CN109366184A - 一种微通道的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微通道的加工方法，将芯板微槽结构设计图形导入、芯板装夹定位后进行激光标刻，在激光标刻过程中数字式红外温度传感器实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据反馈给控制器，控制器实时调节光纤激光标刻机的功率，整个过程向工作台面吹氮气，之后进行清洗和组装形成微通道；本发明加工方法具有可加工任意材料、加工精度和加工效率高、无机械变形等特点，对各类形状的微通道加工均有显著的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种微通道的加工方法，属于微纳流体流动与传热传质技术。
背景技术
微通道是一种具有二维或三维结构形式的微细通道，其当量直径为10μm~1000μm。微通道可以作为微通道反应器、微通道换热器、微通道混合器等，由于微通道结构具有比面积大、体积小、传热传质能力强等特点，被广泛应用于航空航天、自动控制、生物医疗等领域。
目前，常见的微通道加工方法有化学刻蚀技术、LIGA技术、钻石切削技术、电火花线切割、离子束加工技术等。化学刻蚀技术是一种湿法刻蚀，通过将金属片放到化学腐蚀液里，可以有选择的去除表面层材料，但不能实现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μm情况。LIGA技术是一种利用同步辐射X射线制造三维微器件的先进制造技术，它包括涂光刻胶、X 光曝光、显影、微电铸、去除光刻胶、去除隔离层以及制造微塑铸模具、微塑铸和第二次微电铸等多道工序，用此技术可以进行微器件的大批量生产，但昂贵的同步辐射光源和X光掩模板限制了其广泛应用。钻石切削技术是利用微细切削或铣削加工微通道，一般采用金刚石道具，但金刚石道具通常采用聚焦离子束刻蚀、化学机械抛光和线电极电火花磨削等方法加工。金刚石道具的研磨和抛光后重磨是一项极为关键的技术，金刚石刀具的重磨费用高且不方便，因此一般一次性使用而不重磨道具。电火花线切割加工是利用连续移动的电极丝做电极，对工作进行脉冲放电蚀除金属、切割成型。但电阻丝容易断，加工薄工件时，快速走丝过程中易产生抖动，影响加工精度，高速走丝切割表面会出现明暗条纹，影响表面质量。离子束加工是利用低压等离子体或高真空环境下产生的粒子去除材料，但会经常出现刻蚀滞后、刻蚀停止、侧壁弯曲和开槽效应等现象。
激光加工技术是一种利用高能量的激光束按照设计好的微通道图形在材料表面进行扫描，具有加工精度和效率高、重复性能、稳定性好、无机械变形和污染等特点，由于激光的能量密度很高，可以加工任意的金属材料（如铁、铜、铝、不锈钢等）和非金属材料（如陶瓷、玻璃等），非常适用于微通道的加工。但是由于环境中存在微观颗粒性杂质、加工时通入的保护气不均匀、激光烧蚀过程中产生的熔融物等阻碍了激光光源的传递，也就是说当光纤打标机功率恒定时由于上述因素导致加工表面的能量并非恒定，对毫微米量级的微通道精度影响很大。
发明内容
本发明提供一种微通道的加工方法，用于克服现有微通道加工技术中存在的工序复杂、加工效率低、加工精度低、加工费用高、加工表面温度不恒定等问题。
一种微通道加工方法，包括以下步骤：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位；
（2）激光标刻：激光功率为1~20W，频率为20KHz~60KHz，标刻速度为100mm/s~500mm/s，标刻次数为1~100次，温度为2000℃~8000℃，标刻加工过程中工作台上设置数字式红外温度传感器，数字式红外温度传感器与控制器连接，控制器与光纤激光标刻机的主机连接，数字式红外温度传感器实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据反馈给控制器，控制器实时调节光纤激光标刻机的功率使激光加工位置温度恒定，整个过程向工作台面吹氮气；
（3）清洗：采用金相砂纸将步骤（2）加工完成的芯板微槽结构边缘处毛刺打磨去除，然后超声波清洗；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与另一块芯板进行热挤压对接。
步骤（1）芯板微槽结构设计的长为1mm ~100mm，宽为0.05mm~0.5mm，填充密度为0.01~1，芯板微槽结构为单条或多条，芯板微槽结构的截面为矩形或V字型，芯板微槽结构截面深度为100μm~500μm，芯板微槽结构边缘为直线、波浪线或折线。
步骤（1）芯板为304不锈钢板、铁板、铜板、铝板、陶瓷板、玻璃板或塑料板，芯板长为5mm~150mm，宽为5mm~150mm，厚为1.5mm~2.5mm。
步骤（3）超声波清洗的频率为20KHz~40KHz，温度为50℃~70℃，清洗剂为碳氢清洗剂或水基清洗剂，碳氢清洗剂是MD-100碳氢清洗剂，水基清洗剂是JQ-300D水基清洗剂。
步骤（4）清洗后的芯板与另一块芯板进行热挤压对接的方式包括：两块相同的清洗后的芯板同向罗列后进行热挤压，或两块相同的清洗后的芯板反向对接后进行热挤压，或清洗后的芯板与未加工的平整芯板叠加后进行热挤压。
步骤（4）热挤压的挤压温度为400℃~2000℃，挤压速度为0.1mm/s~15mm/s，挤压应力为500MPa~600MPa。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用光纤激光标刻机、数字式红外温度传感器和控制器进行激光加工芯板微槽结构，可以轻松加工非常规图形的芯板微槽结构，加工速度快、操作方法简单，整个激光标刻过程向工作台面吹氮气，解决了由于环境中存在微观颗粒性杂质、加工时通入的保护气不均匀、激光烧蚀过程中产生的熔融物等阻碍激光光源的传递从而导致激光加表面能量不恒定而加工精度差的问题，对提高产品质量和加工效率具有显著的效果。
附图说明
图1 为本发明激光标刻装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1激光标刻后的芯板微槽结构截面SEM图；
图3为本发明实施例1微通道的结构示意图（罗列式）；
图4为本发明实施例1微通道的SEM图；
图5为本发明实施例2激光标刻后的芯板微槽结构截面的SEM图；
图6为本发明实施例2激光标刻后的芯板表面的SEM图；
图7为本发明实施例2微通道的结构示意图（对接式）；
图8为本发明实施例2微通道的SEM图；
图9为本发明实施例3微通道的结构示意图（盖板式）；
图10为本发明实施例3微通道的SEM图；
图中：1-激光发生器，2-固定夹具，3-加工工件，4-纵向工作臂，5-工作台，6-横向工作臂，7-Z方向调节摇杆，8-数字式红外温度传感器，9-氮气瓶喷嘴，10-氮气瓶，11-控制器，12-光纤激光标刻机主机，13-Y方向调节摇杆，14-X方向调节摇杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不限于所述内容。
本发明所用到的激光标刻装置的结构示意图，如图1所示，包括激光发生器1、固定夹具2、加工工件3、纵向工作臂4、工作台5、横向工作臂6、Z方向调节摇杆7、数字式红外温度传感器8、氮气瓶喷嘴9、氮气瓶10、控制器11、光纤激光标刻机主机12、Y方向调节摇杆13、X方向调节摇杆14；纵向工作臂4设置在工作台5上，Y方向调节摇杆13设在纵向工作臂4底端，Y方向调节摇杆13与工作台5内部Y方向的丝杆通过螺纹连接，旋转Y方向调节摇杆13对纵向工作臂4进行Y方向移动，横向工作臂6通过内部丝杆与纵向工作臂4垂直连接，横向工作臂6尾端设有X方向调节摇杆14，X方向调节摇杆14与工作台5内部X方向的丝杆通过螺纹连接，旋转X方向调节摇杆14对横向工作臂6进行X方向移动，Z方向调节摇杆7设置在横向工作臂6侧面，Z方向调节摇杆14与工作台5内部Z方向的丝杆通过螺纹连接，旋转Z方向调节摇杆7对横向工作臂6进行Z方向位置调节，横向工作臂6另一端设有激光发生器1，激光发生器1正对加工工件3，加工工件3设置在固定夹具2上，数字式红外温度传感器8设置在旋转夹具2上并与加工工件3正对，固定夹具2设置在工作台5上，控制器11和光纤激光标刻机主机12设置在工作台5的底部，控制器11分别与红外温度传感器8和光纤激光标刻机主机12相连，控制器11为常规市购PLC单片机，光纤激光标刻机主机12与激光发生器1连接，氮气瓶10口上设有氮气瓶喷嘴9，氮气瓶喷嘴9与加工工件3正对。
实施例1
一种微通道加工方法，用到的激光标刻装置如前所述，具体步骤如下：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位，具体操作为：
图形设计及导入：先运用AutoCAD设计出芯板微槽结构的图形，其长和宽分别为100mm和0.05mm，芯板微槽结构为多条微槽，单个芯板微槽结构截面为矩形，单个芯板微槽结构截面深度为100μm，芯板微槽结构边缘为直线，并对芯板微槽结构图形进行填充，填充密度为0.01，然后通过AutoCAD的打印功能将图形文件输出为plt格式，最后将plt格式的图形文件导入光纤激光标刻机标刻机中进行编辑；
装夹及定位：将抛光后的平整芯板装夹固定，芯板为1085铝板，芯板长为150mm，宽为150mm，厚为1.5mm，打开光纤激光标刻机标刻机的红光显示开关，激光发生器1会同时发出两束红光，其中一束红光为与激光束同轴，经透镜透射后垂直落在芯板上，另一束光于激光束倾斜，调节工作台的Z方向调节摇杆7使两束红光重合，此时，激光束的焦点位于加工工件3芯板的表面，打开光纤激光标刻机标刻机内的辅助范围显示开关，则会在加工工件3芯板上呈现出红色的矩形框，其作用是用于辅助查看待加工区域的范围，矩形框内即为待加工区域的范围，调整激光发生器工作臂的X方向调节摇杆14、Y方向调节摇杆13，使加工区域位移矩形框范围之内，保证芯板微槽结构贯穿于芯板的某一方向（通常为X或Y方向），如果加工区域范围超过矩形框范围，则需要将矩形框的某一边与芯板的某一边完全重合，待标刻完毕后，再通过移动激光器X方向调节摇杆14移动一定的距离（根据先前标刻的距离来定）到标刻的末端，再进行标刻；
（2）激光标刻：设置激光功率为20W，重复频率为20KHz，标刻速度100mm/s，标刻次数20次，温度为2000℃，进行标刻，加工过程中使用精密的数字式红外温度传感器8实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据传递给控制器11，控制器11与光纤激光标刻机主机12连接，对光纤激光标刻机的功率进行实时调节，保证了激光加工位置温度恒定，温度恒定认为激光烧蚀点处能量恒定，从而提高加工表面的精度，如图2所示为激光标刻之后芯板微槽结构截面的SEM图，图中显示芯板微槽结构为多条微槽，芯板微槽结构截面为矩形；
（3）清洗：采用金相砂纸打磨去除步骤（2）加工完成的芯板微槽结构的边缘处毛刺，然后超声波清洗；超声波清洗的频率为20KHz，温度为50℃，清洗剂为MD-100碳氢清洗剂；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与另一块按照步骤（1）-步骤（3）方法得到的芯板进行热挤压对接，如图3所示，对接方式为同向罗列，热挤压的挤压温度为400℃，挤压速度为0.1mm/s，挤压应力为500MPa。
图4为本实施例得到的微通道的SEM示意图，从图中可知，两条加工工序相同且截面形状均为矩形微槽结构的芯板通过热挤压的方式罗列到一起，从而形成罗列式微通道结构。
实施例2
一种微通道加工方法，用到的激光标刻装置如前所述，具体步骤如下：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位，具体操作为：
图形设计及导入：先运用AutoCAD设计出芯板微槽结构的图形，其长和宽分别为50mm和0.1mm，芯板微槽结构为多微槽，单个芯板微槽结构截面为V字型，单个芯板微槽结构截面深度为500μm，芯板微槽结构边缘为直线，并对芯板微槽结构图形进行填充，填充密度为0.5，然后通过AutoCAD的打印功能将图形文件输出为plt格式，最后将plt格式的图形文件导入光纤激光标刻机中进行编辑；
装夹及定位：将抛光后的平整芯板装夹固定，芯板为304不锈钢板，芯板长为100mm，宽为100mm，厚为2.5mm，打开光纤激光标刻机标刻机的红光显示开关，激光发生器会同时发出两束红光，其中一束红光为与激光束同轴，经透镜透射后垂直落在芯板上，另一束光于激光束倾斜，调节工作台的Z方向调节摇杆7使两束红光重合，此时，激光束的焦点位于加工工件3芯板的表面，打开光纤激光标刻机标刻机内的辅助范围显示开关，则会在加工工件3芯板上呈现出红色的矩形框，其作用是用于辅助查看待加工区域的范围，矩形框内即为待加工区域的范围，调整激光发生器工作臂的X方向调节摇杆14、Y方向调节摇杆13，使加工区域位移矩形框范围之内，保证芯板微槽结构贯穿于芯板的某一方向（通常为X或Y方向），如果加工区域范围超过矩形框范围，则需要将矩形框的某一边与芯板的某一边完全重合，待标刻完毕后，再通过移动激光器X方向调节摇杆14移动一定的距离（根据先前标刻的距离来定）到标刻的末端，再进行标刻；
（2）激光标刻：激光标刻装置与实施例1相同，设置激光功率为1W，重复频率为60KHz，标刻速度200mm/s，标刻次数100次，温度为8000℃，进行标刻，加工过程中使用精密的数字式红外温度传感器8实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据传递给控制器11，控制器11与光纤激光标刻机主机12连接，对光纤激光标刻机的功率进行实时调节，保证了激光加工位置温度恒定，温度恒定认为激光烧蚀点处能量恒定，从而提高加工表面的精度，如图5所示为激光标刻之后芯板微槽结构截面的SEM图，图中显示芯板微槽结构为多条微槽，芯板微槽结构截面为V字型，如图6所示为芯板表面的俯视SEM图；
（3）清洗：采用金相砂纸打磨去除步骤（2）加工完成的芯板微槽结构的边缘处毛刺，然后超声波清洗；超声波清洗的频率为30KHz，温度为60℃，清洗剂为MD-100碳氢清洗剂；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与另一块按照步骤（1）-步骤（3）方法得到的芯板进行热挤压对接，如图7所示，对接方式为反向对接，热挤压的挤压温度为500℃，挤压速度为1mm/s，挤压应力为550MPa。
图8为本实施例得到的微通道的SEM示意图，从图中可知，两条加工工序相同且截面形状均为V字型微槽结构的芯板通过热挤压的方式罗列到一起，形成罗列式微通道结构。
实施例3
一种微通道加工方法，用到的激光标刻装置如前所述，具体步骤如下：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位，具体操作为：
图形设计及导入：先运用AutoCAD设计出芯板微槽结构的图形，其长和宽分别为1mm和0.5mm，芯板微槽结构为多条微槽，单个芯板微槽结构截面为矩形，单个芯板微槽结构截面深度为300μm，芯板微槽结构边缘为直线，并对芯板微槽结构图形进行填充，填充密度为1，然后通过AutoCAD的打印功能将图形文件输出为plt格式，最后将plt格式的图形文件导入光纤激光标刻机标刻机控制系统中进行编辑；
装夹及定位：将抛光后的平整芯板装夹固定，芯板为Q235铁板，芯板长为5mm，宽为5mm，厚为2mm，打开光纤激光标刻机标刻机的红光显示开关，激光发生器会同时发出两束红光，其中一束红光为与激光束同轴，经透镜透射后垂直落在芯板上，另一束光于激光束倾斜，调节工作台的Z方向调节摇杆7使两束红光重合，此时，激光束的焦点位于加工工件3芯板的表面，打开光纤激光标刻机标刻机内的辅助范围显示开关，则会在加工工件3芯板上呈现出红色的矩形框，其作用是用于辅助查看待加工区域的范围，矩形框内即为待加工区域的范围，调整激光发生器工作臂的X方向调节摇杆14、Y方向调节摇杆13，使加工区域位移矩形框范围之内，保证芯板微槽结构贯穿于芯板的某一方向（通常为X或Y方向），如果加工区域范围超过矩形框范围，则需要将矩形框的某一边与芯板的某一边完全重合，待标刻完毕后，再通过移动激光器X方向调节摇杆14移动一定的距离（根据先前标刻的距离来定）到标刻的末端，再进行标刻；
（2）激光标刻：激光标刻装置与实施例1相同，设置激光功率为10W，重复频率为40KHz，标刻速度500mm/s，标刻次数1次，温度为5000℃，进行标刻，加工过程中使用精密的数字式红外温度传感器8实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据传递给控制器11，控制器11与光纤激光标刻机主机12连接，对光纤激光标刻机的功率进行实时调节，保证了激光加工位置温度恒定，温度恒定认为激光烧蚀点处能量恒定，从而提高加工表面的精度；
（3）清洗：采用金相砂纸打磨去除步骤（2）加工完成的芯板微槽结构的边缘处毛刺，然后超声波清洗；超声波清洗的频率为40KHz，温度为50℃，清洗剂为JQ-300D水基清洗剂；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与未加工的平整芯板叠加后进行热挤压，如图9所示，热挤压的挤压温度为600℃，挤压速度为12mm/s，挤压应力为600MPa。
图10为本实施例得到的微通道的SEM示意图，从图中可知，本实施例得到的截面形状为矩形的芯板与未加工的结构芯板通过热挤压对接到一起，形成盖板式微通道结构。
实施例4
一种微通道加工方法，用到的激光标刻装置如前所述，具体步骤如下：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位，具体操作为：
图形设计及导入：先运用AutoCAD设计出芯板微槽结构的图形，其长和宽分别为1mm和0.5mm，芯板微槽结构为多条微槽，单个芯板微槽结构截面为矩形，单个芯板微槽结构截面深度为500μm，芯板微槽结构边缘为直线，并对芯板微槽结构图形进行填充，填充密度为0.7，然后通过AutoCAD的打印功能将图形文件输出为plt格式，最后将plt格式的图形文件导入光纤激光标刻机标刻机控制系统中进行编辑；
装夹及定位：将抛光后的平整芯板装夹固定，芯板为钛酸钡系压电陶瓷板 ，芯板长为10mm，宽为10mm，厚为2mm，打开光纤激光标刻机标刻机的红光显示开关，激光发生器会同时发出两束红光，其中一束红光为与激光束同轴，经透镜透射后垂直落在芯板上，另一束光于激光束倾斜，调节工作台的Z方向调节摇杆7使两束红光重合，此时，激光束的焦点位于加工工件3芯板的表面，打开光纤激光标刻机标刻机内的辅助范围显示开关，则会在加工工件3芯板上呈现出红色的矩形框，其作用是用于辅助查看待加工区域的范围，矩形框内即为待加工区域的范围，调整激光发生器工作臂的X方向调节摇杆14、Y方向调节摇杆13，使加工区域位移矩形框范围之内，保证芯板微槽结构贯穿于芯板的某一方向（通常为X或Y方向），如果加工区域范围超过矩形框范围，则需要将矩形框的某一边与芯板的某一边完全重合，待标刻完毕后，再通过移动激光器X方向调节摇杆14移动一定的距离（根据先前标刻的距离来定）到标刻的末端，再进行标刻；
（2）激光标刻：激光标刻装置与实施例1相同，设置激光功率为12W，重复频率为30KHz，标刻速度300mm/s，标刻次数50次，温度为5000℃，进行标刻，加工过程中使用精密的数字式红外温度传感器8实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据传递给控制器11，控制器11与光纤激光标刻机主机12连接，对光纤激光标刻机的功率进行实时调节，保证了激光加工位置温度恒定，温度恒定认为激光烧蚀点处能量恒定，从而提高加工表面的精度；
（3）清洗：采用金相砂纸打磨去除步骤（2）加工完成的芯板微槽结构的边缘处毛刺，然后超声波清洗；超声波清洗的频率为40KHz，温度为50℃，清洗剂为JQ-300D水基清洗剂；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与未加工的平整芯板叠加后进行热挤压，热挤压的挤压温度为2000℃，挤压速度为15mm/s，挤压应力为600MPa。
Claims (6)
1.一种微通道加工方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）芯板微槽结构设计图形导入，芯板装夹定位；
（2）激光标刻：激光功率为1~20W，频率为20KHz~60KHz，标刻速度为100mm/s~500mm/s，标刻次数为1~100次，温度为2000℃~8000℃，标刻过程中工作台上设置数字式红外温度传感器，数字式红外温度传感器与控制器连接，控制器与光纤激光标刻机的主机连接，数字式红外温度传感器实时监测激光加工位置温度变化，将温度数据反馈给控制器，控制器实时调节光纤激光标刻机的功率，整个过程向工作台面吹氮气；
（3）清洗：采用金相砂纸将步骤（2）加工完成的芯板微槽结构边缘处毛刺打磨去除，然后超声波清洗；
（4）组装：将步骤（3）清洗后的芯板与另一块芯板进行热挤压对接。
2.根据权利要求1所述微通道加工方法，其特征在于：步骤（1）芯板微槽结构设计的长为1mm ~100mm，宽为0.05mm~0.5mm，填充密度为0.01~1，芯板微槽结构为单条或多条微槽，芯板微槽结构的截面为矩形或V字型，芯板微槽结构截面深度为100μm~500μm，芯板微槽结构边缘为直线、波浪线或折线。
3.根据权利要求1所述微通道加工方法，其特征在于：步骤（1）芯板为304不锈钢板、铁板、铜板、铝板、陶瓷板、玻璃板或塑料板，芯板长为5mm~150mm，宽为5mm~150mm，厚为1.5mm~2.5mm。
4.根据权利要求1所述微通道加工方法，其特征在于：步骤（3）超声波清洗的频率为20KHz~40KHz，温度为50℃~70℃，清洗剂为碳氢清洗剂或水基清洗剂，碳氢清洗剂是MD-100碳氢清洗剂，水基清洗剂是JQ-300D水基清洗剂。
5.根据权利要求1所述微通道加工方法，其特征在于：步骤（4）清洗后的芯板与另一块芯板进行热挤压对接的方式包括：两块相同的清洗后的芯板同向罗列后进行热挤压，或两块相同的清洗后的芯板反向对接后进行热挤压，或清洗后的芯板与未加工的平整芯板叠加后进行热挤压。
6.根据权利要求1所述微通道加工方法，其特征在于：步骤（4）热挤压的挤压温度为400℃~2000℃，挤压速度为0.1mm/s~15mm/s，挤压应力为500MPa~600MPa。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201811383396.7A CN109366184A (zh) | 2018-11-20 | 2018-11-20 | 一种微通道的加工方法 |
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Publications (1)
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| CN109366184A true CN109366184A (zh) | 2019-02-22 |
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| CN (1) | CN109366184A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110739468A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-31 | 清华大学 | 燃料电池双极板加工方法 |
-
2018
- 2018-11-20 CN CN201811383396.7A patent/CN109366184A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 巩水利: "《先进激光加工技术》", 30 November 2016 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110739468A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-31 | 清华大学 | 燃料电池双极板加工方法 |
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