专利名称：一种模具自抛光的零件微热压成型方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密零件的高效、高质量加工方法领域，尤其是涉及一种模具自抛光的零件微热压成型方法及装置。
背景技术：
微注射成型(injection molding)、微固化(casting)、微热压成型(hot embossing)方法是三种可大批量加工聚合物微纳结构的方法。微注射成型技术在工业中应用比较广泛，微固化技术对聚合物材料有特殊要求，同时成型时间很长，目前已少见相关文献研究报道。微热压成型方法制备聚合物微纳结构是近年来发展起来的一种高效、低成本加工方法。目前该加工方法已经成功地应用在加工各种微纳构件领域，如微流控芯片、微天线、微透镜、微波导、微反应器、微传感器等微机电系统的元器件。目前，对微热压成型方法已经有较多的研究报道，其成型过程中的脱模缺陷问题尤其得到了众多学者的重视。如图1所示，脱模时，由于封闭式模具与聚合物工件接触面之间存在着接触应力，接触应力主要是机械阻力和分子吸附力，当封闭式模具与聚合物工件分离时，在接触应力的作用下，容易导致聚合物工件表面的微纳结构破损(如图2所示)、封闭式模具内布满聚合物杂质颗粒导致封闭式模具无法重新使用(如图3所示)等问题。专利号为ZL 200810059875. 3的中国专利公开了一种基于气动的微纳米压印脱模结构，在工作台上装有聚合物夹紧罩，模板装在夹紧罩的下端，模板上端面装有活塞，套筒和夹紧罩固连，套筒与活塞的上下移动，使模板在夹紧罩中作上下移动，模板下端面设有滑道，内装有弹簧及滑块，模具夹紧气道从夹紧罩接入后，通过模板接入滑道内，能使滑块在模板下端面滑道中滑动，脱模气道从夹紧罩接入后，脱模气道从模板中穿过，密封圈安装于夹紧罩的下端面。虽然该脱模结构可以有效避免脱模时由于不均勻受力所导致的模具及聚合物微纳结构的破坏，但采用压缩气体脱模时，当模具和聚合物工件分离后，由于气体压力的高速释放，容易导致模具或聚合物工件出现微纳结构的表面损伤乃至破坏的现象。由于微热压成型方法所使用模具的特征尺度在微米纳米量级，因此，宏观尺度模具中所用的机器人抛光、水射流抛光等都很难进入到模具内部去除模具内部的粘附杂质。 而微热压成型使用的模具都比较昂贵，如果模具无法重复利用，无疑会导致微热压成型方法的成本非常高，无法工业化大规模地推广和实施。
发明内容
本发明提供了一种模具自抛光的零件微热压成型方法，使用聚合物纳米流体进行脱模，从而达到平滑的分离通孔模具与聚合物工件的目的，使得微热压成型的聚合物工件具有较好的微纳结构并使得成型后的通孔模具内部无杂质粘附，确保通孔模具可重复利用，以降低微热压成型方法的成本。—种模具自抛光的零件微热压成型方法，包括以下步骤(1)压印；
(2)脱模压印后释放压力，准备脱模，采用聚合物纳米流体推动通孔模具与聚合物工件分离，分离后得到聚合物微纳结构成品(即零件)。在脱模过程中由于聚合物纳米流体中纳米磨料颗粒的存在能够对通孔模具的通孔内部所粘附的微纳颗粒进行摩擦去除，实现对通孔模具的抛光，从而大幅提高通孔模具的重复利用率，并且脱模质量好，聚合物微纳结构成品具有较好的微纳结构。为了得到更好的发明效果，以下作为本发明的优选所述的聚合物纳米流体采用半固态聚合物作为载体，载体中混合有颗粒大小为 Inm IOOnm的磨料。一般地，采用具有粘弹性的半固态聚合物与纳米碳化硅、纳米碳化硼或纳米金刚石颗粒混合，用以增强磨削抛光效果，这些聚合物纳米流体软硬适中，不粘金属。聚合物纳米流体可采用现有的产品，也可自行配制。进一步优选，所述的聚合物纳米流体，采用以下重量份的原料水100 份；聚乙烯醇 18 30份；黄原胶5 40份；丙二醇3 20份；磨料5 40份；所述的磨料的颗粒大小为Inm lOOnm。所述的磨料为碳化硅颗粒、碳化硼颗粒或金刚石颗粒中的一种或者两种以上，选用纳米颗粒，磨料的颗粒大小为IOnm 50nm。所述的聚合物纳米流体的制备方法，包括以下步骤先将水与聚乙烯醇混合均勻，然后加入磨料搅拌混合池 4h，使得磨料在水与聚乙烯醇中颗粒分散均勻，再加入黄原胶和丙二醇后混合均勻，得到聚合物纳米流体。不同的磨料成份适合于抛光不同的模具材料，纳米碳化硅和纳米碳化硼磨料抛光硅材料的模具效果较好，而纳米金刚石颗粒抛光镍材料的模具效果较好。本发明还提供了一种实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置，将原有的封闭式模具改成通孔模具，并对其他结构做相应的改进，能够平滑地将通孔模具与聚合物工件分离。一种实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置，包括真空罩和工作台，所述的真空罩内设有与真空罩滑动配合的下压板，下压板与升降机构连接，真空罩的开口一侧固定有夹具，夹具与通孔模具固定连接，真空罩侧壁设有通孔；所述的工作台上设有支架，支架上通过定位销固定有下支撑板，所述的下支撑板与工作台之间留有空隙。进一步优选，所述的支架上设有滑轨；或者，所述的支架为滑轨。下支撑板沿着滑轨移动，滑轨具有导向作用，当支架为滑轨时，定位销设置在滑轨上，滑轨除导向功作用，兼具支撑固定下支撑板的作用。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果一、脱模时采用聚合物纳米流体作为施加脱模力的传递介质，使用聚合物纳米流体不但可以平稳地分离通孔模具和聚合物工件，而且还能保证脱模质量。由于聚合物纳米流体具有半固态的性质，既可以保证在分离时提供足够的脱模力，分离后的聚合物纳米流体也不会快速喷出，从而避免了采用压缩气体脱模时，当模具和聚合物工件分离后，由于气体压力的高速释放，容易导致模具或聚合物工件出现微纳结构的表面损伤乃至破坏的现象。通过本发明模具自抛光的零件微热压成型方法加工后的聚合物微纳结构成品具有较好的微纳结构。二、在脱模时可以利用聚合物纳米流体中的纳米磨料颗粒对通孔模具的通孔内部所粘附的杂质进行高效去除，降低通孔内部的粗糙度，实现了通孔模具内壁的自抛光，有利于通孔模具的重复利用。三、本发明实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置中，将原有的封闭式模具改为通孔模具，并对其他结构做相应的改进，能够平滑地将通孔模具与聚合物工件分离，达到如气动脱模结构类似的平稳性，并且通孔模具可重复利用，聚合物微纳结构成品质量好。
图1是现有技术中模具与聚合物工件脱模时接触应力形成机理的示意图，其中，a 为脱模时下压板、模具、聚合物工件以及下支撑板的结构示意图，b为a中指定位置的局部放大图，c为b中指定位置的局部放大图；图2是现有技术中脱模时接触应力导致聚合物工件表面的微纳结构破损的扫描电镜图；图3是现有技术中脱模时接触应力导致封闭式模具内侧粘附聚合物杂质颗粒的扫描电镜图；图4是本发明实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置的结构示意图；图5是本发明的通孔模具的结构示意图；图6是本发明模具自抛光的零件微热压成型方法的工作流程图。
具体实施例方式如图4所示，一种实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置，包括真空罩6和工作台1，真空罩6内设有与真空罩6滑动配合的下压板10，下压板10与升降机构11连接，下压板10通过升降机构11能沿着真空罩6内壁上下移动，真空罩6的开口一侧固定有夹具8，夹具8带加热功能，夹具8与通孔模具9固定连接。如图5所示，通孔模具 9为带通孔的模具，通孔的形状根据需要得到的聚合物微纳结构成品确定，可以采用微细电火花切割等微细加工技术完成。真空罩6侧壁设有通孔5，用于抽真空和通入聚合物纳米流体12。工作台1设有支架2，支架2直接采用滑轨，兼具滑动导向和定位作用，滑轨上设有定位销3，滑轨通过定位销3固定有用于放置聚合物工件4的下支撑板7，下支撑板7带加热功能，下支撑板7与工作台1之间留有空隙，当拔掉定位销3时，下支撑板7可以沿着滑轨移动。如图4和图6所示，一种模具自抛光的零件微热压成型方法，包括以下步骤(1)图6中a所示，根据聚合物工件4所要得到的微纳结构选择通孔模具9，将通孔模具9固定到夹具8上，在下支撑板7放置好聚合物工件4，将真空罩6与聚合物工件4的表面贴合，通过气孔5抽取真空，相对真空度(相对真空度=绝对压力-测量地点的气压) 为-0. 09MPa -0. IMPa，避免空气对成型填充效果造成影响；( 图6中b所示，通过下压板10施加预压力P1,使通孔模具9与聚合物工件4贴合，并使通孔模具9与聚合物工件4温度保持一致，加热到压印温度TP，压印温度要大于聚合物工件的玻璃态转化温度；(3)图6中c所示，通过下压板10增加压力达到压印压力Pp，将通孔模具9压入聚合物工件4，并保压一段时间ΤΡ，确保成型质量，保压时间结束后冷却到脱模温度Td，抬起下压板10，释放压力，准备脱模；(4)图6中d所示，脱模时，从气孔5注入聚合物纳米流体12，用于推动通孔模具 9与聚合物工件4分离，并抛光通孔模具9的通孔；(5)图6中e所示，松开固定销3，通过下压板10带动聚合物纳米流体12压入通孔模具9的通孔中，利用聚合物纳米流体12推动通孔模具9与聚合物工件4分离，由于聚合物纳米流体12中所带的纳米颗粒的摩擦作用，同时将通孔模具9的通孔内部所粘附的聚合物杂质除去；(6)如图6中f所示，为通孔模具9与聚合物工件4分离完成后示意效果；(7)如图6中g所示，对聚合物工件4的废边进行处理后，如图6中h所示，即可获得聚合物微纳结构成品(即零件)。实施例1(1)图6中a所示，根据聚合物工件4所要得到的微纳结构选择通孔模具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采用镍材料通过LIGA技术制得，LIGA 是光刻、电铸和注塑的缩写，LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，将通孔模具9固定到夹具8上，在下支撑板7放置好聚合物工件4，将真空罩6与聚合物工件4的表面贴合，通过气孔5抽取真空，相对真空度(相对真空度=绝对压力-测量地点的气压) 为-0. 095MPa，避免空气对成型填充效果造成影响；(2)图6中b所示，通过下压板10施加预压力P1 (P1 = 0. 2MPa)，使通孔模具9与聚合物工件4贴合，并使通孔模具9与聚合物工件4温度保持一致，加热到压印温度TpCTp =IlO0C )；(3)图6中c所示，通过下压板10增加压力达到压印压力Pp (Pp = 1. OMPa)，将通孔模具9压入聚合物工件4，并保压一段时间TpCTp = lmin)，确保成型质量，保压时间结束后冷却到脱模温度Td(Td = 700C )，抬起下压板10，释放压力，准备脱模；(4)图6中d所示，脱模时，从气孔5注入聚合物纳米流体12，用于推动通孔模具 9与聚合物工件4分离，并抛光通孔模具9的通孔；聚合物纳米流体12的制备方法包括以下步骤先将100重量份的水与20重量份的聚乙烯醇(平均分子量为60000g/mol)混合均勻，然后加入15重量份的纳米金刚石颗粒磨料搅拌混合池，纳米金刚石颗粒磨料的颗粒大小为IOnm 20nm，使得纳米金刚石颗粒磨料在水与聚乙烯醇中颗粒分散均勻，再加入黄原胶15重量份和丙二醇10重量份后混合均勻，得到聚合物纳米流体12 ；(5)图6中e所示，松开固定销3，通过下压板10带动聚合物纳米流体12压入通孔模具9的通孔中，利用聚合物纳米流体12推动通孔模具9与聚合物工件4分离，由于聚合物纳米流体12中所带的纳米颗粒的摩擦作用，同时将通孔模具9的通孔内部所粘附的聚合物杂质除去；(6)如图6中f所示，为通孔模具9与聚合物工件4分离完成后示意效果；(7)如图6中g所示，对聚合物工件4的废边进行处理后，如图6中h所示，即可获得聚合物微纳结构成品(即零件)。
权利要求
1.一种模具自抛光的零件微热压成型方法，包括以下步骤(1)压印；(2)脱模压印后释放压力，准备脱模，采用聚合物纳米流体推动通孔模具与聚合物工件分离，分离后得到聚合物微纳结构成品。
2.根据权利要求1所述的模具自抛光的零件微热压成型方法，其特征在于，所述的聚合物纳米流体采用半固态聚合物作为载体，载体中混合有颗粒大小为Inm IOOnm的磨料。
3.根据权利要求1所述的模具自抛光的零件微热压成型方法，其特征在于，所述的聚合物纳米流体，采用以下重量份的原料水100份；聚乙烯醇18 30份；黄原胶 5 40份；丙二醇 3 20份；磨料 5 40份；所述的磨料的颗粒大小为Inm lOOnm。
4.根据权利要求2或3所述的模具自抛光的零件微热压成型方法，其特征在于，所述的磨料为碳化硅颗粒、碳化硼颗粒或金刚石颗粒中的一种或者两种以上，磨料的颗粒大小为 IOnm 50nmo
5.根据权利要求3所述的模具自抛光的零件微热压成型方法，其特征在于，所述的聚合物纳米流体的制备方法，包括以下步骤先将水与聚乙烯醇混合均勻，然后加入磨料搅拌混合池 4h，再加入黄原胶和丙二醇后混合均勻，得到聚合物纳米流体。
6.一种实现权利要求1 5任一项所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置， 包括真空罩(6)和工作台(1)，其特征在于，所述的真空罩(6)内设有与真空罩(6)滑动配合的下压板(10)，下压板(10)与升降机构(11)连接，真空罩(6)的开口一侧固定有夹具 (8)，夹具(8)与通孔模具(9)固定连接，真空罩(6)侧壁设有通孔(5)；所述的工作台(1)上设有支架O)，支架( 上通过定位销(3)固定有下支撑板(7)， 所述的下支撑板(7)与工作台(1)之间留有空隙。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的支架( 上设有滑轨；或者，所述的支架( 为滑轨。
全文摘要
本发明公开了一种模具自抛光的零件微热压成型方法，包括以下步骤压印；脱模压印后释放压力，准备脱模，采用聚合物纳米流体推动通孔模具与聚合物工件分离，分离后得到聚合物微纳结构成品，使用聚合物纳米流体进行脱模，从而达到平滑地分离通孔模具与聚合物工件的目的，使得微热压成型的聚合物工件具有较好的微纳结构并使得成型后的通孔模具内部无杂质粘附，确保通孔模具可重复利用，以降低微热压成型方法的成本。本发明还公开了一种实现所述的模具自抛光的零件微热压成型方法的装置，将原有的封闭式模具改成通孔模具，并对其他结构做相应的改进，能够平滑地将通孔模具与聚合物工件分离。
文档编号B81C1/00GK102530840SQ201210005290
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者傅建中, 姚鑫骅, 沈洪垚, 贺永, 赵朋, 陈子辰 申请人:浙江大学