CN101344723B - 微细光固化厚膜逐层自动成型方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微细光固化厚膜逐层自动成型方法及装置，属于微细光(快速)成型加工领域。该装置包括两个便于计算机集成控制的精密直线运动平台和整体式双开口树脂槽及成型槽以及刮刀及其位置控制器。垂直精密直线运动平台的滑块通过连杆与上挤压滑塞和滑动载物台固定连接，水平精密直线运动平台的滑块横梁上安装一个高线性度刮刀；整体式双开口树脂槽及成型槽为一个具有2个开口的内部连通液态树脂槽和一个相对独立的圆形开口成型槽，刮刀是一个具有疏水性好，高线性度的直线形刀口，其左右两端位置控制器设置在集成箱式平台，所有部件安装在一基础平台上，其所有驱动和控制线路均连接至一个计算机控制的控制箱中。本发明具有结构紧凑，能获得高精度、厚度均匀的液态树脂厚膜，基于计算机控制技术实现液态树脂的逐层自动添加和成型，并与“微细光成型”系统软件实现链接，具有高度的自动化、集成化，可操作性好。
Description
技术领域：
本发明属于微细光成型技术领域，特别是涉及用于微细加工的液态树脂逐层添加自动形成厚膜的方法及装置。
背景技术：
据日本日刊工业新闻社1990出版的《光造形法》一书第78-83页介绍，立体光刻成型(Stereo Lithography)(又称之为快速成型)技术是20世纪80年代初开发出来的集CAD/CAM技术、激光应用技术和高分子功能材料科学于一体，能够快速地制造任意复杂的三维的一种新技术。该书在对相关技术介绍中，给出了一种“自由液面法”的原理，其是通过放置在液体树脂中的载物台下沉，利用液态树脂自然流动来逐层获得一定厚度待固化液体层；同时给出了一种“规制液面法”的原理，其是通过一个平板形窗口与载物台形成一定厚度空间，将液态树脂注入其间来逐层获得一定厚度待固化液体层；但是，“自由液面法”由于液态树脂表面张力的存在，不能快速地获得数十微米的液体薄层；“规制液面法”由于在光固化后与平板窗口的粘结问题，而难以实际应用。同时，未见对该技术是否可应用于微细加工领域的介绍。
据中国《粉末冶金技术》(Vol.15，No.4，1997，p289-294)和《硅酸盐学报》(Vol.29，No.5，2001，p466—470)以及《宇航材料工艺》(2006年第1期，p16—20)介绍，针对粉末胶态的陶瓷材料，其薄膜和厚膜成型工艺成形已有多种方法。但是有关的方法不能应用于“液态树脂”的逐层成型，未见探讨在“微细光成型”技术中应用的可能性。
据中国《电子工艺技术》(Vol.22，No.3，2001年5月，p113—115)和《电子工业专用设备》(Vol.31，No.1，2002年3月，p48—50)介绍，利用丝网印刷方法形成厚膜印刷方法制作厚膜集成电路、厚膜电阻、电容器等电路元件。但是有关的工艺方法不能应用进行多层光扫描固化所需的“液态树脂”的逐层成型，未见探讨其在“微细光成型”技术中应用的可能性。
据《PMNT铁电薄/厚膜及其MEMS致冷器制备工艺的研究》(中国科学院研究生院电工研究所博士学位论文，2006年)和《MEMS兼容压电厚膜驱动技术》(哈尔滨工业大学博士学位论文2007年)介绍，在微细加工领域广泛应用的硅基锆钛酸铅(PZT)等铁电厚膜制备技术已有多种方法，但是，其可以获得的厚膜的厚度一般在数微米量级，难以达到数十微米；虽然利用丝网印刷和流延成型技术，能够得到几十微米厚的膜，但是主要是针对以PZT粉体为主体，添加有机溶剂等辅料，配制出PZT浆料，且对原料要求高，厚膜成型后膜中空洞等缺陷较多，在需要获得多层厚膜时，每层印刷成型后需要的干燥、退火等工艺后，再逐层印刷。因此，不能在的“液态树脂”的逐层成型中应用，未见探讨其在“微细光成型”技术中应用的可能性。
据《微纳米加工技术及其应用》(崔铮编，高等教育出版社，2005年)介绍，在微纳米加工领域广泛应用的厚胶光刻工艺技术中，利用不同转速的甩胶匀胶方法可以获得数微米至数十微米的胶膜厚度，但是，由于厚胶的黏度较大，在离心力的作用下，硅片边沿胶的厚度与中心的厚度差别较大，胶膜的均匀性较差，同时，由于是利用旋转甩匀胶，难以实现多层厚胶膜的成型后上下层间的精确坐标关系要求，无法用于微细光成型法所需的逐层光固化的厚膜成型。为此，需要设计能满足微细光成型法的液态树脂厚膜的逐层自动成型装置。
发明内容
本发明提出一种微细光固化厚膜逐层自动成型方法及装置，能对需要固化的液态树脂进行逐层添加自动形成厚膜，以克服现有技术的上述缺陷，实现每层液态膜厚为10～100微米范围的任意厚度厚膜成型，以满足三维微结构的逐层扫描固化成型。
本发明的技术方案如下：
一种微细光固化厚膜逐层自动成型方法，其特征在于是：在基础平台上安装内部相互连通且装有液态树脂的双开口树脂槽及成型槽，成型槽内有滑动载物台，通过挤压滑塞将液态树脂从双开口树脂槽的一个开口中挤出，通过一维水平精密直线运动平台带动刮刀将从双开口树脂槽的一个开口中挤出的液态树脂刮到成型槽内，并形成一层液态厚膜，刮刀的返回起始位置；通过垂直精密直线运动平台的滑块带动滑动载物台向下滑动设定的距离，重复前述过程多次，即成多层厚膜。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型方法，其特征是：所述形成的每层液态厚膜的厚度通过控制滑动载物台的下移行程来实现，每层液态厚膜的厚度为10～100微米；所述的刮刀在返回起始位置过程中，对已形成液态厚膜进行刮成修整。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型方法，其特征是：在滑动载物台上所形成的多层液态厚膜平面内任意位置在上下层间具有精确的坐标一致性关系。
一种微细光固化厚膜逐层自动成型装置，有一个基础平台，其特征是：所述的基础平台上安装有内部相互连通的双开口树脂槽及成型槽，双开口树脂槽的第一开口内有挤压滑塞，所述的成型槽内有滑动载物台；所述的双开口树脂槽的外侧安装有垂直精密直线运动平台；所述的挤压滑塞上端、滑动载物台的下端均连接有连杆与垂直精密直线运动平台的滑块固定连接且能随滑块上、下滑动；所述的成型槽侧面设置有水平精密直线运动平台，水平精密直线运动平台的滑块上安装有水平刮刀，能在双开口树脂槽的第二开口与成型槽表面作往复刮成运动。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的垂直精密直线运动平台有二个，所述的挤压滑塞上端、滑动载物台的下端均连接有连杆分别与二个垂直精密直线运动平台的滑块固定连接且能随滑块上、下滑动。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的成型槽为一个或多个。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的水平精密直线运动平台上安装有刮刀位置控制器。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：在基础平台上安装有集成箱式平台，双开口树脂槽及成型槽设置在集成箱式平台上，所述的双开口树脂槽的第一开口为圆形开口，第二开口为长方形开口，成型槽为圆形开口，滑动载物台为圆形与圆形开口配合。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的刮刀高度可调整，具有疏水性好，高线性度的直线形刀口。
所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的双开口树脂槽的第一开口、第二开口与成型槽依次排列，刮刀原始位置设置在第一开口与第二开口之间，所述的双开口树脂槽的第二开口与成型槽上表面位于同一平面。
本发明将液态树脂置于双开口树脂槽中，接通垂直精密直线运动平台和水平精密直线运动平台电源，其控制信号接入可以进行“微细光成型”工作参数设定的控制用计算机系统，软件初始化后，垂直精密直线运动平台带动同时进行升降运动的挤压滑塞与滑动载物台向下运动一个所需膜层厚距离，液态树脂从第二开口挤出，由一维水平精密直线运动平台带动刮刀将从第二开口挤出的液态树脂刮向设置了一个滑动载物台的成型槽内，在成型槽中由载物台与刮刀刮成运动平面间自动形成一层液态厚膜，刮刀继续向右运动中由设置于水平精密直线运动平台上的右端位置控制器控制其自动退回向左返回，对已形成液态厚膜进行刮成修整，继续向左运动至原位时，由设置于水平精密直线运动平台上的左端位置控制器确定其在原位停止，并传送完成信息至控制用计算机系统，实现一层的液态树脂成型，在本发明装置一侧设置一套激光二维扫描装置在计算机控制下按光成型所需图形进行光扫描固化，计算机系统在完成光扫描固化后，再进行下一循环的液态树脂厚膜自动成型。
本发明利用两个便于计算机控制的精密直线运动平台和设计的整体式双开口树脂槽及成型槽，以及高线性度刮刀实现高精度、厚度均匀、不同厚度要求的液态树脂厚膜的自动成型。具有以下突出的优点：①本发明的利用两个便于计算机控制的精密直线运动平台来实现液态树脂的自动添加、刮成和成型，便于与“微细光成型”系统软件的链接，具有很好的可操作性、可集成性；②整体式双开口树脂槽和成型槽的设计使得结构紧凑，便于实现高精度；③高线性度的刮刀在精密直线运动平台和控制系统作用下的刮成和修整刮成运动，能获得高精度、厚度均匀的液态树脂厚膜。
因此，利用本发明可以实现数十微米不同厚度液态树脂厚膜的逐层自动成型，具有高度的自动化、集成化，同时，具有高精度、结构紧凑、体积小、可操作性等优点，将在微细光固化成型和液态树脂厚膜成型等领域得到广泛的应用。
附图说明：
图1为发明微细光固化厚膜逐层自动成型装置的原理图。
图2为一个方锥体三维微结构多层叠加固化成型示意图
图3为逐层自动成型曝光固化实验的多层固化形态放大101倍的SEM照片。
图4为逐层自动成型光固化的方锥体三维实体微结构的放大101倍的SEM照片。
具体实施方式：
实施例1：
按附图1所示的原理图研制组装厚膜逐层自动成型装置。首先，在一基础平台上设置一支撑架以安装一垂直精密直线运动平台1，在垂直精密直线运动平台1右方安装一个包含双开口树脂槽2、成型槽5和设置的一维水平精密直线运动平台9的集成箱式平台，挤压滑塞3和滑动载物台6分别装入树脂槽2第一开口和成型槽5中，挤压滑塞3上端、滑动载物台6的下端均连接有连杆与垂直精密直线运动平台1的滑块固定连接且能随滑块上、下滑动。在水平设置的一维水平精密直线运动平台9的滑块横梁上装入可调节的高线性度的刮刀4，并将其设置在双开口树脂槽2的第一、第二开口中间，刮刀4是高度可调整，疏水性好，高线性度的直线形刀口。水平精密直线运动平台9的滑块横梁上安装刮刀4的左端位置控制器8和右端位置控制器8，将垂直精密直线运动平台1和水平精密直线运动平台9以及刮刀4的左、右端位置控制器8的驱动和控制信号线连接至计算机控制箱，就可得到具有高度的自动化、集成化，结构紧凑、体积小、可操作性好，高精度的、能实现数十微米不同厚度液态树脂厚膜的逐层自动成型的装置。
使用时，接通计算机和控制箱电源，将挤压滑塞3和滑动载物台6和刮刀4调整至原始位置，在双开口树脂槽2中注入液态树脂，打开控制系统软件对系统进行初始化，根据需要由计算机设定液态树脂膜的厚度，发送厚度指令至控制箱，驱动垂直精密直线运动平台1带动挤压滑塞3和滑动载物台6向下运动一个所需膜厚的距离，至于双开口树脂槽2中树脂被挤出后，控制系统自动启动水平精密直线运动平台9带动刮刀4向右将第二开口上的液态树脂刮入成型槽5中，并在载物台6上形成所需厚度的液态树脂厚膜，刮刀4在右端位置控制器8控制下自动反向运动，对成型槽5中的液态树脂厚膜进行修整刮成，在左端位置控制器8控制下停在原位，自动向控制箱和计算机发出一个层厚的厚膜已获得信号，计算机控制光刻头进行扫描光固化成形，扫描完成后，计算机发送需要下一个液态树脂厚膜的指令，自动成型装置按上述工作循环在已固化成型层上来获得一个新的液态树脂厚膜，如此，根据光固化三维物体所需高度的层数，逐层自动添加、刮成所需厚度的液态厚膜。
实施例2：
参见图1，其中垂直精密直线运动平台1为市售的行程为50mm，重复定位精度为±1μm的电控精密直线运动平台；水平精密直线运动平台9行程为40mm，是可实现无级调速的电控精密直线运动平台，设置在其滑块横梁上的可调节高度高线性度的长度为30mm的刮刀4是利用高精度计量测量刀口尺经疏水处理和改制而成，将可以通过对刮刀4的高度和刮成速度的调整来获得高精度厚膜。
实施例3：
按附图1所示的原理图组装完成的厚膜逐层自动成型装置，在一个微细光固化成型系统得到应用，如本说明书附图2给出的一个需要多层叠加固化成型方锥体三维微结构示意图，使用时，由微细光固化成型系统软件初始化挤压滑塞3和滑动载物台6和刮刀4调整至原始位置，并确定成型槽5和滑动载物台6的中心为需要进行厚膜成型和光固化成型三维微结构的原始中心，根据所需加工微结构的最大平面图形的尺寸，以滑动载物台6左下角为加工的机械原点，选取每层液态树脂膜的厚度为20微米，由微细光固化成型系统软件启动厚膜逐层自动成型装置，按照实例1的使用工作循环，加工一个方锥体外形的三维微结构，其最大底边尺寸600×600μm，高度为300μm，侧壁斜角为15°，层叠层数为15，壁厚为70μm，附图3给出了通过逐层自动厚膜成型曝光固化实验三维微结构放大101倍的SEM照片。附图4给出了经相关工艺优化的液态厚膜逐层自动成型光固化的三维实体微结构的放大101倍的SEM照片。
Claims (9)
1.一种微细光固化厚膜逐层自动成型方法，其特征在于是：在基础平台上安装内部相互连通且装有液态树脂的双开口树脂槽及成型槽，成型槽内有滑动载物台，通过挤压滑塞将液态树脂从双开口树脂槽的一个开口中挤出，通过一维水平精密直线运动平台带动刮刀将从双开口树脂槽的一个开口中挤出的液态树脂刮到成型槽内，并形成一层液态厚膜，刮刀的返回起始位置；通过垂直精密直线运动平台的滑块带动滑动载物台向下滑动设定的距离，重复前述过程多次，即成多层厚膜；所述形成的每层液态厚膜的厚度通过控制滑动载物台的下移行程来实现，每层液态厚膜的厚度为10～100微米；所述的刮刀在返回起始位置过程中，对已形成液态厚膜进行刮成修整。
2.根据权利要求1所述的微细光固化厚膜逐层自动成型方法，其特征是：在滑动载物台上所形成的多层液态厚膜平面内任意位置在上下层间具有精确的坐标一致性关系。
3.一种微细光固化厚膜逐层自动成型装置，有一个基础平台，其特征是：所述的基础平台上安装有内部相互连通的双开口树脂槽及成型槽，双开口树脂槽的第一开口内有挤压滑塞，所述的成型槽内有滑动载物台；所述的双开口树脂槽的外侧安装有垂直精密直线运动平台；所述的挤压滑塞上端、滑动载物台的下端均连接有连杆与垂直精密直线运动平台的滑块固定连接且能随滑块上、下滑动；所述的成型槽侧面设置有水平精密直线运动平台，水平精密直线运动平台的滑块上安装有水平刮刀，能在双开口树脂槽的第二开口与成型槽表面作往复刮成运动。
4.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的垂直精密直线运动平台有二个，所述的挤压滑塞上端、滑动载物台的下端均连接有连杆分别与二个垂直精密直线运动平台的滑块固定连接且能随滑块上、下滑动。
5.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的成型槽为一个或多个。
6.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的水平精密直线运动平台上安装有刮刀位置控制器。
7.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：在基础平台上安装有集成箱式平台，双开口树脂槽及成型槽设置在集成箱式平台上，所述的双开口树脂槽的第一开口为圆形开口，第二开口为长方形开口，成型槽为圆形开口，滑动载物台为圆形与圆形开口配合。
8.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的刮刀高度可调整，具有疏水性好，高线性度的直线形刀口。
9.根据权利要求4所述的微细光固化厚膜逐层自动成型装置，其特征是：所述的双开口树脂槽的第一开口、第二开口与成型槽依次排列，刮刀原始位置设置在第一开口与第二开口之间，所述的双开口树脂槽的第二开口与成型槽上表面位于同一平面。
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