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，同時成型時間很長，目前已少見相關(guān)文獻研究報道。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，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，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，使模板在夾緊罩中作上下移動，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，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，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器人拋光、水射流拋光等都很難進入到模具內(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行脫模，從而達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?！N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，準備脫模，采用聚合物納米流體推動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行摩擦去除，實現(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，能夠平滑地將通孔模具與聚合物工件分離。一種實現(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)有與真空罩滑動配合的下壓板，下壓板與升降機構(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，滑軌具有導(dǎo)向作用，當(dāng)支架為滑軌時，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，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)進行高效去除，降低通孔內(nèi)部的粗糙度，實現(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，能夠平滑地將通孔模具與聚合物工件分離，達到如氣動脫模結(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接觸應(yīng)力形成機理的示意圖，其中，a 為脫模時下壓板、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。
具體實施例方式如圖4所示，一種實現(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滑動配合的下壓板10，下壓板10與升降機構(gòu)11連接，下壓板10通過升降機構(gòu)11能沿著真空罩6內(nèi)壁上下移動，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，可以采用微細電火花切割等微細加工技術(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，下支撐板7可以沿著滑軌移動。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，并保壓一段時間ΤΡ，確保成型質(zhì)量，保壓時間結(jié)束后冷卻到脫模溫度Td，抬起下壓板10，釋放壓力，準備脫模；(4)圖6中d所示，脫模時，從氣孔5注入聚合物納米流體12，用于推動通孔模具 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，并保壓一段時間TpCTp = lmin)，確保成型質(zhì)量，保壓時間結(jié)束后冷卻到脫模溫度Td(Td = 700C )，抬起下壓板10，釋放壓力，準備脫模；(4)圖6中d所示，脫模時，從氣孔5注入聚合物納米流體12，用于推動通孔模具 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，準備脫模，采用聚合物納米流體推動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。
6.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1 5任一項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)滑動配合的下壓板(10)，下壓板(10)與升降機構(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?。幻撃河『筢尫艍毫?，準備脫模，采用聚合物納米流體推動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行脫模，從而達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，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)