一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉微机电系统(MEMS)中聚合物制作领域，更具体的说，是涉及一种通过超声微压印成形方法使聚合物粉末材料成形为聚合物微器件/微结构的方法。
【背景技术】
[0002]随着聚合物材料在MEMS领域的应用，聚合物微器件、微结构的成形工艺成为推进聚合物微器件产业化发展的使能技术之一。
[0003]在基于超声波的聚合物成形技术中，主要分为超声产热压印和超声辅助热压印两种。其中，超声产热压印工艺过程中，聚合物温升所需要的热量来源于超声振动对聚合物的作用；而超声辅助热压印引入了外部热源，聚合物基片首先被加热到其玻璃点转化温度以上，在施加压力的同时施加超声波，利用超声波振动起到排气和均匀熔融聚合物流体片内分布的效果。超声辅助热压印可以提高热压成形中微结构的成形精度，但是其前期的加热过程长达数分钟，工艺效率低，且聚合物整体处于其玻璃点转化温度以上，在压力作用下的成形过程中，聚合物基片整体变形大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种通过超声微压印技术使聚合物粉末材料成形为聚合物微器件/微结构的方法，该方法耗时短，效率高，对设备要求较低，微器件/微结构成形精度高。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，包括如下步骤:
[0007](I)制作将模具包围形成半封闭式的内腔结构且与压印头配合后形成密闭空间的模具辅助结构；
[0008](2)在模具腔内注入具有热塑性的聚合物粉末，打开超声压印系统开关，将超声波焊机的压印头与热塑性聚合物粉末接触，待接触力达到所设定的触发力后，激发超声振动，超声振动频率为20KHz，焊接压力设为200N，超声振动持续时间设定为5s，在超声振动和焊接压力作用下，聚合物粉末颗粒之间发生高频摩擦而产生热能使聚合物粉末融化粘结呈粘流态，粘流态的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微结构；
[0009](3)超声振动结束后，进入保压凝固阶段，焊接压力设为150N，持续时间10-15S，使粘流态的聚合物对模具的微结构进行充分填充，同时通过模具辅助结构散热冷却，从而使聚合物微器件/微结构冷却成形；
[0010](4)升起压印头，进入脱模阶段，得到聚合物微器件/微结构。
[0011]步骤(2)中所述的触发力为200N。
[0012]所述聚合物粉末为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末。
[0013]与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0014]本发明通过设计制作模具辅助装置将模具围成半封闭式的内腔空间，之后将热塑性聚合物粉末注入模具内腔空间，在超声振动及压力作用下，聚合物粉末颗粒之间发生高频摩擦而产生热能使聚合物粉末融化粘结，并填充到模具中形成微器件、微结构，本发明方法采用热塑性聚合物粉末代替聚合物基片作为加工材料，一方面突破了传统工艺只能加工基片微结构的限制，也可以实现单独的聚合物微器件的加工，另一方面，利用高频超声振动作用，在聚合物粉末颗粒直接可产生高频摩擦，从而产生大量摩擦热能，实现常温下的聚合物微器件/微结构的加工。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的示意图。
[0016]附图标记:1_压印头2-模具辅助结构3-聚合物粉末4-模具5-工作台6_焊机底座
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0018]如图1所示:一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，包括如下步骤:
[0019](I)制作模具辅助结构2，将工作台5放置在焊机底座6的上表面，模具4放置在工作台5的上表面，模具辅助结构2将模具4包围形成半封闭式的内腔结构且与压印头I配合后能形成密闭的空间；
[0020](2)在模具4腔内注入具有热塑性的聚合物粉末3，本实施例中选用的聚合物粉末3为具有热塑性的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末，打开超声压印系统开关，将超声波焊机的压印头I与聚合物粉末3接触，待接触力达到所设定的触发力200N时，激发超声振动，超声振动频率为20KHz，焊接压力设为200N，超声振动持续时间设定为5s，在超声振动和焊接压力作用下，聚合物粉末3颗粒之间发生高频摩擦而产生热能使聚合物粉末3融化粘结呈粘流态，粘流态的聚合物被填充到模具4中形成聚合物微器件/微结构；
[0021](3)超声振动结束后，进入保压凝固阶段，焊接压力设为150N，持续时间10-15S，以防止仍处于软化状态的粘流态聚合物在冷却过程中回弹，使粘流态的聚合物对模具4的微结构进行充分填充，提高微结构成形的精度，同时通过模具辅助结构2散热冷却，从而使聚合物微器件/微结构冷却成形；
[0022](4)升起压印头1，进入脱模阶段，得到聚合物微器件/微结构。
【主权项】
1.一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)制作将模具包围形成半封闭式的内腔结构且与压印头配合后形成密闭空间的模具辅助结构； (2)在模具腔内注入具有热塑性的聚合物粉末，打开超声压印系统开关，将超声波焊机的压印头与热塑性聚合物粉末接触，待接触力达到所设定的触发力后，激发超声振动，超声振动频率为20KHz，焊接压力设为200N，超声振动持续时间设定为5s，在超声振动和焊接压力作用下，聚合物粉末颗粒之间发生高频摩擦而产生热能使聚合物粉末融化粘结呈粘流态，粘流态的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微结构； (3)超声振动结束后，进入保压凝固阶段，焊接压力设为150N，持续时间10- 15s，使粘流态的聚合物对模具的微结构进行充分填充，同时通过模具辅助结构散热冷却，从而使聚合物微器件/微结构冷却成形； (4)升起压印头，进入脱模阶段，得到聚合物微器件/微结构。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，其特征在于，步骤(2)中所述的触发力为200N。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，其特征在于，所述聚合物粉末为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末。
【专利摘要】本发明公开了一种聚合物粉末材料的超声微压印成形方法，包括如下步骤：(1)制作模具辅助结构；(2)在模具腔内注入具有热塑性的聚合物粉末，打开超声压印系统开关，将超声波焊机的压印头与热塑性聚合物粉末接触，使聚合物粉末融化粘结呈粘流态，粘流态的聚合物被填充到模具中形成聚合物微器件/微结构；(3)超声振动结束后，进入保压凝固阶段，同时通过模具辅助结构散热冷却，从而使聚合物微器件/微结构冷却成形；(4)升起压印头，进入脱模阶段，得到聚合物微器件/微结构。本发明耗时短，效率高，对设备要求较低，微器件/微结构成形精度高。
【IPC分类】B29C67-02, B29K67-00
【公开号】CN104875393
【申请号】CN201510292762
【发明人】崔良玉, 田延岭, 张大为
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月1日