專利名稱：一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密零件的高效、高質(zhì)量加工方法領(lǐng)域，尤其是涉及一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法及裝置。
背景技術(shù)：
微注射成型(injection molding)、微固化(casting)、微熱壓成型(hot embossing)方法是三種可大批量加工聚合物微納結(jié)構(gòu)的方法。微注射成型技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，微固化技術(shù)對聚合物材料有特殊要求，同時(shí)成型時(shí)間很長，目前已少見相關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道。微熱壓成型方法制備聚合物微納結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種高效、低成本加工方法。目前該加工方法已經(jīng)成功地應(yīng)用在加工各種微納構(gòu)件領(lǐng)域，如微流控芯片、微天線、微透鏡、微波導(dǎo)、微反應(yīng)器、微傳感器等微機(jī)電系統(tǒng)的元器件。目前，對微熱壓成型方法已經(jīng)有較多的研究報(bào)道，其成型過程中的脫模缺陷問題尤其得到了眾多學(xué)者的重視。如圖1所示，脫模時(shí)，由于封閉式模具與聚合物工件接觸面之間存在著接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力主要是機(jī)械阻力和分子吸附力，當(dāng)封閉式模具與聚合物工件分離時(shí)，在接觸應(yīng)力的作用下，容易導(dǎo)致聚合物工件表面的微納結(jié)構(gòu)破損(如圖2所示)、封閉式模具內(nèi)布滿聚合物雜質(zhì)顆粒導(dǎo)致封閉式模具無法重新使用(如圖3所示)等問題。專利號為ZL 200810059875. 3的中國專利公開了一種基于氣動(dòng)的微納米壓印脫模結(jié)構(gòu)，在工作臺上裝有聚合物夾緊罩，模板裝在夾緊罩的下端，模板上端面裝有活塞，套筒和夾緊罩固連，套筒與活塞的上下移動(dòng)，使模板在夾緊罩中作上下移動(dòng)，模板下端面設(shè)有滑道，內(nèi)裝有彈簧及滑塊，模具夾緊氣道從夾緊罩接入后，通過模板接入滑道內(nèi)，能使滑塊在模板下端面滑道中滑動(dòng)，脫模氣道從夾緊罩接入后，脫模氣道從模板中穿過，密封圈安裝于夾緊罩的下端面。雖然該脫模結(jié)構(gòu)可以有效避免脫模時(shí)由于不均勻受力所導(dǎo)致的模具及聚合物微納結(jié)構(gòu)的破壞，但采用壓縮氣體脫模時(shí)，當(dāng)模具和聚合物工件分離后，由于氣體壓力的高速釋放，容易導(dǎo)致模具或聚合物工件出現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的表面損傷乃至破壞的現(xiàn)象。由于微熱壓成型方法所使用模具的特征尺度在微米納米量級，因此，宏觀尺度模具中所用的機(jī)器人拋光、水射流拋光等都很難進(jìn)入到模具內(nèi)部去除模具內(nèi)部的粘附雜質(zhì)。 而微熱壓成型使用的模具都比較昂貴，如果模具無法重復(fù)利用，無疑會導(dǎo)致微熱壓成型方法的成本非常高，無法工業(yè)化大規(guī)模地推廣和實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法，使用聚合物納米流體進(jìn)行脫模，從而達(dá)到平滑的分離通孔模具與聚合物工件的目的，使得微熱壓成型的聚合物工件具有較好的微納結(jié)構(gòu)并使得成型后的通孔模具內(nèi)部無雜質(zhì)粘附，確保通孔模具可重復(fù)利用，以降低微熱壓成型方法的成本。—種模具自拋光的零件微熱壓成型方法，包括以下步驟(1)壓印；
(2)脫模壓印后釋放壓力，準(zhǔn)備脫模，采用聚合物納米流體推動(dòng)通孔模具與聚合物工件分離，分離后得到聚合物微納結(jié)構(gòu)成品(即零件)。在脫模過程中由于聚合物納米流體中納米磨料顆粒的存在能夠?qū)ν啄＞叩耐變?nèi)部所粘附的微納顆粒進(jìn)行摩擦去除，實(shí)現(xiàn)對通孔模具的拋光，從而大幅提高通孔模具的重復(fù)利用率，并且脫模質(zhì)量好，聚合物微納結(jié)構(gòu)成品具有較好的微納結(jié)構(gòu)。為了得到更好的發(fā)明效果，以下作為本發(fā)明的優(yōu)選所述的聚合物納米流體采用半固態(tài)聚合物作為載體，載體中混合有顆粒大小為 Inm IOOnm的磨料。一般地，采用具有粘彈性的半固態(tài)聚合物與納米碳化硅、納米碳化硼或納米金剛石顆粒混合，用以增強(qiáng)磨削拋光效果，這些聚合物納米流體軟硬適中，不粘金屬。聚合物納米流體可采用現(xiàn)有的產(chǎn)品，也可自行配制。進(jìn)一步優(yōu)選，所述的聚合物納米流體，采用以下重量份的原料水100 份；聚乙烯醇 18 30份；黃原膠5 40份；丙二醇3 20份；磨料5 40份；所述的磨料的顆粒大小為Inm lOOnm。所述的磨料為碳化硅顆粒、碳化硼顆?；蚪饎偸w粒中的一種或者兩種以上，選用納米顆粒，磨料的顆粒大小為IOnm 50nm。所述的聚合物納米流體的制備方法，包括以下步驟先將水與聚乙烯醇混合均勻，然后加入磨料攪拌混合池 4h，使得磨料在水與聚乙烯醇中顆粒分散均勻，再加入黃原膠和丙二醇后混合均勻，得到聚合物納米流體。不同的磨料成份適合于拋光不同的模具材料，納米碳化硅和納米碳化硼磨料拋光硅材料的模具效果較好，而納米金剛石顆粒拋光鎳材料的模具效果較好。本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置，將原有的封閉式模具改成通孔模具，并對其他結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改進(jìn)，能夠平滑地將通孔模具與聚合物工件分離。一種實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置，包括真空罩和工作臺，所述的真空罩內(nèi)設(shè)有與真空罩滑動(dòng)配合的下壓板，下壓板與升降機(jī)構(gòu)連接，真空罩的開口一側(cè)固定有夾具，夾具與通孔模具固定連接，真空罩側(cè)壁設(shè)有通孔；所述的工作臺上設(shè)有支架，支架上通過定位銷固定有下支撐板，所述的下支撐板與工作臺之間留有空隙。進(jìn)一步優(yōu)選，所述的支架上設(shè)有滑軌；或者，所述的支架為滑軌。下支撐板沿著滑軌移動(dòng)，滑軌具有導(dǎo)向作用，當(dāng)支架為滑軌時(shí)，定位銷設(shè)置在滑軌上，滑軌除導(dǎo)向功作用，兼具支撐固定下支撐板的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果一、脫模時(shí)采用聚合物納米流體作為施加脫模力的傳遞介質(zhì)，使用聚合物納米流體不但可以平穩(wěn)地分離通孔模具和聚合物工件，而且還能保證脫模質(zhì)量。由于聚合物納米流體具有半固態(tài)的性質(zhì)，既可以保證在分離時(shí)提供足夠的脫模力，分離后的聚合物納米流體也不會快速噴出，從而避免了采用壓縮氣體脫模時(shí)，當(dāng)模具和聚合物工件分離后，由于氣體壓力的高速釋放，容易導(dǎo)致模具或聚合物工件出現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的表面損傷乃至破壞的現(xiàn)象。通過本發(fā)明模具自拋光的零件微熱壓成型方法加工后的聚合物微納結(jié)構(gòu)成品具有較好的微納結(jié)構(gòu)。二、在脫模時(shí)可以利用聚合物納米流體中的納米磨料顆粒對通孔模具的通孔內(nèi)部所粘附的雜質(zhì)進(jìn)行高效去除，降低通孔內(nèi)部的粗糙度，實(shí)現(xiàn)了通孔模具內(nèi)壁的自拋光，有利于通孔模具的重復(fù)利用。三、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置中，將原有的封閉式模具改為通孔模具，并對其他結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改進(jìn)，能夠平滑地將通孔模具與聚合物工件分離，達(dá)到如氣動(dòng)脫模結(jié)構(gòu)類似的平穩(wěn)性，并且通孔模具可重復(fù)利用，聚合物微納結(jié)構(gòu)成品質(zhì)量好。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中模具與聚合物工件脫模時(shí)接觸應(yīng)力形成機(jī)理的示意圖，其中，a 為脫模時(shí)下壓板、模具、聚合物工件以及下支撐板的結(jié)構(gòu)示意圖，b為a中指定位置的局部放大圖，c為b中指定位置的局部放大圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中脫模時(shí)接觸應(yīng)力導(dǎo)致聚合物工件表面的微納結(jié)構(gòu)破損的掃描電鏡圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中脫模時(shí)接觸應(yīng)力導(dǎo)致封閉式模具內(nèi)側(cè)粘附聚合物雜質(zhì)顆粒的掃描電鏡圖；圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的通孔模具的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明模具自拋光的零件微熱壓成型方法的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖4所示，一種實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置，包括真空罩6和工作臺1，真空罩6內(nèi)設(shè)有與真空罩6滑動(dòng)配合的下壓板10，下壓板10與升降機(jī)構(gòu)11連接，下壓板10通過升降機(jī)構(gòu)11能沿著真空罩6內(nèi)壁上下移動(dòng)，真空罩6的開口一側(cè)固定有夾具8，夾具8帶加熱功能，夾具8與通孔模具9固定連接。如圖5所示，通孔模具 9為帶通孔的模具，通孔的形狀根據(jù)需要得到的聚合物微納結(jié)構(gòu)成品確定，可以采用微細(xì)電火花切割等微細(xì)加工技術(shù)完成。真空罩6側(cè)壁設(shè)有通孔5，用于抽真空和通入聚合物納米流體12。工作臺1設(shè)有支架2，支架2直接采用滑軌，兼具滑動(dòng)導(dǎo)向和定位作用，滑軌上設(shè)有定位銷3，滑軌通過定位銷3固定有用于放置聚合物工件4的下支撐板7，下支撐板7帶加熱功能，下支撐板7與工作臺1之間留有空隙，當(dāng)拔掉定位銷3時(shí)，下支撐板7可以沿著滑軌移動(dòng)。如圖4和圖6所示，一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法，包括以下步驟(1)圖6中a所示，根據(jù)聚合物工件4所要得到的微納結(jié)構(gòu)選擇通孔模具9，將通孔模具9固定到夾具8上，在下支撐板7放置好聚合物工件4，將真空罩6與聚合物工件4的表面貼合，通過氣孔5抽取真空，相對真空度(相對真空度=絕對壓力-測量地點(diǎn)的氣壓) 為-0. 09MPa -0. IMPa，避免空氣對成型填充效果造成影響；( 圖6中b所示，通過下壓板10施加預(yù)壓力P1,使通孔模具9與聚合物工件4貼合，并使通孔模具9與聚合物工件4溫度保持一致，加熱到壓印溫度TP，壓印溫度要大于聚合物工件的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度；(3)圖6中c所示，通過下壓板10增加壓力達(dá)到壓印壓力Pp，將通孔模具9壓入聚合物工件4，并保壓一段時(shí)間ΤΡ，確保成型質(zhì)量，保壓時(shí)間結(jié)束后冷卻到脫模溫度Td，抬起下壓板10，釋放壓力，準(zhǔn)備脫模；(4)圖6中d所示，脫模時(shí)，從氣孔5注入聚合物納米流體12，用于推動(dòng)通孔模具 9與聚合物工件4分離，并拋光通孔模具9的通孔；(5)圖6中e所示，松開固定銷3，通過下壓板10帶動(dòng)聚合物納米流體12壓入通孔模具9的通孔中，利用聚合物納米流體12推動(dòng)通孔模具9與聚合物工件4分離，由于聚合物納米流體12中所帶的納米顆粒的摩擦作用，同時(shí)將通孔模具9的通孔內(nèi)部所粘附的聚合物雜質(zhì)除去；(6)如圖6中f所示，為通孔模具9與聚合物工件4分離完成后示意效果；(7)如圖6中g(shù)所示，對聚合物工件4的廢邊進(jìn)行處理后，如圖6中h所示，即可獲得聚合物微納結(jié)構(gòu)成品(即零件)。實(shí)施例1(1)圖6中a所示，根據(jù)聚合物工件4所要得到的微納結(jié)構(gòu)選擇通孔模具9，聚合物工件4的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，通孔模具9采用鎳材料通過LIGA技術(shù)制得，LIGA 是光刻、電鑄和注塑的縮寫，LIGA技術(shù)是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)，將通孔模具9固定到夾具8上，在下支撐板7放置好聚合物工件4，將真空罩6與聚合物工件4的表面貼合，通過氣孔5抽取真空，相對真空度(相對真空度=絕對壓力-測量地點(diǎn)的氣壓) 為-0. 095MPa，避免空氣對成型填充效果造成影響；(2)圖6中b所示，通過下壓板10施加預(yù)壓力P1 (P1 = 0. 2MPa)，使通孔模具9與聚合物工件4貼合，并使通孔模具9與聚合物工件4溫度保持一致，加熱到壓印溫度TpCTp =IlO0C )；(3)圖6中c所示，通過下壓板10增加壓力達(dá)到壓印壓力Pp (Pp = 1. OMPa)，將通孔模具9壓入聚合物工件4，并保壓一段時(shí)間TpCTp = lmin)，確保成型質(zhì)量，保壓時(shí)間結(jié)束后冷卻到脫模溫度Td(Td = 700C )，抬起下壓板10，釋放壓力，準(zhǔn)備脫模；(4)圖6中d所示，脫模時(shí)，從氣孔5注入聚合物納米流體12，用于推動(dòng)通孔模具 9與聚合物工件4分離，并拋光通孔模具9的通孔；聚合物納米流體12的制備方法包括以下步驟先將100重量份的水與20重量份的聚乙烯醇(平均分子量為60000g/mol)混合均勻，然后加入15重量份的納米金剛石顆粒磨料攪拌混合池，納米金剛石顆粒磨料的顆粒大小為IOnm 20nm，使得納米金剛石顆粒磨料在水與聚乙烯醇中顆粒分散均勻，再加入黃原膠15重量份和丙二醇10重量份后混合均勻，得到聚合物納米流體12 ；(5)圖6中e所示，松開固定銷3，通過下壓板10帶動(dòng)聚合物納米流體12壓入通孔模具9的通孔中，利用聚合物納米流體12推動(dòng)通孔模具9與聚合物工件4分離，由于聚合物納米流體12中所帶的納米顆粒的摩擦作用，同時(shí)將通孔模具9的通孔內(nèi)部所粘附的聚合物雜質(zhì)除去；(6)如圖6中f所示，為通孔模具9與聚合物工件4分離完成后示意效果；(7)如圖6中g(shù)所示，對聚合物工件4的廢邊進(jìn)行處理后，如圖6中h所示，即可獲得聚合物微納結(jié)構(gòu)成品(即零件)。
權(quán)利要求
1.一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法，包括以下步驟(1)壓??；(2)脫模壓印后釋放壓力，準(zhǔn)備脫模，采用聚合物納米流體推動(dòng)通孔模具與聚合物工件分離，分離后得到聚合物微納結(jié)構(gòu)成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法，其特征在于，所述的聚合物納米流體采用半固態(tài)聚合物作為載體，載體中混合有顆粒大小為Inm IOOnm的磨料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法，其特征在于，所述的聚合物納米流體，采用以下重量份的原料水100份；聚乙烯醇18 30份；黃原膠 5 40份；丙二醇 3 20份；磨料 5 40份；所述的磨料的顆粒大小為Inm lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法，其特征在于，所述的磨料為碳化硅顆粒、碳化硼顆?；蚪饎偸w粒中的一種或者兩種以上，磨料的顆粒大小為 IOnm 50nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法，其特征在于，所述的聚合物納米流體的制備方法，包括以下步驟先將水與聚乙烯醇混合均勻，然后加入磨料攪拌混合池 4h，再加入黃原膠和丙二醇后混合均勻，得到聚合物納米流體。
6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置， 包括真空罩(6)和工作臺(1)，其特征在于，所述的真空罩(6)內(nèi)設(shè)有與真空罩(6)滑動(dòng)配合的下壓板(10)，下壓板(10)與升降機(jī)構(gòu)(11)連接，真空罩(6)的開口一側(cè)固定有夾具 (8)，夾具(8)與通孔模具(9)固定連接，真空罩(6)側(cè)壁設(shè)有通孔(5)；所述的工作臺(1)上設(shè)有支架O)，支架( 上通過定位銷(3)固定有下支撐板(7)， 所述的下支撐板(7)與工作臺(1)之間留有空隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的支架( 上設(shè)有滑軌；或者，所述的支架( 為滑軌。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模具自拋光的零件微熱壓成型方法，包括以下步驟壓印；脫模壓印后釋放壓力，準(zhǔn)備脫模，采用聚合物納米流體推動(dòng)通孔模具與聚合物工件分離，分離后得到聚合物微納結(jié)構(gòu)成品，使用聚合物納米流體進(jìn)行脫模，從而達(dá)到平滑地分離通孔模具與聚合物工件的目的，使得微熱壓成型的聚合物工件具有較好的微納結(jié)構(gòu)并使得成型后的通孔模具內(nèi)部無雜質(zhì)粘附，確保通孔模具可重復(fù)利用，以降低微熱壓成型方法的成本。本發(fā)明還公開了一種實(shí)現(xiàn)所述的模具自拋光的零件微熱壓成型方法的裝置，將原有的封閉式模具改成通孔模具，并對其他結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改進(jìn)，能夠平滑地將通孔模具與聚合物工件分離。
文檔編號B81C1/00GK102530840SQ201210005290
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者傅建中, 姚鑫驊, 沈洪垚, 賀永, 趙朋, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)