專利名稱：一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工和塑料微成形領域，特指基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置，能夠精密復制模壓板上的微細特征到塑料件表面上，用于塑料件表面微結構特征的成形，特別適用于表面有微孔、微溝槽、微凸起等微結構特征的熱塑性塑料件，如微流控芯片、微型精密圖案等精密塑料件的成形加工。
背景技術：
塑料微結構件是指表面上有微尺度的微孔、微溝槽、微凸起等特征的熱塑性塑料產品，如微流控芯片、微型精密圖案等，由于塑料微結構件具有優(yōu)良的機械特性和物理化學性能，具有微結構的塑料產品廣泛應用在航空航天、微電子、精密儀器、生物醫(yī)療和國防等多個領域，塑料微結構加工成為當代科技發(fā)展的一個重要方向，隨著現(xiàn)代制造技術和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，塑料微結構件的需求量迅猛增加，對塑料微結構件的加工工藝、加工質量和 加工成本提出了更高要求。目前，塑料微結構件加工方法一般有注塑成型、激光微成形、微切削、超聲波微加工和熱壓成形等。現(xiàn)有塑料件的微結構成形加工主要是依賴LIGA、光刻和化學刻蝕等加工技術的注塑成型，例如中國專利 CN201110072477. 7、CN201010119177. 5、CN200910308065. I、CN200910308065. UCN201010300409. 7.CN101791840 A 提供了各種不同的成型表面具有微通道結構的微流控芯片注塑模具，它們均是利用普通注塑模具成形加工塑料微結構件，由于聚合物熔體充模流動過程較復雜，涉及影響因素較多，注塑成型微流控芯片要兼顧到塑料基體宏觀注塑和微結構注塑的不同要求，基體注塑是宏觀上聚合物熔體充填模具整個型腔，微結構注塑是模具型腔局部的微結構區(qū)域充填成型，兩者在注塑工藝上有很大差別，由于微尺度效應，微流控芯片注塑和細胞培養(yǎng)皿注塑一樣，都存在微結構充填成形不足的問題，因而，加工微流控芯片的注塑模具制造難度大、注塑工藝復雜、生產成本高。另外，利用微切削加工、激光微刻蝕加工、超聲波微加工、熱壓成形等方法成形加工塑料微結構件，各自具有加工適用范圍和條件限制，例如微切削加工的加工生產效率低，能夠加工的微結構尺寸和精度有限制；激光微刻蝕加工雖然加工效率較高，但加工的表面精度不高，加工的微結構通道壁面粗糙，這是由于微通道壁面容易黏附殘留廢料和凸起物，如文獻(JOURNAL OF FUNCTIONALMATERIALSAND DEVICES Apr. Vol. 14, No. 2, 2008)報道了CO2激光輔助加工PMMA微流控芯片中的重鑄物現(xiàn)象；超聲波微加工中存在振動極的安置問題，加工精度低和加工尺度受限制；熱壓成形也存在加熱時間長、能源消耗高、成形壓力大、熱變形和成形精度受限制等問題。隨著激光加工技術發(fā)展，利用激光沖擊技術對材料成形加工是重要的工業(yè)應用領域，國內外已有較多的基于激光技術的材料沖擊成形專利報道，如中國專利ZL02264630. 2、CN1931467A、CN101518852A、CN101269440A、CN101323051A，美國專利 US334612、US3850698、US6747240等，均是激光沖擊成形金屬、塑性材料的方法和裝置，它們或是基于激光沖擊的金屬材料宏觀成形，如彎曲、壓形、脹形等成形方法，或是金屬材料微型件沖擊成形，金屬、塑性材料的激光沖擊成形原理是沖擊力作用下的材料塑性變形，而聚合物塑料為高分子材料，在常溫玻璃態(tài)時外部作用力不可以使之塑性變形，只有在塑料溫度達到高彈態(tài)和粘流態(tài)時才能受外力作用流動，聚合物塑料在常溫下僅受外力的作用是很難實現(xiàn)塑性成形的。利用激光對聚合物材料的熱效應作用，進行聚合物加工的研究與應用受到廣泛關注，例如聚合物的激光燒結成型、焊接、表面改性、彎曲、燒蝕和切割等多種加工方法，但尚未涉及激光加熱狀態(tài)下的熱塑性塑料微結構件成形加工領域。中國專利CN201070823Y公開了一種基于激光加工的微型塑料件成形裝置，利用激光沖擊產生的壓力和激光照射塑料產生的熱量，獲得微型塑料件的成形，該專利對于激光加工的溫度沒有嚴格要求，成形的塑料為微型件，其尺度為微米級，屬于微體積成型，該專利并不適用于宏觀塑料件基體表面上的微結構成形。綜上所述，現(xiàn)有的加工方法難以滿足日益增長的塑料微結構件成形加工要求，所以，有必要探索新加工方法和新技術實現(xiàn)快速、高效、節(jié)能環(huán)保低成本的塑料件微結構成形 加工。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置，用于成型表面具有微結構的熱塑性塑料件，如微流控芯片、精密徽章圖案等精密塑料件的成形加工。本發(fā)明所提供的塑料微結構件成形方法，其特征在于以激光輻照塑料件的微結構成形區(qū)域表面，通過精確控制激光參數(shù)和采用適當?shù)某尚喂に嚄l件，利用激光對塑料的光熱效應，塑料表面高效吸收激光能量，激光能量轉化為熱量，塑料表面層溫度可以快速達到高彈態(tài)和粘流態(tài)溫度范圍，與此同時，成形模壓板對塑料件施加成形壓力，將微細特征復制到塑料件表面上，完成對塑料件微結構的成形加工。上述的一種基于激光加熱的塑料微結構件成形方法，其特征在于將激光能量沉積在塑料表面層，利用塑料對激光能量吸收率高、吸收快和塑料熱傳導速度慢的物理特性，通過控制激光功率大小、輻照時間、輻照方式等，形成塑料件由表及里的溫度差帶，即塑料件由表及里為粘流態(tài)、高彈態(tài)和玻璃態(tài)，塑料件基體為固體玻璃態(tài)，表面層為粘流態(tài)或高彈態(tài)，并且表面層為激光吸收層及熱影響區(qū)，其厚度一般為幾微米至數(shù)百微米，恰好是塑料微結構深度的尺度范圍。因此，本發(fā)明的塑料微結構成形，是在激光加熱下的塑料件表面層微結構成形，塑料件表面由固體玻璃態(tài)轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)或高彈態(tài)，在成形模壓板力作用下流動成型，再經(jīng)過冷卻后得到玻璃態(tài)固化的微結構，塑料件的基體形態(tài)不變，塑料件微結構成形與塑料件大小尺寸無關，即微結構是在塑料基體上進行的成形加工。上述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法，其特征在于塑料件微結構成形加工分為塑料件基體和微結構加工兩部分，即塑料件基體由通常的注塑、擠塑、壓塑等模具完成成型加工后，微結構由塑料件基體經(jīng)過激光加熱擠壓成形裝置完成成型加工。上述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置，其特征在于，激光器為CO2激光器或Nd-YAG固體激光器。上述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置，其特征在于，透光模壓板為透光材料K9或其他透光玻璃，根據(jù)塑料件及其微結構的尺寸和形狀分布，利用LIGA、光刻或化學刻蝕等加工技術精密制造透光模壓板成形表面的微結構型腔。上述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法，其特征在于裝置包括激光輸出系統(tǒng)和微結構擠壓成形系統(tǒng)，由激光器(I)、光路系統(tǒng)(2)、分光器(3)、透光模壓板(4)、固定板(5)、控制系統(tǒng)(6)、卸料器(7)、下基座(8)、塑料件定位板(9)、塑料件(10)、機體
(11)、上基座(12 )、上端支架(13 )等組成。激光輸出系統(tǒng)的激光器(I)連接在機體(11)的上端支架(13 )上,與激光器(I)連接的激光光路系統(tǒng)(2 )由系列反光鏡、聚焦透鏡和分光鏡
(3)組成，激光光路系統(tǒng)(2)控制激光的傳輸路徑和分布形式。微結構擠壓成形系統(tǒng)分為上下兩部分，上部分由上基座(12)、固定板(5)、透光模壓板(4)組成，上基座(12)與機體(11)連接，固定板(5)連接上基座(12)，透光模壓板(4)固定在固定板(5)上，透光模壓板(4)位于分光器(3 )正下方，透光模壓板(4 )下方正對塑料件(10 )，透光模壓板(4 )下端面具有與塑料件(10)相對應的微結構型腔；下部分由下基座(8)、塑料件定位板(9)、卸料器(7)組成，下基座(8 )連接機體(11)，并通過機體(11)的導軌或導柱上下升降移動，塑料件定位板
(9)連接下基座(8)并位于透光模壓板(4)下方，塑料件(10)由塑料件定位板(9)定位固定?？刂葡到y(tǒng)(6)連接機體(11)，控制系統(tǒng)(6)控制激光輸出系統(tǒng)、下基座(8)上下移動和擠壓成形過程，卸料器(7)連接機體(11)并由控制系統(tǒng)(6)控制塑料微結構件的安放和移??；控制系統(tǒng)按照成形工藝要求，控制整個激光加熱擠壓成形裝置的工作和操作過程。上述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法，其特征在于根據(jù)塑料微結構的尺寸大小和形狀分布以及塑料材料物理化學性能，采用的激光輻照方式可以是連續(xù)掃描輻照，或是單次或多次定位輻照，或是利用分光鏡對微結構成形區(qū)域進行多區(qū)域同時輻照加熱。本發(fā)明采用的技術方案和實施過程。I.利用通常的注塑、擠塑、壓塑等模具完成塑料件基體成形加工。2.根據(jù)塑料件及微結構的尺寸和形狀分布，利用LIGA、光刻或化學刻蝕等加工技術，精密制造透光模壓板的微結構型腔。3.塑料件基體的微結構成形加工由激光加熱擠壓成形裝置完成
a.激光器打開，調節(jié)光路系統(tǒng)；根據(jù)塑料件材料及微結構尺寸和形狀分布，確定激光參數(shù)，啟動控制系統(tǒng)，設定工作指令和程序。b.微結構擠壓成形系統(tǒng)的上下兩部分基座分開，卸料器取塑料件基體并安放于塑料件定位板上，定位固定。c.下基座上移，上下基座閉合，塑料件基體緊貼上基座的透光模壓板微結構成型面。d.激光器開始工作，輸出激光，激光經(jīng)過光路系統(tǒng)、分光器，透過透光模板，照射至塑料件基體表面，塑料基體表面吸收激光能量，由玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)。e.在激光器開始工作時，根據(jù)壓力大小，在控制系統(tǒng)控制下，下基座和上基座壓緊塑料基體和透光模壓板，在塑料基體表面由玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)時，擠壓成形塑料件微結構，下基座下移打開。f.塑料件微結構成型面冷卻固化后，卸料器取下塑料件，完成一個工作循環(huán)。g.在控制系統(tǒng)控制下，重復循環(huán)塑料件的激光加熱擠壓成形加工工作。
本發(fā)明優(yōu)點
I.由于是塑料件基體與微結構特征分開加工，加工柔性大，不受塑料件尺寸大小和形狀限制，可以是二維平板類或三維復雜結構的塑料件，也可以是大尺寸的普通塑料件或微小型件。2.由于采用激光作為加熱熱源，聚合物塑料吸收激光能量極快，在短暫瞬間就可以實現(xiàn)塑料件表面的物理形態(tài)轉變，即由玻璃態(tài)轉化為粘流態(tài)或高彈態(tài)，在不改變塑料基體的非微結構成形區(qū)域固體形態(tài)的情況下，實現(xiàn)在擠壓模具壓力作用下的微結構成形，塑料件微結構的成形效率高、擠壓力小、成形精度高。3.成形的聚合物材料范圍較大，適應性廣，常規(guī)的結晶性塑料和無定型熱塑性塑料都可以進行微結構成形加工；微結構形態(tài)和尺度可選范圍大，可以是微孔、微溝槽、微凸起等微結構特征，也可以是微細圖案精密結構特征。 4.因為激光參數(shù)精確可控，激光輻照方式靈活，微結構加工可以控制在局部微小成形區(qū)域。激光能量利用效率高，可以減少對非微結構成形區(qū)域材料的熱應力影響。5.利用激光加熱的塑料微結構成形加工方法，工藝簡單，系統(tǒng)結構簡單實用，成本低廉，應用范圍廣。6.在計算機控制下，容易實現(xiàn)高效自動化生產。


圖I是一種基于激光加熱的塑料微結構成形方法和裝置示意圖。圖2是微流控芯片結構示意圖。圖3細胞培養(yǎng)皿結構示意圖。圖4具體實施步驟流程示意圖。I.激光器2.光路系統(tǒng) 3.分光器 4.透光模壓板5.固定板6.控制系統(tǒng)7.卸料器8.下基座 9.塑料件定位板 10.塑料件11.機體12.上基座13.上端支架。
具體實施例實例I :微流控芯片的激光加熱擠壓成形加工
微流控芯片是PMMA基體板料，PMMA基體表面有微通道如圖2所示，基體尺寸IOX IOX Imm,微通道為半圓形,直徑O. Imm,微通道間距O. 5mm。首先利用普通注塑模具成型得到PMMA基體板料，然后基體進行激光加熱的塑料微結構成形加工，即由激光加熱擠壓成形裝置完成微結構成形加工。啟動激光加熱擠壓成形裝置控制系統(tǒng)，設定工作指令和程序。激光器打開，調節(jié)光路系統(tǒng)；確定激光主要參數(shù)功率10W、定位輻照時間O. 05s。微結構擠壓成形系統(tǒng)的上下兩部分基座分開，卸料器取微流控芯片基體并安放于塑料件定位板上定位固定。下基座上移，上下基座閉合，塑料件微流控芯片基體緊貼上基座的透光模壓板微結構成型面如圖2，激光器輸出激光，激光光斑形狀和微形槽的形狀相一致，每條光斑寬度為O. 2mm,激光經(jīng)過光路系統(tǒng)、分光器，經(jīng)過分光器濾光后，光斑透過透光模壓板，照射至塑料件基體表面，塑料基體表面吸收激光能量，由固體玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)，與此同時，在擠壓控制器控制下，下基座和上基座以壓力大小為10千克壓緊塑料基體和透光模壓板，成形塑料微結構，微結構成型后冷卻固化時間I分鐘，下基座下移打開，卸料器取下微流控芯片成形件，至此，完成一個工作周期。實例2 :細胞培養(yǎng)皿的激光加熱擠壓成形加工
細胞培養(yǎng)皿是PS材料，細胞培養(yǎng)皿基體表面有微結構如圖3所示，基體尺寸I. 2X1. 2X0. 5mm，方形微孔尺寸O. 2X0. 2X0. 3mm，方形微孔共9個呈陣列分布。首先由注塑得到細胞培養(yǎng)皿基體，然后進行激光加熱的塑料微結構成形加工。啟動激光加熱擠壓成形裝置控制系統(tǒng)，設定工作指令和程序，激光器打開，調節(jié)光路系統(tǒng)；確定激光主要參數(shù)功率2W、光斑直徑5mm，每次定位輻照時間O. Is。微結構擠壓成形系統(tǒng)的上下兩部分基座分開，卸料器取細胞培養(yǎng)皿基體并安放于塑料件定位板上定位固定。下基座上移，上下基座閉合，細胞培養(yǎng)皿基體緊貼上基座的透光模壓板微結構成型面，激光器輸出激光，激光經(jīng)過光路系統(tǒng)，透過透光模板，照射至塑料件基體表面，塑料基體表面吸收激光能量，由 玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)，與此同時，在擠壓控制器控制下，下基座和上基座以壓力大小為5千克壓緊基體和透光模壓板，成形塑料微結構，微結構成型后，冷卻固化時間I分鐘，下基座下移打開，卸料器取下微細胞培養(yǎng)皿成形件，至此，完成一個工作周期。
權利要求
1.一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置，其特征在于包括激光輸出系統(tǒng)和微結構擠壓成形系統(tǒng)，由激光器(I)、光路系統(tǒng)(2)、分光器(3)、透光模壓板(4)、固定板(5)、控制系統(tǒng)(6)、卸料器(7)、下基座(8)、塑料件定位板(9)、塑料件(10)、機體(11)、上基座(12)和上端支架(13)組成，激光輸出系統(tǒng)的激光器(I)連接在機體(11)的上端支架(13)上，與激光器(I)連接的激光光路系統(tǒng)(2)由系列反光鏡、聚焦透鏡和分光鏡(3)組成,激光光路系統(tǒng)(2)控制激光的傳輸路徑和分布形式；微結構擠壓成形系統(tǒng)分為上下兩部分，上部分由上基座(12 )、固定板(5 )、透光模壓板(4 )組成，上基座(12 )與機體(11)連接，固定板(5)連接上基座(12),透光模壓板(4)固定在固定板(5)上,透光模壓板(4)位于分光器(3 )正下方，透光模壓板(4 )下方正對塑料件(10 )，透光模壓板(4 )下端面具有與塑料件(10)相對應的微結構型腔；下部分由下基座(8)、塑料件定位板(9)、卸料器(7)組成，下基座(8)連接機體(11)，并通過機體(11)的導軌或導柱上下升降移動，塑料件定位板(9)連接下基座(8 )并位于透光模壓板(4 )下方,塑料件(10 )由塑料件定位板(9 )定位固定；控制系統(tǒng)(6)連接機體(11)，控制系統(tǒng)(6)控制激光輸出系統(tǒng)、下基座(8)上下移動和擠壓成形過 程，卸料器(7)連接機體(11)并由控制系統(tǒng)(6)控制塑料微結構件的安放和移??；控制系統(tǒng)按照成形工藝要求，控制整個激光加熱擠壓成形裝置的工作和操作過程。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置，其特征在于，激光器(I)為CO2激光器或Nd-YAG固體激光器。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置，其特征在于，透光模壓板(4)為透光材料K9或其他透光玻璃，根據(jù)塑料件及其微結構的尺寸和形狀分布，利用LIGA、光刻或化學刻蝕等加工技術精密制造透光模壓板成形表面的微結構型腔。
4.實施權利要求I所述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置的方法，其特征在于，塑料件基體的微結構成形加工由激光加熱擠壓成形裝置完成，具體實施步驟如下 a.激光器打開，調節(jié)光路系統(tǒng)；根據(jù)塑料件材料及微結構尺寸和形狀分布，確定激光參數(shù)和激光分布形式，設定工作指令和程序，啟動控制系統(tǒng)； b.微結構擠壓成形系統(tǒng)的上下兩部分基座分開，卸料器取塑料件基體并安放于塑料件定位板上，定位固定； c.下基座上移，上下基座閉合，塑料件基體緊貼上基座的透光模壓板微結構成型面； d.激光器開始工作，輸出激光，激光經(jīng)過光路系統(tǒng)、分光器，透過透光模板，照射至塑料件基體表面，塑料基體表面吸收激光能量，塑料基體表面由玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)； e.在激光器開始工作時，根據(jù)壓力大小，由控制系統(tǒng)控制，下基座和上基座壓緊塑料基體和透光模壓板，在塑料基體表面由玻璃態(tài)轉化為高彈態(tài)或粘流態(tài)時，擠壓成形塑料件微結構； f.塑料件微結構成型面冷卻固化后，下基座下移打開卸料器取下塑料件，完成一個工作循環(huán)； g.在控制系統(tǒng)控制下，重復循環(huán)塑料件的激光加熱擠壓成形加工工作。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于激光加熱的塑料件微結構成形裝置的方法，其特征在于，塑料件微結構成形加工分為塑料件基體和微結構加工兩部分，即利用注塑、擠塑、壓塑等模具完成塑料件基體成形加工后，微結構由塑料件基體經(jīng)過激光加熱擠壓成形裝置完成成 型加工。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置，涉及塑料件微結構成形領域，特指基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置。本發(fā)明是對于具有微結構特征的塑料件，利用激光對聚合物的熱效應作用，精確控制激光功率和輻照時間以及輻照方式，對塑料件基體表面進行快速加熱融化，并通過激光加熱擠壓成形裝置完成塑料件微結構的成型加工過程。本發(fā)明的基于激光加熱的塑料微結構件成形方法和裝置，具有成形精度高、尺度范圍大、柔性度好和高效低成本的優(yōu)點，適用于塑料件微結構的大批量自動化成型加工，具有較高的應用價值。
文檔編號B23K26/00GK102962583SQ20121049184
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權日2012年11月28日
發(fā)明者譚文勝, 周建忠, 黃舒, 楊晶, 陳寒松, 陳松玲, 孟憲凱 申請人:江蘇大學