzenia 10. Przy czym, uzyskana geometria wyciętego materiału podkładowego 7 posiada co najmniej jeden wymiar a.In the first stage, pieces of the metal backing material 7 are cut out so as to obtain the geometry of the entire device 10 selected by the user. The obtained geometry of the cut backing material 7 has at least one dimension a.

Zgodnie z przyjętą definicją wymiar a oznacza dowolnie wybrany wymiar, w tym minimalny wymiar możliwy do uzyskania technikami ubytkowymi. W tym przykładzie wykonania wymiar a wynosi 100 μm.According to the adopted definition, dimension a means any chosen dimension, including the minimum dimension obtainable by subtractive techniques. In this embodiment, dimension a is 100 μm.

Następnie odpowiednie powierzchnie (tj. górna i dolna) wyciętego materiału podkładowego 7 są pokrywane warstwą nieprzewodzącą, stosując techniki znane z fotolitografii, tj. naniesienie fotorezystu. Natomiast pozostałe powierzchnie są galwanicznie pokrywane kobaltem.Then, the corresponding surfaces (i.e. top and bottom) of the cut substrate material 7 are covered with a non-conductive layer using techniques known from photolithography, i.e. by applying a photoresist. The remaining surfaces are electroplated with cobalt.

Inne nieograniczające przykłady materiałów możliwych do zastosowania do galwanicznego pokrywania obejmują np. nikiel, cynk, aluminium, miedź, kobalt, chrom, żelazo, srebro, złoto lub stopy zawierające przynajmniej jeden z wymienionych metali.Other non-limiting examples of materials that can be used for electroplating include, for example, nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold, or alloys containing at least one of the aforementioned metals.

W wyniku osadzania korzystnie uzyskuje się warstwę kobaltu (lub innego stosowanego materiału) o grubości od 1 nm do 200 μm.The deposition preferably results in a layer of cobalt (or other material used) with a thickness of 1 nm to 200 μm.

W tym przykładzie wykonania uzyskano warstwę kobaltu o grubości około 150 μm.In this embodiment, a cobalt layer of approximately 150 μm thickness was obtained.

Następny etap stanowi selektywne wytrawianie metalowego materiału podkładowego 7, w postaci zamkniętego konturu zlokalizowanego pod pokryciem galwanicznym wykonanym w etapie c), pozostawiające nienaruszone galwaniczne pokrycie kobaltem i uzyskanie urządzenia 10 posiadającego co najmniej jeden wymiar b - definiowany jako wymiar mniejszy od wymiaru a.The next step is to selectively etch away the metal backing material 7 in the form of a closed contour located under the galvanic coating made in step c), leaving the galvanic cobalt coating intact and obtaining a device 10 having at least one dimension b - defined as a dimension smaller than dimension a.

Uzyskane wielofunkcyjne urządzenie 10 może spełniać rolę sprężystego łożyska lub sprężystej prowadnicy. Ponadto, po zamontowaniu czujnika zmiany położenia lub odkształcenia 9 na urządzeniu 10, urządzenie 10 może być stosowane jako siłomierz.The resulting multifunctional device 10 can act as an elastic bearing or an elastic guide. Furthermore, after mounting the position change or deformation sensor 9 on the device 10, the device 10 can be used as a force gauge.

Przedstawiony sposób umożliwia wykorzystanie procesu elektroosadzania do osadzenia warstwy materiału na podłożu bez stosowania dodatkowej warstwy pośredniej, a następnie usunięcie podłoża w procesie selektywnego trawienia, bez naruszenia osadzanej warstwy. Dzięki takiemu zabiegowi zostaje wykonany element trudny lub niemożliwy do wykonania ubytkowymi sposobami obróbki plastycznej.The presented method enables the use of the electrodeposition process to deposit a layer of material on a substrate without using an additional intermediate layer, and then removing the substrate in a selective etching process, without damaging the deposited layer. Thanks to such a procedure, an element is made that is difficult or impossible to make using subtractive plastic processing methods.

Claims

Patent Claims

1. A device for use as a bearing or linear guide comprising two parallel bases rigidly connected to the substrate, at least two springs and a handle, movable linearly in the Y direction located between the bases, characterized in that it comprises two springs (8) with a closed contour indirectly connected to each other by a handle (6), each of which is connected to one base (1) or (2), and the geometry of the spring (8) constituting a part of the device (10) has at least one dimension (b) being the distance between the surfaces of the galvanic coating, wherein the spring (8) is a three-dimensional element on a rectangular plan, where one pair of its parallel walls is flat and the other pair has the shape of a rectangular signal with a half period equal to the dimension (b).

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a displacement or deflection sensor (9).

3. A device according to any one of the preceding claims, characterized in that it is made of a material selected from the group consisting of nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the said metals.

4. A method of manufacturing a device according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that it comprises the following steps:

a) cutting out pieces of metal backing material (7) of selected geometry having at least dimension (a) corresponding to the geometry

i) a device (10), or ii) at least one closed-contour spring (8);

b) covering the upper and lower surfaces of the pieces of backing material (7) cut in step a) with a non-conductive layer;

c) galvanic coating of the remaining surfaces of the backing material (7) with a material other than the backing material (7);

d) selectively etching the metal substrate material (7) in the form of a closed contour located under the galvanic coating made in step c), leaving the galvanic coating with a layer of material other than the substrate material intact

PL 246280 Β1 (7 ) and obtaining, depending on the geometry prepared in step a), respectively a device (10) with a geometry having at least one dimension (b) smaller than dimension (a) or at least one spring (8) with a closed contour, with a geometry having at least one dimension (b) smaller than dimension (a);

wherein in the case of obtaining at least one spring (8) in step d), the method comprises the step of assembling the device (10) by mounting the handle (6) between two springs (8) made in step d) and then each of the springs (8) is mounted to one of the bases (1) or (2).

5. The method according to claim 4, characterized in that in steps a) to d) the metal substrate material (7) used is a material selected from the group consisting of nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the aforementioned metals.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that in step c) nickel, zinc, aluminum, copper, cobalt, chromium, iron, silver, gold or an alloy containing at least one of the mentioned metals is used for galvanic coating of the surface.

7. A method according to any one of the preceding claims 4 to 6, characterized in that the electroplating of step c) deposits a layer of material having a thickness of from 1 nm to 200 μΠΊ.