CN101269440A - 一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光微加工领域和微体积成形领域，特指一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，其适用于金属坯料的微体积成形，其成形方法以激光诱导的冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，激光发生器按要求产生的激光脉冲通过外光路系统，透过透明约束层辐照在飞片表面层上，产生高温高压等离子体并形成冲击波，利用冲击波的超高压驱动飞片及与之相连的微塑性成形系统，对微工件施加压力，完成对工件的微体积成形。实施该方法的装置包括激光发生器、外光路系统、诱导冲击波发生系统、微塑性成形系统、控制系统和工作台六部分。本发明能实现任意复杂形状微器件的微体积成形，且可多次重复冲击加载，重复性好，易实现自动化生产。
Description
技术领域
本发明涉及激光微加工领域和微体积成形领域，特指一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，能够精确复制微模具上的微细特征到微工件上，其适用于微器件的微体积精密成形，特别适用于微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微体积成形，适合微器件的低成本批量化生产。
发明背景
微型化是得到有竞争力和多功能工程系统的重要途径，随着现代科学技术的发展和微零件、微器件需求量的不断增加，微型化成了当代科技发展的一个重要方向，微型化产品广泛应用在自动化、医疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域，有着广阔的发展前景。随着微机电系统从基础研究阶段逐步跨入研制开发和实用阶段，对微机电系统器件的加工工艺、加工质量、成本和批量等提出了新的要求，其最终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。
现有成形微构件的微机械加工技术，是利用在集成电路工业中发展起来的材料和加工技术在硅和其他相关材料表面上加工微小结构的技术，主要依赖于LIGA、光刻、硅微加工和化学蚀刻等MEMS技术，无法满足三维复杂形状微器件的加工，也限制了加工材料的多样性。另外，由于微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的可重复性差，不适合微型器件的批量生产。利用微细电火花加工、微切削加工、激光微加工、超声波微加工方法成形微构件的微细加工技术具有各自的加工适用范围和限制，例如微细电火花加工的前期准备工序复杂、加工材料有限制，加工效率低，微切削加工能加工的微零件精度和尺寸受限，激光微加工和超声波微加工方法在加工某些具有复杂型面的微零件时无法安置辅助设备，例如激光微加工中用于导光的光学元器件和超声波微加工中声极的安置问题，激光微加工中无法设计光路到达所需的特定加工区域。近年来，微成形技术这个新兴的研究领域发展较快，可成形各种复杂形状的微小零件，微塑性成形是指利用材料的塑性变形来生产至少在两位方向上尺寸处于毫米及以下微型产品的成形技术。在微塑性成形领域中，诸如微锻、微挤压、微压铸等微体积成形技术成为微成形技术的一个重要分支，微体积成形通过微模具能够精确地将微模具上的微细特征复制到微工件上，属于近净成形，而且所成形的微器件强度高、表面质量好、尺寸精度高、工艺简单易控，特别适用于微零件、微器件的低成本批量制造。
微体积成形并非传统塑性成形工艺的简单微型化，微型化带来的尺寸效应对微体积成形工艺和模具结构设计等方面都有影响。目前，对国内外在微体积成形方面的研究主要集中在微成形新材料开发、成形过程、微模具加工技术和高精度微成形设备的研究上。A.Inoue开展了微挤成形新材料的研究(Metal.Trans，JIM 30.1989，(12)：965-970)，M.Geiger(Annals ofthe CIRP.2001，50(2)：445-462)对微器件的冷锻工艺进行了研究，U.Engel等人成功采用温微锻成形了难加工材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and NanoTechnology.2003，69-72)，日本Gunma大学的Y.Saotome(J.Mater.Process.Tech.2000，119：307-311)设计和制造了具有一定实用意义的反挤压微成形机械系统，并应用微挤出成形技术制造出了模数为10μm的微齿轮(Microsystem Technologies.2000，126-129)，国内学者也对超塑性微成形系统及工艺(锻压技术.2005，3：56-59)进行了研究。经检索国内外已有为数不多的关于微体积成形的专利技术报道，美国密苏里大学Rajiv S.Mishra申请专利：SuperplasticForming of Micro Components(微器件的超塑性成形方法)，批准号为US6655575，其原理是采用摩擦生热的方法将加工材料加热到超塑性温度范围，与此同时完成微成形过程。日本Tsuyoshi Masumoto申请专利：Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形。目前报导的关于微体积成形的研究和专利是针对常规加载模式和塑性变形方式，对于超高应变率(≥106以上)状态下的动态高压加载模式和塑性变形理论并未涉及，利用爆炸成形也能获得高应变率，但是工艺参数难以控制，安全性较差，而且应变率也无法超过106。另外，针对难成形材料，微体积成形是通过加热方式来达到降低微塑性成形力的目的，而利用超高应变率状态下的瞬时超高动态加载进行的微塑性成形，成形压力可达几GPa，可以成形任何难成形材料。
另一方面，自20世纪60年代激光技术问世以来，激光加工技术发展迅速，利用激光技术对材料进行改性和成形是激光最主要的工业应用之一。国内外已有较多的基于激光冲击的成形和材料改性的专利技术报道，如中国专利01134063.0、200510094159.5、02138336.7、200610039505.4、200610096475.0，美国专利US334612、US3850698、US4401477、US6554921、US6747240和日本专利JP-A-58120716、JP 2006-320907等，但是都是围绕如何利用激光冲击成形提高金属材料的残余压应力的方法和装置，以及基于激光冲击的宏观成形方法，如冲孔、弯曲、快速成形模具、压制、去毛刺等成形方法，并未涉及超高应变率状态下的动态高压微塑性成形领域。
发明内容：
本发明的目的是提供一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置。
本发明所提供的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于以激光诱导的冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，激光发生器按成形要求产生的激光脉冲通过外光路系统，透过约束层辐照在飞片层上，使光能转变为冲击波机械能，即飞片层吸收激光的能量后汽化、电离、形成产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸形成冲击波，利用冲击波的超高压驱动飞片及与之相连的微塑性成形系统，使微凸模和凹模相对运动，对微工件施加压力，冲击波压力峰值超过工件材料的动态屈服强度，促使微小工件发生塑性成形，完成对工件的微体积成形，获得与模具形状相匹配的微器件。
上述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于将激光诱导的冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，根据材料所需成形力的大小选择是否需要能量吸收层，如果激光透过约束层直接辐照在飞片层上所形成的冲击波提供的成形力满足成形要求，则直接进行激光冲击完成微塑性成形；否则在飞片层表面涂覆能量吸收层，对飞片层表面进行“黑化处理”，增加飞片材料对激光能量的吸收率，达到所需的成形力。常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和涂覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)，其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80～90％，厚度仅为5微米。
上述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于根据微器件成形载荷的大小和微成形工序要求不同采用单次或多次冲击加载，实现多步微塑性成形；也可以有选择性地利用分光镜对飞片进行多区域同时冲击。
本发明所提供的一种微器件的激光冲击微体积成形装置，包括激光发生器、外光路系统、诱导冲击波发生系统、微塑性成形系统、工作台和控制系统六部分。激光发生器位于该装置外侧合适位置，发出的激光束经外光路系统到达诱导冲击波发生系统。外光路系统按光路传播方向依次由全反镜I、全反镜II、全反镜III、聚焦装置和与聚焦装置相连的五位调节架组成，五位调节架可以调整聚焦装置，对激光光斑尺寸进行调节，也可以调整聚焦装置与飞片之间的距离。诱导冲击波发生系统位于外光路系统的聚焦装置下方，由上至下依次为约束层、能量吸收层和飞片层，吸收层涂覆装置位于能量吸收层右侧与吸收层涂覆控制器相连，传感器和约束层涂覆装置位于约束层左侧，分别与厚度检测仪和约束层涂覆控制器相连，其中飞片层、能量吸收层、约束层是依次叠加，传感器结合厚度检测仪用来检测涂层厚度是否符合预定值；诱导冲击波发生系统也可以由约束层、能量吸收层、飞片层，吸收层涂覆装置和传感器组成；或者由约束层和飞片层组成，用硅油将两者粘附在一起。微塑性成形系统位于诱导冲击波发生系统正下方，由上至下依次为上模座、垫板、凸模固定圈、凸模、凹模和下模座，工件位于凹模内部，顶杆位于下模座中心孔内，微成形件取件装置位于凸模右侧与计算机连，导向机构位于上模座和下模座之间并与它们相连；其中复杂形状凸模和凹模可以根据微体积成形件的性能和功能要求，利用LIGA、刻蚀或者其他微机械加工手段直接加工出来，如果所制造的凸模和凹模具有周期重复阵列结构形式，则一次微成形过程即可成形多个微器件。工作台位于该装置的底部，与上面的微塑性成形系统相连和计算机相连。成形装置的控制系统位于该装置的两侧，包括计算机、吸收层涂覆控制器、飞片定位控制器、厚度检测仪、约束层定位控制器和约束层涂覆控制器，其中吸收层涂覆控制器、飞片定位控制器、厚度检测仪、约束层定位控制器和约束层涂覆控制器的一端分别与吸收层涂覆装置、飞片层、传感器、约束层和约束层涂覆装置相连，另一端与计算机相连，控制着约束层装置、吸收层涂覆装置、飞片层、工作台和微成形件取件装置的动作、运算和定位，控制系统能够按照成形工艺分别作出对应的控制指令和运算。整个微塑性成形过程由计算机来控制，保证了成形件的质量和精度。
本发明采用的技术方案：
本发明所提出的微体积成形技术，不同于原来常规的微成形加载模式和成形方式，针对不同的工件材料和微成形力，可以选择参数对冲击过程和微成形过程进行控制，能够有效地对金属材料、非晶体材料、超塑性材料及复合材料等多种材料进行微挤压、微锻压、微压制等多种微体积成形，容易实现微器件的微塑性成形，而且适于自动化批量生产。由于飞片材料的激光吸收有效系数较低，为了增加飞片材料对激光能量的吸收率，本发明所涉及的微成形方法先用喷溅法在飞片层表面涂覆一定厚度的能量吸收层，然后激光发生器按成形要求产生的激光脉冲经外光路系统，透过约束层辐照在能量吸收层上，吸收层吸收激光的能量后汽化、电离、形成产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后爆炸形成冲击波，利用冲击波的超高压驱动飞片及与之相连的微塑性成形系统，以此对微工件施加高压，完成对工件的微体积成形，获得与模具形状相匹配的微器件。能量吸收层可以选用黑漆、磷酸盐、胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等激光能量吸收率高的材料，约束层可以是K9玻璃、水、有机硅凝胶或其他透明材料。约束层也可以采用喷涂法获取，利用约束层涂覆装置在飞片表面喷涂一定厚度的约束层材料，并对约束层厚度进行检测，利用激光诱导的冲击波完成对微工件的体积成形。如果微成形过程中需要涂覆能量吸收层，首先利用能量吸收层涂覆装置在飞片表面，并对能量吸收层厚度进行检测，吹干后利用约束层涂覆装置在飞片表面喷涂约束层材料，并对约束层厚度进行检测，最后利用激光诱导的冲击波完成对微工件的体积成形。因为利用激光很容易实现冲击加载，所以本发明可以根据微器件成形载荷的大小和微成形工序要求不同采用单次或多次冲击加载，实现多步微塑性成形。
本发明具有如下技术优势：
1.由于采用激光冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，具有超高压、超高应变率和加载时间极短的特点，微器件的微成形效率和精度高，能实现常温下的微塑性成形，而且加工环境安全、清洁。
2.可成形的材料和可加工的微器件尺寸具有较大的调节范围，适应性强，具有较大的加工柔性，常规的金属材料、非晶体材料、超塑性材料及复合材料、难加工的材料和粉料都可以进行微成形。
3.加工的微器件的形状复杂程度不受限，只要能够制造出对应的模具，就能够将微模具上的微细特征精确复制到微工件上。
4.利用激光诱导冲击波进行微体积成形的方法简单实用，工艺简单，应用范围广，只要改变凸凹模结构即可成形各种复杂三维微器件，为其他微塑性成形提供了指导。
5.激光发出的光能能够转换为微体积成形所需要的成形力，而且激光发聚焦性和区域选择性好，加工区域可以控制在微小区域，非常适合微尺度下的微成形工艺。激光的能量利用率高，能够减小对周边区域的影响。
6.因为激光参数精确可控，所以成形的可持续性和可重复性都能够保证，易实现自动化生产。
7.微体积成形件的加工质量和精度均有提高，可以直接在MEMS中使用，省去后续加工工序。
8.本发明在光路设计和成形系统中均采用了调节装置，微成形系统中还采用了特殊微器件取件装置，能快速实现成形系统的定位、成形和取件，而且都能够与控制系统连接，实现程序自动控制。
附图说明：
图1是微器件的激光冲击微体积成形装置简图。
图2是微器件的激光冲击微体积成形工艺流程图。
图3是激光冲击波加载波形及峰值压力示意图(Wenwu Zhang.Journal of ManufacturingScience and Engineering.2002，124：369～378)。
图4是根据本发明提出的微体积激光冲击波成形原理示意图。
图5是具有周期重复阵列结构形式的凸模和凹模示意图。
图6是采用激光冲击微体积成形的分光系统示意图。
(1)激光发生器 (2)全反镜I (3)全反镜II (4)全反镜III (5)聚焦装置 (6)五位调节架 (7)约束层 (8)能量吸收层 (9)飞片层 (10)吸收层涂覆装置 (11)约束层定位控制器 (12)吸收层涂覆控制器 (13)飞片定位控制器 (14)上模座 (15)垫板 (16)计算机 (17)凸模固定圈 (18)微成形件取件装置 (19)凸模 (20)凹模 (21)工件 (22)工作台 (23)顶杆 (24)下模座 (25)导向机构 (26)厚度检测仪 (27)约束层涂覆控制器 (28)约束层涂覆装置 (29)传感器 (30)等离子体 (31)激光束 (32)成形方向 (33)成形压力 (34)具有周期重复阵列结构形式的凸模 (35)重复结构形式的凹模型腔阵列 (36)具有周期重复阵列结构形式的凹模 (37)重复结构形式的凸模阵列 (38)分光系统 (39)聚焦装置
具体实施方式：
下面结合图1详细说明本发明提出装置的具体细节和工作情况。
整个微器件的激光冲击微体积成形装置包括激光发生器1、外光路系统、诱导冲击波发生系统、微塑性成形系统、控制系统和工作台22六部分。激光发生器1连接外光路系统进入诱导冲击波发生系统，诱导冲击波发生系统产生的冲击波压力促使微塑性成形系统动作，完成微体积成形，控制系统控制诱导冲击波发生系统、微塑性成形系统和工作台22等机构的动作、定位和运算。
结合图1，外光路系统依次由全反镜I2、全反镜II3、全反镜III4、聚焦装置5和五位调节架6组成，五位调节架6可以调整聚焦装置5的位置达到调节光斑大小的目的。
结合图1，诱导冲击波发生系统根据具体实现方案分为以下几种情况：飞片材料的激光吸收有效系数较大而且直接使用约束层7，则诱导冲击波发生系统包括约束层7和飞片层9，用硅油将约束层7紧紧粘附在飞片层9之上；飞片材料的激光吸收有效系数较小而且直接使用约束层7，则诱导冲击波发生系统包括约束层7、能量吸收层8、飞片层9，吸收层涂覆装置10和传感器29；飞片材料的激光吸收有效系数较小而且采用涂覆约束层7时，则诱导冲击波发生系统包括约束层7、能量吸收层8、飞片层9，吸收层涂覆装置10、约束层涂覆装置28和传感器29；飞片材料的激光吸收有效系数较大而且采用涂覆约束层7时，则诱导冲击波发生系统包括包括约束层7、飞片层9、约束层涂覆装置28和传感器29。
结合图1，微塑性成形系统包括上模座14、垫板15、凸模固定圈17、微成形件取件装置18、凸模19、凹模20、工件21、顶杆23、下模座24和导向机构25，其中凸模19和凹模20可以根据需要更换为特定的模具。
结合图1，装置中的控制系统主要包括计算机16、吸收层涂覆控制器12、飞片定位控制器13、厚度检测仪26和约束层涂覆控制器27，计算机16根据不同的微体积成形方式进行定位、运算、检测和运动等操作。
结合图1，工作台22主要用于安置整个微成形系统，并且工作台受控制系统的控制，能实现精确定位和对准。
如图2所示，基于激光冲击波进行微器件微体积成形的工艺过程分两种情况，分别为：
1.有能量吸收层情况：先利用工作台22完成微成形系统的对中和定位；然后采用特定的夹持装置将工件21安置在凹模20中；利用飞片定位控制器13控制飞片层9在微成形系统中的安置和定位；利用吸收层涂覆装置10在飞片层9表面涂覆能量吸收层8；吹干后利用厚度检测仪26测量其厚度；如果没有达到所设计的涂层厚度则重新进行涂覆，循环直至达到设计的厚度为止；涂粘结剂(可以是矿物油或者硅油等)，主要是起连接约束层7和能量吸收层8的作用；利用约束层定位控制器11控制约束层7和飞片层9的相对位置，约束层7也可以采用约束层涂覆装置28在粘结剂表面涂覆能量吸收层8，利用厚度检测仪26测量其厚度，如果没有达到所设计的涂层厚度则重新进行涂覆；选用适当的激光参数(光斑尺寸、脉冲宽度、激光能量、光束模式)产生冲击波；飞片驱动微成形系统中成形微模具的动作，完成对工件21的微体积成形；进行一些必要的后处理，例如采用微成形件取件装置18取出微成形件，并传输到收集装置，以保证微成形件的精度。
2.无能量吸收层情况：先利用工作台22完成微成形系统的对中和定位；然后采用特定的夹持装置将工件21安置在凹模20中；利用飞片定位控制器13控制飞片层9在微成形系统中的安置和定位；利用约束层定位控制器11控制约束层7和飞片层9的相对位置，选用适当的激光参数产生冲击波；飞片驱动微成形系统中成形微模具的动作，完成对工件21的微体积成形；进行一些必要的后处理，以保证微成形件的精度。
如图3所示为激光冲击波加载波形及峰值压力示意图(激光功率密度I为6GW/cm-2，脉冲时间为50ns，相互作用系数为0.2，温度为300K)，根据应力波波形图能够计算出最大冲击压力，从而得到微成形力的估计值，有利于微体积成形工艺的设计和顺利进行。
如图4所示，激光发生器1经外光路系统输出的激光束31作用在和约束层7相粘附的飞片层9上，飞片层9吸收激光的光能后，迅速汽化、电离形成等离子体30，等离子体30继续吸收激光能量，发生爆炸，形成向飞片层9内部传播的冲击波，产生的超高峰值压力33驱动飞片层9，飞片层9又带动与之相连的微塑性成形系统完成对工件的微体积成形。如果有能量吸收层，则如图4所示，激光发生器1经外光路系统输出的激光束31作用在和约束层7相粘附的能量吸收层8上，能量吸收层8吸收激光的光能后，迅速汽化、电离形成等离子体30，等离子体30继续吸收激光能量，发生爆炸，形成向飞片层9内部传播的冲击波，产生的超高峰值压力33驱动与之相连的微塑性成形系统完成对工件的微体积成形。
如图5所示，针对两个或者两个以上的多个微小器件的同时成形问题，可以将单凸模19和单型腔凹模20分别更换为具有周期重复阵列结构形式的凸模34和凹模36，凸模34上分布有重复结构形式的凸模阵列37，凹模36上分布有重复结构形式的凹模型腔阵列35，利用激光诱导的冲击波完成多个微小器件的同时成形。
如图6所示，为了在整个飞片层9表面得到均匀的激光诱导应力，激光发生器1输出的激光束经全反镜I2、全反镜II3、分光系统38后分为多道激光束，其中之一通过聚焦装置5作用在飞片层9上，另外的激光束经全反镜III4和聚焦装置39和作用在飞片层9上，飞片层9吸收激光的光能后，迅速汽化、电离形成等离子体并形成冲击波，产生的超高峰值压力驱动与之相连的微塑性成形系统完成对工件的微体积成形。
具体实施方式一：
结合图1、图2和图4，微器件的激光冲击微体积成形方法如下：
根据需要微成形的微器件的形状、尺寸和精度设计加工凸模19和凹模20，先在上模座14内安装好垫板15，再将凸模34利用凸模固定圈17安置在上模座14内，将凹模20安置在下模座24上，下模座24安置在工作台22上，导向机构分别和上模座14、下模座24相连；利用计算机16控制工作台22的X、Y和Z向的移动，调整微塑性成形系统中凸模19和凹模20的相对位置以及凸模19和凹模20的对中情况，如果凸模19和凹模20在经过一段时间的成形后由于模具的磨损，需要重新对中和定位，此时可以通过控制工作台22的移动或者调整垫板15的高度，进行重新定位和对中；采用特定的夹持装置将工件安置在凹模20中；计算机16通过飞片定位控制器13控制飞片层9在微塑性成形系统中的定位和安置；然后利用吸收层涂覆装置12在飞片层9的表面涂覆能量吸收层8，吹干后利用传感器29和厚度检测仪26用于检测涂层8的厚度是否符合预定值，如果没有达到所设计的涂层厚度则重新进行涂覆，循环直至达到设计的厚度为止，计算机16通过吸收层涂覆控制器12控制吸收层8的涂覆均匀性和厚度；涂矿物油或者硅油等粘结剂在吸收层表面，主要是起连接约束层7和吸收层8的作用；计算机16通过约束层定位控制器11控制约束层7和飞片层9的相对位置，约束层7也可以采用约束层涂覆装置10在粘结剂表面涂覆能量吸收层8，利用厚度测试仪26测量其厚度，如果没有达到所设计的涂层10厚度则重新进行涂覆，计算机16通过约束层涂覆控制器27控制约束层7的涂覆均匀性和厚度；选用优化好的激光工艺参数(光斑尺寸、脉冲宽度、激光能量、光束模式)，由激光发生器1经全反镜I2、全反镜II3、全反镜III4和聚焦装置5输出的激光束31，经过约束层7作用在和约束层7相粘附的飞片层9或者能量吸收层8上，飞片层9或者吸收层8吸收激光的光能后，迅速汽化、电离形成等离子体30，等离子体30继续吸收激光能量，发生爆炸，形成向飞片层9内部传播的冲击波，产生的超高峰值压力33驱动飞片层9，飞片层9又带动与之相连的上模座14，上模座14驱动安装在垫板15和凸模固定圈17内的凸模19，沿着导向机构25向凹模20内的工件21进行微体积成形，将微模具19和20上的微细特征精确复制到微工件21上，其中五位调节架6调整聚焦装置5和诱导冲击波发生系统之间的距离；微成形结束后，由顶杆23顶出由工件21成形好的微器件，并采用微成形件取件装置18取出微成形件，微成形件取件装置18由计算机16控制其动作，然后传输到收集装置，以保证微成形件的精度。
具体实施方式二：
结合图1、图2、图4、图5和图6，微器件的激光冲击微体积成形方法如下：
根据需要微成形的微器件的形状、尺寸和精度设计加工出具有周期重复阵列结构形式的凸模34和凹模36，凸模34上分布有重复结构形式的凸模阵列37，凹模36上分布有重复结构形式的凹模型腔阵列35，按照实施方式一安装好微成形系统；利用计算机16控制工作台22X、Y和Z向的移动，调整微塑性成形系统中凸模34和凹模36的相对位置以及凸模34和凹模36的对中情况，如果凸模34和凹模36在经过一段时间的成形后由于模具的磨损，需要重新对中和定位，此时可以通过控制工作台22的移动或者调整垫板15的高度，进行重新定位和对中；采用特定的夹持装置将工件安置在凹模36中；计算机16通过飞片定位控制器13控制飞片层9在微塑性成形系统中的定位和安置；然后利用吸收层涂覆装置12在飞片层9的表面涂覆能量吸收层8，吹干后利用传感器29和厚度检测仪26用于检测涂层8的厚度是否符合预定值，如果没有达到所设计的涂层厚度则重新进行涂覆，循环直至达到设计的厚度为止，计算机16通过吸收层涂覆控制器12控制吸收层8的涂覆均匀性和厚度；涂矿物油或者硅油等粘结剂在吸收层表面，主要是起连接约束层7和吸收层8的作用；计算机16通过约束层定位控制器11控制约束层7和飞片层9的相对位置，约束层7也可以采用约束层涂覆装置10在粘结剂表面涂覆能量吸收层8，利用厚度测试仪26测量其厚度，如果没有达到所设计的涂层10厚度则重新进行涂覆，计算机16通过约束层涂覆控制器27控制约束层7的涂覆均匀性和厚度；选用优化好的激光工艺参数，由激光发生器1输出的激光束经全反镜I2、全反镜II3、分光系统38后分为多道激光束，其中之一通过聚焦装置5作用在飞片层9上或者能量吸收层8上，另外的激光束经全反镜III4和聚焦装置39和作用在飞片层9上，飞片层9或者能量吸收层8吸收激光的光能后，迅速汽化、电离形成等离子体30，等离子体30继续吸收激光能量，发生爆炸，形成向飞片层9内部传播的冲击波，产生的超高峰值压力33驱动飞片层9，飞片层9又带动与之相连的上模座14，上模座14驱动安装在垫板15和凸模固定圈17内的凸模34，沿着导向机构25向凹模36内的工件21进行微体积成形，将微模具34和36上的重复微细结构特征阵列凸模37和凹模型腔阵列35精确复制到微工件21上；微成形结束后，由顶杆23顶出由工件21成形好的微器件，并采用微成形件取件装置18取出微成形件，微成形件取件装置18由计算机16控制其动作，然后传输到收集装置，以保证微成形件的精度。
其实通过改变微模具的形状，可以实现多种微体积成形，另外控制方式和冲击形式的变化都可能实现不同的成形方式，这里仅以微挤压为例进行阐述。
综上所述，本发明所涉及的一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，将激光冲击加载和塑性成形技术应用到微器件的微体积成形工艺，能够实现微成形中的动态超高压加载，解决了常规微加工方法难以成形三维复杂器件以及难成形材料难以成形的问题，也解决了低成本和大批量生产微器件的问题，可以对本发明变形或者修改，以此借用到其他微体积成形方法中去。本发明的系统设计合理、安全可靠，工艺简单，一致性好，而且适于批量生产。
Claims (10)
1.一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：以激光诱导的冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，激光发生器按成形要求产生的激光脉冲通过外光路系统，透过约束层辐照在飞片层上，使光能转变为冲击波机械能，利用冲击波的超高压驱动飞片及与之相连的微塑性成形系统，使微凸模和凹模相对运动，对微工件施加压力，冲击波压力峰值超过工件材料的动态屈服强度，促使微小工件发生塑性成形，完成对工件的微体积成形，获得与模具形状相匹配的微器件。
2.根据权利要求1所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：根据材料所需成形力的大小选择是否需要能量吸收层，如果激光透过约束层直接辐照在飞片层上所形成的冲击波提供的成形力满足成形要求，则直接进行激光冲击完成微塑性成形；否则在飞片层表面涂覆能量吸收层，对飞片层表面进行黑化处理，增加飞片材料对激光能量的吸收率，得到所需的成形力，能量吸收层为黑漆、磷酸盐、胶体石墨、含炭黑和硅酸钠的涂料或含炭黑和硅酸钾的涂料。
3.根据权利要求1所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：约束层为K9玻璃、水或有机硅凝胶。
4、根据权利要求1所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：复杂形状的凸模和凹模采用LIGA、或刻蚀微加工手段制造；如需一次成形多个微器件，凸模和凹模加工成周期重复结构形式。
5、根据权利要求1所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：根据微器件成形载荷的大小和微成形工序要求不同采用单次或多次冲击加载，实现多步微塑性成形；也可以有选择性地利用分光镜对飞片进行多区域同时冲击。
6、根据权利要求2所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：黑化处理方法为磷化法、碳素法或涂覆红外能量吸收材料。
7、根据权利要求6所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法，其特征在于：黑化处理方法为磷化法。
8、实现权利要求1所述的一种微器件的激光冲击微体积成形方法的装置，包括激光发生器(1)、外光路系统、诱导冲击波发生系统、微塑性成形系统、工作台和控制系统六部分，其特征在于：激光发生器(1)发出的激光束经外光路系统到达诱导冲击波发生系统，诱导冲击波发生系统位于外光路系统下方，由上至下依次为约束层(7)和飞片层(9)，传感器(29)和约束层涂覆装置(28)位于约束层(7)左侧，分别与厚度检测仪(26)和约束层涂覆控制器(27)相连；微塑性成形系统位于诱导冲击波发生系统正下方，由上至下依次为上模座(14)、垫板(15)、凸模固定圈(17)、凸模(19)、凹模(20)和下模座(24)，工件(21)位于凹模(19)内部，顶杆(23)位于下模座(24)中心孔内，微成形件取件装置(18)位于凸模(19)右侧与计算机(16)相连，导向机构(25)位于上模座(14)和下模座(24)之间并与它们相连；工作台(22)位于该装置的底部，与上面的微塑性成形系统相连和计算机(16)相连；控制系统位于该装置的两侧，包括计算机(16)、吸收层涂覆控制器(12)、飞片定位控制器(13)、厚度检测仪(26)、约束层定位控制器(11)和约束层涂覆控制器(27)，其中吸收层涂覆控制器(12)、飞片定位控制器(13)、厚度检测仪(26)、约束层定位控制器(11)和约束层涂覆控制器(27)的一端分别与吸收层涂覆装置(10)、飞片层(9)、传感器(29)、约束层(7)和约束层涂覆装置(28)相连，另一端与计算机(16)相连。
9、根据权利要求8所述的一种实现微器件的激光冲击微体积成形方法的装置，其特征在于：设有能量吸收层(8)，吸收层涂覆装置(10)，能量吸收层(8)位于约束层(7)和飞片层(9)中间，吸收层涂覆装置(10)位于能量吸收层(8)右侧并与吸收层涂覆控制器(12)相连。
10.根据权利要求8所述的一种实现微器件的激光冲击微体积成形方法的装置，其特征在于：外光路系统由全反镜I(2)、全反镜II(3)、全反镜III(4)、聚焦装置(5)和五位调节架(6)组成，沿激光光束的前进方向依次为全反镜I(2)、全反镜II(3)、全反镜III(4)、聚焦装置(5)，五位调节架(6)位于聚焦装置(5)的旁边。
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110914 Termination date: 20140403 |