一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中聚合物制作領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種通過超聲微壓印成形方法使聚合物粉末材料成形為聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著聚合物材料在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用，聚合物微器件、微結(jié)構(gòu)的成形工藝成為推進(jìn)聚合物微器件產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的使能技術(shù)之一。
[0003]在基于超聲波的聚合物成形技術(shù)中，主要分為超聲產(chǎn)熱壓印和超聲輔助熱壓印兩種。其中，超聲產(chǎn)熱壓印工藝過程中，聚合物溫升所需要的熱量來源于超聲振動(dòng)對聚合物的作用；而超聲輔助熱壓印引入了外部熱源，聚合物基片首先被加熱到其玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上，在施加壓力的同時(shí)施加超聲波，利用超聲波振動(dòng)起到排氣和均勻熔融聚合物流體片內(nèi)分布的效果。超聲輔助熱壓印可以提高熱壓成形中微結(jié)構(gòu)的成形精度，但是其前期的加熱過程長達(dá)數(shù)分鐘，工藝效率低，且聚合物整體處于其玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上，在壓力作用下的成形過程中，聚合物基片整體變形大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種通過超聲微壓印技術(shù)使聚合物粉末材料成形為聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)的方法，該方法耗時(shí)短，效率高，對設(shè)備要求較低，微器件/微結(jié)構(gòu)成形精度高。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，包括如下步驟:
[0007](I)制作將模具包圍形成半封閉式的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)且與壓印頭配合后形成密閉空間的模具輔助結(jié)構(gòu)；
[0008](2)在模具腔內(nèi)注入具有熱塑性的聚合物粉末，打開超聲壓印系統(tǒng)開關(guān)，將超聲波焊機(jī)的壓印頭與熱塑性聚合物粉末接觸，待接觸力達(dá)到所設(shè)定的觸發(fā)力后，激發(fā)超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)頻率為20KHz，焊接壓力設(shè)為200N，超聲振動(dòng)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為5s，在超聲振動(dòng)和焊接壓力作用下，聚合物粉末顆粒之間發(fā)生高頻摩擦而產(chǎn)生熱能使聚合物粉末融化粘結(jié)呈粘流態(tài)，粘流態(tài)的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)；
[0009](3)超聲振動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入保壓凝固階段，焊接壓力設(shè)為150N，持續(xù)時(shí)間10-15S，使粘流態(tài)的聚合物對模具的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分填充，同時(shí)通過模具輔助結(jié)構(gòu)散熱冷卻，從而使聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)冷卻成形；
[0010](4)升起壓印頭，進(jìn)入脫模階段，得到聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)。
[0011]步驟(2)中所述的觸發(fā)力為200N。
[0012]所述聚合物粉末為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是:
[0014]本發(fā)明通過設(shè)計(jì)制作模具輔助裝置將模具圍成半封閉式的內(nèi)腔空間，之后將熱塑性聚合物粉末注入模具內(nèi)腔空間，在超聲振動(dòng)及壓力作用下，聚合物粉末顆粒之間發(fā)生高頻摩擦而產(chǎn)生熱能使聚合物粉末融化粘結(jié)，并填充到模具中形成微器件、微結(jié)構(gòu)，本發(fā)明方法采用熱塑性聚合物粉末代替聚合物基片作為加工材料，一方面突破了傳統(tǒng)工藝只能加工基片微結(jié)構(gòu)的限制，也可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的聚合物微器件的加工，另一方面，利用高頻超聲振動(dòng)作用，在聚合物粉末顆粒直接可產(chǎn)生高頻摩擦，從而產(chǎn)生大量摩擦熱能，實(shí)現(xiàn)常溫下的聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)的加工。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的示意圖。
[0016]附圖標(biāo)記:1_壓印頭2-模具輔助結(jié)構(gòu)3-聚合物粉末4-模具5-工作臺6_焊機(jī)底座
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0018]如圖1所示:一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，包括如下步驟:
[0019](I)制作模具輔助結(jié)構(gòu)2，將工作臺5放置在焊機(jī)底座6的上表面，模具4放置在工作臺5的上表面，模具輔助結(jié)構(gòu)2將模具4包圍形成半封閉式的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)且與壓印頭I配合后能形成密閉的空間；
[0020](2)在模具4腔內(nèi)注入具有熱塑性的聚合物粉末3，本實(shí)施例中選用的聚合物粉末3為具有熱塑性的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末，打開超聲壓印系統(tǒng)開關(guān)，將超聲波焊機(jī)的壓印頭I與聚合物粉末3接觸，待接觸力達(dá)到所設(shè)定的觸發(fā)力200N時(shí)，激發(fā)超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)頻率為20KHz，焊接壓力設(shè)為200N，超聲振動(dòng)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為5s，在超聲振動(dòng)和焊接壓力作用下，聚合物粉末3顆粒之間發(fā)生高頻摩擦而產(chǎn)生熱能使聚合物粉末3融化粘結(jié)呈粘流態(tài)，粘流態(tài)的聚合物被填充到模具4中形成聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)；
[0021](3)超聲振動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入保壓凝固階段，焊接壓力設(shè)為150N，持續(xù)時(shí)間10-15S，以防止仍處于軟化狀態(tài)的粘流態(tài)聚合物在冷卻過程中回彈，使粘流態(tài)的聚合物對模具4的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分填充，提高微結(jié)構(gòu)成形的精度，同時(shí)通過模具輔助結(jié)構(gòu)2散熱冷卻，從而使聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)冷卻成形；
[0022](4)升起壓印頭1，進(jìn)入脫模階段，得到聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)制作將模具包圍形成半封閉式的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)且與壓印頭配合后形成密閉空間的模具輔助結(jié)構(gòu)； (2)在模具腔內(nèi)注入具有熱塑性的聚合物粉末，打開超聲壓印系統(tǒng)開關(guān)，將超聲波焊機(jī)的壓印頭與熱塑性聚合物粉末接觸，待接觸力達(dá)到所設(shè)定的觸發(fā)力后，激發(fā)超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)頻率為20KHz，焊接壓力設(shè)為200N，超聲振動(dòng)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為5s，在超聲振動(dòng)和焊接壓力作用下，聚合物粉末顆粒之間發(fā)生高頻摩擦而產(chǎn)生熱能使聚合物粉末融化粘結(jié)呈粘流態(tài)，粘流態(tài)的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)； (3)超聲振動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入保壓凝固階段，焊接壓力設(shè)為150N，持續(xù)時(shí)間10- 15s，使粘流態(tài)的聚合物對模具的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分填充，同時(shí)通過模具輔助結(jié)構(gòu)散熱冷卻，從而使聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)冷卻成形； (4)升起壓印頭，進(jìn)入脫模階段，得到聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，其特征在于，步驟(2)中所述的觸發(fā)力為200N。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，其特征在于，所述聚合物粉末為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚合物粉末材料的超聲微壓印成形方法，包括如下步驟：(1)制作模具輔助結(jié)構(gòu)；(2)在模具腔內(nèi)注入具有熱塑性的聚合物粉末，打開超聲壓印系統(tǒng)開關(guān)，將超聲波焊機(jī)的壓印頭與熱塑性聚合物粉末接觸，使聚合物粉末融化粘結(jié)呈粘流態(tài)，粘流態(tài)的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)；(3)超聲振動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入保壓凝固階段，同時(shí)通過模具輔助結(jié)構(gòu)散熱冷卻，從而使聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)冷卻成形；(4)升起壓印頭，進(jìn)入脫模階段，得到聚合物微器件/微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明耗時(shí)短，效率高，對設(shè)備要求較低，微器件/微結(jié)構(gòu)成形精度高。
【IPC分類】B29C67-02, B29K67-00
【公開號】CN104875393
【申請?zhí)枴緾N201510292762
【發(fā)明人】崔良玉, 田延嶺, 張大為
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月1日