一种三维微结构的加工方法与流程

本发明涉及的一种三维微结构的加工方法，尤其是一种基于电加工的三维微结构加工方法。

背景技术：

通过微细电极的微细电加工制备三维微结构是目前制备三维微结构的主流加工手段之一。微细电加工包含微细电火花加工和微细电解加工。以微细电火花加工三维微结构为例，其主要工艺过程如下：通过各种加工方法制作直径细小的微柱状电极，然后通过微电极的层层扫描放电加工获得三维微结构。但是，由于微柱状电极尺寸相对于扫描面积十分微细，使得加工效率很低。这一缺点制约了该技术在工业领域的广泛应用。

此外，也可基于薄片电极的微细电火花制备三维结构加工，但该方法在实施的过程中存在以下问题：三维微结构的加工精度与薄板的厚度密切相关，薄板厚度越小，三维微结构加工精度越高。但是薄板越薄，会导致薄片电极刚度不够，三维微结构加工过程不稳定。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种可以有效地提高加工效率和加工精度的三维微结构加工方法。

为实现上述目的，本申请提供一种三维微结构的加工方法，包括步骤：

沿预建立的三维结构的cad几何模型垂直于中心线的方向，对所述三维结构的cad几何模型进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片；

将所述预设数量的三维微结构离散切片转化为对应预设数量的几何数据；

依据所述几何数据在指定参数的电极板上按预设顺序依次切割，得到电极板上的微结构阵列，所述微结构阵列上的微结构与所述预设数量的三维微结构离散切片一一对应；

利用所述电极板按照预设工艺对预设加工材料进行电加工，得到三维微结构。

进一步地，所述沿预建立的三维结构的cad几何模型垂直于中心线的方向，对所述三维结构的cad几何模型进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片的步骤之前，包括：

判断数据库中是否存有待加工的所述三维微结构的cad几何模型；

若数据库中存有待加工三维微结构的cad几何模型，则调用所述三维微结构的cad几何模型；

若数据库中未存有待加工三维微结构的cad几何模型，则按照所述三维微结构的加工工艺参数建立所述三维微结构的cad几何模型。

进一步地，所述若数据库中未存有待加工三维微结构的cad几何模型，则按照所述三维微结构的加工工艺参数建立所述三维微结构的cad几何模型的步骤之后，包括：

将所述三维微结构的cad几何模型存储在数据库中。

进一步地，所述沿预建立的三维结构的cad几何模型垂直于中心线的方向，对所述三维结构的cad几何模型进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片的步骤之后，包括：

将所述预设数量的三维微结构离散切片按预设顺序依次平行排列。

进一步地，其特征在于，所述电极板上包括至少两个微结构，所述利用所述电极板按照指定工艺对预设加工材料进行电加工，得到三维微结构的步骤，包括：

将平行于放料台的电极板上第一尺寸的微结构中心对准所述预设加工材料，按照第一指定工艺沿垂直于所述放料台的方向，对所述预设加工材料进行加工，在所述预设加工材料上得到第一尺寸的微结构；

控制电极板沿平行于所述放料台的方向平移指定位移，使电极板上第二尺寸的微结构中心对准所述预设加工材料，按照第二指定工艺沿垂直于所述放料台的方向对预设加工材料进行加工，在所述预设加工材料上得到第二尺寸的微结构，所述指定位移为第一尺寸的微结构中心与第二尺寸的微结构中心的距离；

依据所述第二尺寸的微结构的加工过程，控制电机平行于所述放料台的方向移动并使电极板上的所有微结构中心依次分别对准所述预设加工材料以对预设加工工艺进行加工，得到所述三维微结构。

进一步地，所述微结构阵列中的各相邻微结构的中心距相等。

进一步地，所述依据所述几何数据在指定参数的电极板上按预设顺序依次切割，得到电极板上的微结构阵列，所述微结构阵列上的微结构与所述预设数量的三维微结构离散切片一一对应的步骤，包括：

依据所述几何数据在指定参数的电极板上按预设顺序依次激光切割或线切割，得到电极板上的微结构阵列，所述微结构阵列上的微结构与所述预设数量的三维微结构离散切片一一对应。

进一步地，所述电极板包括铜板、钨板、钨铜板、石墨板、镍板、钼板或钢板。

进一步地，所述电极板的厚度尺寸范围包括：大于0.1且小于三维结构cad几何模型的尺寸。

进一步地，所述电极板的材料设置为钨铜合金，其厚度尺寸为0.2mm。

本发明的一种三维微结构的加工方法具有的有益效果为，通过对三维微结构的cad几何模型进行指定方向上的离散切片后得到的数据，直接在较厚金属板上切割出微结构阵列，并对预设加工材料进行电加工的方式，能够实现稳定的加工过程，将加工精度的因素转变成竖直方向上的运动精度，从而提高加工效率。

附图说明

图1是本发明一实施例中电极板微结构阵列及与之对应的离散切片模型示意图；

图2是本发明一实施例中三维微结构的cad几何模型示意图；

图3是本发明一实施例中三维微结构的离散切片几何模型示意图；

图4是本发明一实施例中三维微结构的加工示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-4所示，本发明提出了一种三维微结构的加工方法，包括步骤：

s1，沿预建立的三维结构的cad几何模型1垂直于中心线的方向，对三维结构的cad几何模型1进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片；

在本实施例中，通过在系统中调用预建立的三维结构的cad几何模型1，该三维结构的cad几何模型1为一个半球，半球的中心线垂直于半球截面，沿垂直于半球中心线的半球截面方向切割，得到指定数量的离散切片，该指定数量依据半球的几何参数而定，半球的几何参数越大，离散切片的数量越多，离散切片的厚度在0-2mm范围内。

s2，将预设数量的三维微结构离散切片转化为对应预设数量的几何数据；

在本实施例中，将半球沿垂直中心线方向对半球进行切片，得到不同尺寸的圆面，离散切片几何模型2的形状依据三维结构的cad几何模型1而定，其他实施例中的离散切片几何模型2可以是其他形状，三维结构的cad几何模型离散切片得到的每一个切片几何尺寸可以相同也可以不同。将三维结构的cad几何模型1得到的离散切片转化为相应的几何数据，该几何数据包含该三维结构的cad几何模型离散切片的几何尺寸和几何形状。

s3，依据几何数据在指定参数的电极板3上按预设顺序依次切割，得到电极板3上的微结构阵列，微结构阵列上的微结构与预设数量的三维微结构离散切片几何模型2一一对应；

在本实施例中，将该三维结构的cad几何模型1的离散切片按照切割的时间先后顺序或按照离散切片的几何形状大小排列，将三维结构的cad几何模型1的离散切片按照上述预设顺序依次排列，并按照上述预设顺序依次对电极板3进行切割，在电极板3上切割出与预设顺序相同的微结构阵列，该微结构与三维结构的cad几何模型1的离散切片几何模型3一一对应。

s4，利用电极板3按照预设工艺对预设加工材料进行电加工，得到三维微结构6。

在本实施例中，对半球三维结构进行cad几何模型1，在沿半球的中心线的垂直方向对半球进行切片，按照离散切片几何模型2对电极板3进行切割，切割出一系列尺寸逐渐减小的圆孔，将切割好的电极板3安装在加工设备上，按照指定工艺对预设加工材料进行电加工，该指定工艺是指沿竖直方向来回移动电极板，使电极板3的孔对准加工材料，该预设材料可更具不同的应力强度具体设计。

在本实施例中，沿预建立的三维结构的cad几何模型1垂直于中心线的方向，对三维结构的cad几何模型1进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片的步骤之前，包括：

s5，判断数据库中是否存有待加工的三维微结构的cad几何模型1；

s51，若数据库中存有待加工三维微结构的cad几何模型1，则调用三维微结构的cad几何模型1；

s52，若数据库中未存有待加工三维微结构的cad几何模型1，则按照三维微结构6的加工工艺参数建立三维微结构的cad几何模型1。

判断数据库中是否存有待加工的三维微结构的cad几何模型1，若数据库中已有待加工的三维微结构的cad几何模型1，则调用系统中的待加工的三维微结构的cad几何模型数据，利用该数据进行离散切片，在利用离散切片对电极板进行切割，最后在预设加工材料上加工出三维微结构6。

在本实施例中，若数据库中未存有待加工三维微结构的cad几何模型1，则按照三维微结构的加工工艺参数建立三维微结构的cad几何模型1的步骤之后，包括：

s521将三维微结构的cad几何模型1存储在数据库中。

若系统中不存在待加工的三维微结构的cad几何模型1，则按照三维微结构6的加工工艺参数建立三维微结构的cad几何模型1，并将该几何模型参数储存于系统数据库中。

在本实施例中，沿预建立的三维结构的cad几何模型1垂直于中心线的方向，对三维结构的cad几何模型进行离散切片，得到预设数量的三维微结构离散切片的步骤之后，包括：

s6，将预设数量的三维微结构离散切片按预设顺序依次平行排列。

该预设顺序是指按切片的时间先后顺序或值切片形状的大小顺序。

在本实施例中，电极板3上包括至少两个微结构，利用电极板3按照指定工艺对预设加工材料进行电加工，得到三维微结构6的步骤，包括：

s401，将平行于放料台的电极板3上第一尺寸微结构4中心对准预设加工材料，按照第一指定工艺沿垂直于放料台的方向，对预设加工材料进行加工，在预设加工材料上得到第一尺寸微结构4；

本实施例选用厚度为0.1mm的钨铜板3作为电极板的材料，使得电极板3具有了铜的导电性，又具有钨的高硬度、高熔点、抗粘附的特点，钨铜合金能够耐高温和耐电弧烧蚀，具有强度高和比重大的特点，具有较强的导电性和导热性，易于切削加工。在钨铜板3上切割出一系列的微结构阵列，每个微结构的中心距为4mm，使该电极板3上的第一尺寸微结构4中心对准加工材料，电极板上的其他的微结构悬空，通过第一尺寸微结构4对加工材料上下往返式的微细电火花加工，加工材料便会加工出对应于第一尺寸微结构4的几何形状。

s402，控制电极板3沿平行于放料台的方向平移指定位移，使电极板3上第二尺寸微结构5中心对准预设加工材料，按照第二指定工艺沿垂直于放料台的方向对预设加工材料进行加工，在预设加工材料上得到第二尺寸微结构5，指定位移为第一尺寸的微结构中心与第二尺寸微结构5中心的距离；

本实施例在相应加工材料中加工出对应第一尺寸的微结构4的几何形状后，运动平台前后移动0.1mm，左右移动4mm，从而使第二尺寸的微结构的加工位置与第一尺寸微结构4的加工痕迹对齐；

s403，依据第二尺寸微结构5的加工过程，控制电机平行于放料台的方向移动并使电极板3上的所有微结构中心依次分别对准预设加工材料以对预设加工工艺进行加工，得到三维微结构。

在本实施例通过该重复第二尺寸微结构5加工的过程，分别依次移动电极板3水平方向的位置，每次移动4mm，使各个尺寸微结构对准上一尺寸微结构加工的痕迹，通过电极板对加工材料进行上下往返式的微细电火花加工，最终这个具有微结构阵列的电极板3在加工材料上的加工痕迹便会拟合出三维微结构6。

在本实施例中，微结构阵列中的各相邻微结构的中心距相等。本实施例的微结构阵列中各相邻微结构的中心距均为4mm。

在本实施例中，依据几何数据在指定参数的电极板3上按预设顺序依次切割，得到电极板3上的微结构阵列，微结构阵列上的微结构与预设数量的三维微结构离散切片一一对应的步骤，包括：

s301，依据几何数据在指定参数的电极板3上按预设顺序依次激光切割或线切割，得到电极板3上的微结构阵列，微结构阵列上的微结构与预设数量的三维微结构离散切片一一对应。

本实施例中的电极板3设置为0.1mm的钨铜板，离散结构在加工材料上的加工痕迹会拟合出三维微结构成品。

在本实施例中，电极板3包括铜板、钨板、钨铜板、石墨板、镍板、钼板或钢板。

本实施例使用的金属板铜板、钨板、镍板、钼板或钢板具有较强的导电性能，钨铜板既有铜的导电性，又具有钨的高硬度、高熔点、抗粘附的特点，钨铜合金能够耐高温和耐电弧烧蚀，具有强度高和比重大的特点，具有较强的导电性和导热性，易于切削加工，石墨板重量轻，比重是铜板的1/5，适用尺寸较大的电极板，其机加工性能好，耐高温，膨胀系数低，不易受热变形，加工速度快。

在本实施例中，电极板3的厚度尺寸范围包括：大于0.1mm且小于三维结构cad几何模型1的尺寸。

在本实施例中，电极板3的材料设置为钨铜合金，其厚度尺寸为0.2mm。

如图2所示，通过三维计算机辅助设计cad软件系统，对需要加工材料的半球建立cad几何模型1；

如图3所示，沿半球cad几何模型1平行于半球切面的方向进行离散切片，得到半球结构的离散切片几何模型2，半球切片后得到的每一层几何形状为圆形；通过在平行于半球切面的平面上对半球进行离散切片，能够直接获得半球cad几何模型1的切片几何参数，快速的将每一片切片的数据传输到切割系统，使切割系统在一块厚度相当的金属板1上准确的切割出半球的微结构阵列。能够有效的缩短加工的时间，并打下稳定加工的基础。

如图1所示，通过快速成形软件获得半球每一层离散切片的几何形状和加工数据；

如图4所示，由切割系统按照每一层离散切片的几何形状和加工数据，在一块厚度为1.22mm的钨铜板3上逐个切割出相对应的圆，该切割出的圆形与半球每一层的离散切片圆得尺寸完全相同，每个微结构园形的中心距相同，去除废料后得到一组微结构阵列，选用钨铜板3作为电极板的材料，使得电极板具有了铜的导电性，又具有钨的高硬度、高熔点、抗粘附的特点，钨铜合金能够耐高温和耐电弧烧蚀，具有强度高和比重大的特点，具有较强的导电性和导热性，易于切削加工。

第一尺寸微结构4对准加工材料进行电加工，其他微结构悬空；通过第一尺寸微结构4在竖直方向上下往返式的电加工，加工材料上便会加工出对应第一尺寸微结构4的微结构；

当第一尺寸微结构4加工完毕后，运动平台前后移动一个微结构中心距，移动一个放电加工厚度，从而使第二尺寸微结构5加工位置和第一尺寸微结构4的加工痕迹对齐；

再在第一尺寸微结构4的加工痕迹对齐的位置上，第二尺寸微结构5进行上下往返式的微结构电加工，加工材料上同样会加工出对应于第二尺寸微结构5的微结构；

通过重复上述的步骤，完成微结构阵列对加工材料进行电加工，最终这组微结构阵列在加工材料上的加工痕迹便会拟合出三维微结构6的成品；

以往的制备精度取决于电极板3的厚度，电极板3的厚度越薄，拟合逼近精度越高。与其相比，本发明的精度不受电极板3厚度的影响，并且电极板3厚度越厚，刚性越好，三维微结构加工过程越稳定，并将加工精度的影响因素转变为运动精度，上下方向的运动精度越高，三维微结构的加工精度越高。因此，本工艺方法可以有效提高三维微结构的加工精度。

本发明的一种显示运动轨迹的方法及其装置，通过对三维微结构的cad几何模型1进行指定方向上的离散切片后得到的数据，直接在较厚电极板3上切割出微结构阵列，并对预设加工材料进行电加工的方式，能够实现稳定的加工过程，将加工精度的因素转变成竖直方向上的运动精度，从而提高加工效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。