CN109877404B - 微流控芯片注塑模具v形槽的制备方法及其应用和微流控芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法及其应用和微流控芯片的制备方法，涉及微流控芯片制造领域，包括先提供具有圆锥形尖端的第三微细圆锥电极以将工件加工制得V形槽的主体轮廓，然后再进一步的将第三微细圆锥电极修整成圆锥高度和角度更小的第四尖端圆锥电极，以用于将V形槽的主体轮廓进一步修饰，得到底端圆角更小的V形槽。该制备方法缓解了现有技术中存在的缺乏一种高质量制造微流控芯片注塑模具V型槽的工艺的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片制造领域，尤其是涉及一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法及其应用和微流控芯片的制备方法。
背景技术
微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程中的样品预处理、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米大小的芯片上，并以微通道网络贯穿各个操作环节，自动完成分析全过程。微流控芯片具有液流可控、样品消耗量小、反应速度快、易于集成化等特点，被广泛应用于医院手术、急诊、重症监护、慢性病防治等临床诊断和疾病筛查领域。考虑到可加工性、材料成本以及与试剂的生化反应，医用微流控芯片的材料一般是聚合物。聚合物微流控芯片的制造主要有微机械或激光直接加工聚合物成型、光刻电铸复制(LIGA)成型、模具复制成型等方法。为了降低加工成本和保持加工一致性，批量生产聚合物微流控芯片一般采用注塑模具复制成型。注塑成型的关键在于注塑模具的加工。微流控芯片有多个功能区，在注塑模具上反映为对应的宏观结构和局部微结构。注塑模具宏观结构加工和普通模具加工方法基本一致，注塑模具加工的核心是微结构的加工。
三角形凸起微结构具有导流、缓冲、搅拌和焊接等功能，在微流控芯片上具有广泛的应用。微流控芯片三角形凸起在其注塑模具上对应为微小V型槽，V型槽截面尺寸为：深度25～100μm，顶边宽度100～400μm，底端圆角大小60°～130°。V型槽长度方向上为直线或曲线结构。V型槽加工要求是尺寸误差<±5％、表面粗糙度Ra<0.5μm。
V型槽结构微小、形状尖锐，一般都是采用成型车刀、成型砂轮、单点金刚石等成型刀具直接机械加工成形。而模具材料一般是金属材料，包括镍或者镍合金、铝合金、模具钢等，常用的注塑模具模芯材料-S136模具钢的硬度达到48～54HRC。在注塑模具模芯上利用成型刀具机械加工微小V型槽主要的问题有：微小成型刀具制作工艺复杂，成本较高；成型刀具机械加工模具钢时，刀具磨损严重，甚至会蹦刃；成型刀具通过机械力去除材料，加工表面会产生毛刺，表面粗糙度较大。利用电火花加工V形槽没有直接接触力的优点，通过制作多个成型电极反复多次加工成型矩形沟槽。这种方法也可用于微小V型槽加工，但一方面电极损耗严重导致V型槽底端圆角较大，另一方面V型槽长度较大，电极放电不均匀，容易导致长度方向V型槽部分区域过加工而深度较大，部分区域欠加工而深度较小导致的长度方向上深度一致性欠佳的问题。
综上所述，微小V型槽加工目前多采用成形刀具机械加工和成型电极电火花加工的方法，但成型刀具机械加工存在微小成型刀具制作成本高、刀具磨损严重和加工表面质量不高，成型电极电火花加工时底端圆角较大、深度一致性欠佳的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，该制备方法缓解了现有技术中存在的缺乏一种高质量制造微流控芯片注塑模具V型槽的工艺的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种使用上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法制备得到的微流控芯片注塑模具。
本发明的第三目的在于提供一种上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法或上述微流控芯片注塑模具在制备微流控芯片中的应用。
本发明的第四目的在于提供一种微流控芯片的制备方法，该方法使用上述微流控芯片注塑模具制造微流控芯片。
为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，本发明提供一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，包括如下步骤：
(a)提供具有圆锥形尖端的第三微细圆锥电极，所述圆锥形尖端的高度为H3；
(b)使用所述第三微细圆锥电极电解铣削工件，使所述工件形成底端圆角为R1的V形槽的主体轮廓；
(c)在线加工所述第三微细圆锥电极成为第四尖端圆锥电极，使所述第四尖端圆锥电极的圆锥形尖端的高度H4＜H3；
(d)使用所述第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端，得到底端圆角为R2的V形槽，R2＜R1。
优选地，步骤(a)中，先将第一圆柱电极在线加工成为直径为D3的第二微细圆柱电极，然后在线将第二微细圆柱电极加工成为所述第三微细圆锥电极；
优选地，使用电解反拷加工或电火花反拷加工将所述第二微细圆柱电极加工成为所述第三微细圆锥电极；
优选地，第三微细圆锥电极的电极直径D3为20～180μm；
优选地，第三微细圆锥电极的圆锥角度为30°～180°；
优选地，第三微细圆锥电极的圆锥高度H3为50～200μm。
优选地，第三微细圆锥电极电解铣削工件包括使用旋转的第三微细圆锥电极，在电压为V1的条件下对工件进行分层扫描电解加工，形成底端圆角为R1的V形槽的主体轮廓；所述分层扫描电解加工包括先单层扫描加工工件，然后再按照分层厚度c1逐层进给；
优选地，第三微细圆锥电极的电极转速为300～1000r/min；
优选地，第三微细圆锥电极分层扫描电解工件的扫描速度为180～360μm/s；
优选地，第三微细圆锥电极与工件的加工间隙为10～50μm；
优选地，分层厚度为c1为1～10μm；
优选地，电压V1为6～12V；
优选地，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是直线运动；
优选地，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是曲线运动；
优选地，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线平行；
优选地，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线不平行。
优选地，利用线电极磨削加工第三微细圆锥电极得到第四尖端圆锥电极。
优选地，第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端包括使用旋转的第四尖端圆锥电极，在电压为V2的条件下对所述V形槽的主体轮廓的底端进行分层扫描电解加工，形成底端圆角为R2的V形槽；其中V2＜V1；
所述分层扫描电解加工包括先单层扫描所述V形槽的主体轮廓的底端，然后再按照分层厚度c2逐层进给；c2<c1；
优选地，第四尖端圆锥电极的电极转速为300～1000r/min；
优选地，第四尖端圆锥电极分层扫描电解所述V形槽的主体轮廓的底端的扫描速度为50～150μm/s；
优选地，第四尖端圆锥电极与所述V形槽的主体轮廓的底端的加工间隙为10～30μm；
优选地，分层厚度为c2为0.5～1μm；
优选地，电压V2为4～8V。
优选地，微流控芯片注塑模具V形槽的底端圆角为锐角、直角或者钝角。
优选地，所述工件的材料包括导电的金属；
优选地，所述导电的金属包括模具钢、铝合金或者镍合金；
优选地，所述模具钢包括P20模具钢、S136H模具钢或8047模具钢。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种采用上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法制备得到的微流控芯片注塑模具。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法和上述微流控芯片注塑模具在制备微流控芯片中的应用。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种微流控芯片的制备方法，该方法包括使用上述微流控芯片注塑模具制造微流控芯片。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，具有如下有益效果：
(1)通过具有圆锥形尖端的电极扫描电解加工，可以用于铝、铜、镍等金属及合金，尤其是用于注塑生产的硬度较大的模具钢材料，由于没有直接机械力，可以解决机械加工主要用于纯金属的局限性。
(2)利用第三微细圆锥电极电解加工工件，可同时实现形状成型和保证表面质量，解决成型刀具机械加工注塑模具时表面质量较差、需要去除毛刺和抛光的问题。
(3)利用第四尖端圆锥电极电解加工V型槽，加工中电极不损耗，可避免机械加工中刀具磨损的问题，有效保证加工深度的一致性和重复性。
(4)利用第四尖端圆锥电极电解加工V形槽的主体轮廓的底端，可以减小V型槽底端圆角。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施方式中的一种第三微细圆锥电极的加工过程示意图；
图2为本发明的实施方式中的一种第三微细圆锥电极电解铣削工件的示意图；
图3为本发明的实施方式中的一种由第三微细圆锥电极加工成第四尖端圆锥电极的电极变化示意图；
图4为本发明的实施方式中的一种第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端的示意图；
图5为本发明的一个实施方式中，采用倾斜平板电极电解反拷加工第三微细圆锥电极的示意图；
图6为本发明的一个实施方式中，采用倾斜平板电极电火花反拷加工加工第三微细圆锥电极的示意图；
图7为本发明的一个实施方式中，第三微细圆锥电极电解铣削工件加工V型槽主体轮廓的示意图；
图8为本发明的一个实施方式中，第三微细圆锥电极经线电极磨削加工成第四尖端圆锥电极的示意图；
图9为本发明的一个实施方式中，第四尖端圆锥电极电解铣削V形槽的主体轮廓的底端的示意图；
图10为本发明的一个实施方式中直线V型槽加工方法；
图11为本发明的一个实施方式中曲线V型槽加工方法；
图12为本发明的一个实施方式中锐角V型槽加工方法；
图13为本发明的一个实施方式中钝角V型槽加工方法；
图14为本发明的一个实施方式中对称结构V型槽加工方法；
图15为本发明的一个实施方式中非对称结构V型槽加工方法。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是：
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案；本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案；所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
附图中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。标号说明如下：1-第一圆柱电极1；2-第二微细圆柱电极；3-第三微细圆锥电极；4-工件；6-高频超短脉冲电源；7-第四尖端圆锥电极；8-平板电极；9-脉冲电源；11-线电极；图标5表示电极和工件之间充满电解液，图标10表示电极和工件之间充满工作液。参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明旨在解决微流控芯片注塑模具V型槽的高质量制造问题。对于注塑模具材料硬度高、结构微小和形状尖锐、表面质量要求高的V型槽，本发明提供了一种可以实现在注塑模具加工要求角度和较小圆角的V型直线槽和曲线槽的方法。本发明提供的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法包括提供具有圆锥形尖端的第三微细圆锥电极以将工件加工制得V形槽的主体轮廓，然后再进一步的将第三微细圆锥电极修整成圆锥高度和角度更小的第四尖端圆锥电极，以用于将V形槽的主体轮廓进一步修饰，得到底端圆角更小的V形槽。具体的，包括如下步骤：
(a)提供具有圆锥形尖端的第三微细圆锥电极，所述圆锥形尖端的高度为H3；
(b)使用所述第三微细圆锥电极电解铣削工件，使所述工件形成底端圆角为R1的V形槽的主体轮廓；
(c)在线加工所述第三微细圆锥电极成为第四尖端圆锥电极，使所述第四尖端圆锥电极的圆锥形尖端的高度H4＜H3；
(d)使用所述第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端，得到底端圆角为R2的V形槽，R2＜R1。
本发明所述的底端圆角指的是V形槽的两侧壁相切的圆弧形成的弧形的底角，底端圆角的大小用圆弧的半径表示。
本发明提供的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法基于微细电解加工技术，微细电解加工是通过阳极工件发生离子溶解来完成加工的，工件在电解液中发生电化学溶解，工件通过阳极溶解反应被氧化成金属离子形式进入电解液中，并被一定形状的电极复制成目标加工特征。微细电解加工工作时，工件与加工电源的正极相连接，电极与加工电源的阴极相连接，工件与电极的间隙内充满电解液，加工时接通电源，工件与电极的间隙通过电流，在电流的作用下工件逐渐被电解腐蚀，形成目标加工特征，其间产生的电解产物和热量由高速的电解液冲刷带走。微细电解加工具有可成型范围宽、加工效率高、加工表面质量好、工具无耗损和无机械残余应力与变形等优点。
本发明提供的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，具有如下有益效果：
(1)通过具有圆锥形尖端的电极扫描电解加工，可以用于铝、铜、镍等金属及合金，尤其是用于注塑生产的硬度较大的模具钢材料，由于没有直接机械力，可以解决机械加工主要用于纯金属的局限性。
(2)利用第三微细圆锥电极电解加工工件，可同时实现形状成型和保证表面质量，解决成型刀具机械加工注塑模具时表面质量较差、需要去除毛刺和抛光的问题；
(3)利用第四尖端圆锥电极电解加工V型槽，加工中电极不损耗，可避免机械加工中刀具磨损的问题，有效保证加工深度的一致性和重复性。
(4)利用第四尖端圆锥电极电解加工工件，可以减小V型槽底端圆角。
在一些优选的实施方式中，第三微细圆锥电极的电极直径D3为20～180μm，例如可以为但不限于为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm或180μm；第三微细圆锥电极的圆锥角度为30°～180°，例如可以为但不限于为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°或180°；第三微细圆锥电极的圆锥高度H3为50～200μm，例如可以为但不限于为50μm、75μm、100μm、110μm、120μm、140μm、150μm、165μm、170μm、185μm或200μm，通过调整第三微细圆锥电极的尺寸可以调整V形槽的主体轮廓的形状。
在一些可选的实施方式中，第三微细圆锥电极按照如下方法制备得到：先将第一圆柱电极在线加工成为直径为D3的第二微细圆柱电极，然后在线将第二微细圆柱电极加工出高度为H3的圆锥形尖端，得到所述的第三微细圆锥电极。
对于微细电解加工中，目标特征在微米级别，在线加工电极可以避免离线加工电极然后进行二次装夹带来的误差。电极加工的方法可选择本领域可接受的电极加工方法，例如可以为但不限于为反拷法、线电极磨削法、单脉冲放电法和自钻孔成型法等，使电极满足与目标加工特征相匹配即可。其中将优选采用反拷法在第二微细圆柱电极上制备圆锥形尖端以得到第三微细圆锥电极，电极通过反拷法直接拷贝获得，不需要繁琐的计算过程，是一种快速制备电极的便捷方法。优选使用电解反拷加工或电火花反拷加工制备电极。电解反拷加工指的是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将电极加工成形；电火花反拷加工指的是用火花放电产生的局部、瞬时高温把材料蚀除下来的一种制备电极的方法。
在一个优选的实施方式中，所述第三微细圆锥电极是利用倾斜的平板电极电解反拷加工第二微细圆柱电极得到，其中，第二微细圆柱电极旋转并轴向进给，配合电解液和高频超短脉冲电源，第二微细圆柱电极被倾斜的平板电极电解反拷成第三微细圆锥电极，参考图5所示。
在另一个优选的实施方式中，所述第三微细圆锥电极是利用倾斜的平板电极电火花反拷加工第二微细圆柱电极得到，其中，第二微细圆柱电极旋转并轴向进给，配合工作液和脉冲电源，第二微细圆柱电极被倾斜的平板电极电火花反拷成第三微细圆锥电极，参考图6所示。
利用倾斜平板电极电火花或者电解反拷制作微细圆锥电极，圆锥角度可调，操作简便，可加工不同角度的V型槽，并有效解决机械成型刀具制作复杂的问题。
在一些可选的实施方式中，利用第三微细圆锥电极轴向进给加工，可以在难以机械加工的模具材料上加工微小圆锥孔；在一些可选的实施方式中，利用第三微细圆锥电极沿周向扫描加工，可以在难以机械加工的模具材料上加工具有锥角的微小凸台结构；在一些可选的实施方式中，利用第三微细圆锥电极分别横向和纵向扫描加工，可以在难以机械加工的模具材料上加工具有锥角的网格状微小V型槽结构。
在一些可选的实施方式中，使用第三微细圆锥电极电解铣削工件，包括使用旋转的第三微细圆锥电极，配合电解液和高频超短脉冲电源，对工件进行分层扫描电解加工工件，形成V形槽的主体轮廓；其中，第三微细圆锥电极对工件进行分层扫描电解分为单层扫描加工及逐层进给两个步骤，首先第三微细圆锥电极相对工件做平面扫描运动，配合电解液，设置高频超短脉冲电源的电压为V1，在工件上加工出单层V形槽的轮廓，参考图7中的步骤(ⅰ)，接着再按照分层厚度c1逐层进给，第三微细圆锥电极相对工件运动轨迹和V形槽的轮廓变化参考图7中的步骤(ⅱ)，加工出V形槽的主体轮廓，参考图7中的步骤(ⅲ)。
第三微细圆锥电极电解铣削工件的工艺参数包括第三微细圆锥电极的电极转速、选择扫描速度、加工间隙、分层厚度c1和高频超短脉冲电源的电压V1。优选地，电极转速为300～1000r/min，例如可以为但不限于为300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min或1000r/min；优选地，选择扫描速度为180～360μm/s，例如可以为但不限于为180μm/s、200μm/s、225μm/s、250μm/s、270μm/s、280μm/s、300μm/s、320μm/s、350μm/s或360μm/s；优选地，加工间隙为10～50μm，例如可以为但不限于为10μm、20μm、30μm、40μm或50μm；优选地，分层厚度为c1为1～10μm，例如可以为但不限于为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm；优选地，高频超短脉冲电源的电压V1为6～12V，例如可以为但不限于为6V、7V、8V、9V、10V、11V或12V。
在一些优选的实施方式中，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是直线运动，以制备直线型的V形槽，参考图10所示；在另一些优选的实施方式中，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是曲线运动，以制备曲线型的V形槽，参考图11所示。
在一些优选的实施方式中，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线平行，加工得到的V形槽呈对称结构，参考图14所示；在另一些优选的实施方式中，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线不平行，加工得到的V形槽呈非对称结构，参考图15所示。
在一些优选的实施方式中，第四尖端圆锥电极的电极直径D4为20～180μm，例如可以为但不限于为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm或180μm；在一些优选的实施方式中，第四尖端圆锥电极的圆锥角度为30°～180°，例如可以为但不限于为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°或180°；在一些优选的实施方式中，第四尖端圆锥电极的圆锥高度H4为20～50μm，例如可以为但不限于为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm，通过调整第四尖端圆锥电极的尺寸可以进一步优化V型槽底端圆角的加工质量。
在一个优选的实施方式中，第四尖端圆锥电极是利用线电极磨削加工第三微细圆锥电极得到，其中第三微细圆锥电极旋转并轴向进给，配合工作液和脉冲电源，被线电极放电蚀除得第四尖端圆锥电极，参考图8所示。
在一些可选的实施方式中，使用所述第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓包括使用旋转的第四尖端圆锥电极，配合电解液和高频超短脉冲电源，对V形槽的主体轮廓的底端进行分层扫描电解加工，将V形槽的底端圆角由R2减小至R1。其中，第四尖端圆锥电极对V形槽的主体轮廓的底端进行分层扫描电解加工分为单层扫描加工及逐层进给两个步骤，首先第四尖端圆锥电极定位到第三微细圆锥电极的最终轴向位置向下分层厚度c2，c2<c1，参考图9中的步骤(ⅰ)，然后再按照分层厚度c2逐层进给，配合电解液，设置高频超短脉冲电源的电压为V2，V2<V1，相对工件做平面扫描运动，第四尖端圆锥电极相对工件运动轨迹和V形槽的轮廓变化参考图9中的步骤(ⅱ)所示，将V形槽的底端圆角由R2减小至R1，参考图9中的图(ⅲ)。
第四尖端圆锥电极电解铣削工件的工艺参数包括第四尖端圆锥电极的电极转速、选择扫描速度、加工间隙、分层厚度c2和高频超短脉冲电源的电压V2。优选地，电极转速为300～1000r/min，例如可以为但不限于为300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min或1000r/min；优选地，选择扫描速度为100～200μm/s，例如可以为但不限于为100μm/s、125μm/s、150μm/s、175μm/s或200μm/s；优选地，加工间隙为10～30μm，例如可以为但不限为10μm、15μm、20μm、25μm或30μm；分层厚度c2为0.5～1μm，例如可以为但不限为0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm；优选地，高频超短脉冲电源的电压V2为4～8V，例如可以为但不限于为4V、4.5V、5V、5.5V、6V、6.5V、7V、7.5V或8V。
在一些可选的实施方式中，微流控芯片注塑模具V形槽的底端圆角为锐角、直角或者钝角，其中锐角V形槽参考图12所示，钝角形槽参考图13所示。
本发明所述的工件材料可以是任意的导电金属金属包括但不限于为模具钢、铝合金或镍合金；在一些优选的实施方式中，工件材料优选使用P20模具钢、S136H模具钢或8047模具钢等具有硬度高、耐腐蚀性强、抛光性好等特点的模具钢材料，本发明提供的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法可实现模具钢材料的高效率、高精度的加工。
本发明还提供了一种使用上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法制备得到的微流控芯片注塑模具，该微流控芯片注塑模具质量佳，长度方向上深度一致性好，V型槽底端圆角较小。
本发明还提供了一种上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法或上述微流控芯片注塑模具在制备微流控芯片中的应用。将上述微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法或上述微流控芯片注塑模具应用于微流控芯片的制备，可制备出表面和角度质量佳的三角形凸起微结构，得到的微流控芯片的微结构精确，便于微流控芯片内的生物化学反应精确的进行。基于上述发明构思本发明还提供了一种微流控芯片的制备方法，该制备方法包括使用上述微流控芯片注塑模具制造微流控芯片，该制备方法基于上述发明构思，因此具有上述发明的所有有益效果，在此不再赘述。
实施例1
下面结合附图和具体的实施例，对本发明提供的一种微流控芯片注塑模具模芯的组合加工工艺进行阐述。本实施例提供了一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，V形槽为直线槽结构。其中以S136H模具钢为工件材料，S136H材料是一种具有优良的耐腐蚀性的塑料模具钢，具有耐腐蚀、耐应变、耐磨、易获得高光洁度的表面等特点，此材料在淬硬后，硬度可回火至50HRC，可以经过多次注塑而不产生形变。此材料制作的模具经过长期使用后，模具表面仍然能维持原先的光滑状态，且在潮湿的环境下操作或存储时，不需要特别的保护。
本实施例提供的微流控芯片注塑模具直线槽的制备方法的制备过程如图1-图4所示，先将第一圆柱电极1加工成第二微细圆柱电极2，然后将第二微细圆柱电极2加工成第三微细圆锥电极3(参考图1)；然后使用第三微细圆锥电极3电解铣削工件4(参考图2)；然后将第三微细圆锥电极3加工成第四尖端圆锥电极7(参考图3)；最后使用第四尖端圆锥电极7电解铣削V形槽的主体轮廓的底端，使V形槽的底端圆角由R1减小至R2(参考图4)，具体的，本实施例提供的制备方法包括如下步骤：
(a)采用线电极电火花磨削(WEDG:Wire Electrical Discharge Grinding)方法将材料为钨、直径为500μm的第一圆柱电极1加工成直径D3为187μm的第二微细圆柱电极2。利用材料为铜的平板电极8倾斜60°，通过电火花反拷第二微细圆柱电极2，制作具有68°锥角的第三微细圆锥电极3，参考图6所示，圆锥高度H3为158μm。电火花反拷加工参数为：脉冲电压110V，占空比10：10μs，工作液10为去离子水。
(b)使用三微细圆锥电极3电解铣削工件4：将工件4通过X、Y工作台移动到待加工位置，第三微细圆锥电极3随主轴旋转，X、Y工作台运动使工件4相对第三微细圆锥电极3进行运动扫描，先单层加工出单层V型槽的轮廓，接着再按照分层厚度c1逐层进给加工出V型槽的主体轮廓，参考图7所示。电解加工的参数为：脉冲电压V1为12V，占空比5：5μs，电解液为1mol/L NaClO3和0.01mol/L柠檬酸钠，初始加工间隙为30μm，扫描速度为300μm/s，分层厚度c1为5μm/层，进给层数为30层。加工出为底端角度80°、深度142μm、底端圆角R1为37μm的V型槽，扫描轨迹为1mm长的直线。
(c)利用线电极电火花磨削方法将第三微细圆锥电极3加工成第四尖端圆锥电极7，第三微细圆锥电极3旋转并轴向进给，配合工作液10和脉冲电源9，被线电极11放电蚀除得第四尖端圆锥电极7，参考图8所示。第四尖端圆锥电极7的圆锥高度H4为42μm。电火花加工参数为：脉冲电压110V，占空比10：10μs，工作液为去离子水。
(d)减小V型槽的底端圆角采用小脉冲电压、第四尖端圆锥电极7旋转的分层电解铣削方法进行加工，将工件4通过X、Y工作台移动到待加工位置，第四尖端圆锥电极7随主轴旋转，X、Y工作台运动，使得工件4相对第四尖端圆锥电极7进行运动扫描，先单层加工，后逐层进给，参考图9所示。电解加工的参数为：脉冲电压V2为6V，占空比5：5μs，电解液为1mol/LNaClO3和0.01mol/L柠檬酸钠，初始间隙为20μm，扫描速度为150μm/s，分层厚度c2为1μm/层，进给层数为20层。加工出为底端角度为80°、深度159μm、底端圆角R2为23μm的V型槽，扫描轨迹为1mm长的直线。
实施例2
本实施例提供了一种钝角非对称结构曲线V型槽的加工方法，其中各图标表示的机构元件和工件材料与实施例1相同。具体步骤以及参数如下：
(a)采用线电极电火花磨削(WEDG:Wire Electrical Discharge Grinding)方法将材料为钨、直径为500μm的第一圆柱电极1加工成直径D3为164μm的第二微细圆柱电极2。利用材料为铜的平板电极8倾斜30°，通过电解反拷第二微细圆柱电极2，制作具有115°锥角的第三微细圆锥电极3，参考图5所示，圆锥高度H3为49μm。电解反拷加工参数为：脉冲电压8V，占空比5：5μs，电解液为1mol/L NaClO3和0.01mol/L柠檬酸钠。
(b)使用三微细圆锥电极3电解铣削工件4：将工件4通过X、Y工作台移动到待加工位置，第三微细圆锥电极3随主轴旋转，X、Y工作台运动使工件4相对第三微细圆锥电极3进行运动扫描，先单层加工出单层V型槽的轮廓，接着再按照分层厚度c1逐层进给加工出V型槽的主体轮廓，参考图7所示。电解加工的参数为：脉冲电压V1为8V，占空比5：5μs，电解液为1mol/L NaClO3和0.01mol/L柠檬酸钠，初始加工间隙为25μm，扫描速度为200μm/s，分层厚度c1为2μm/层，进给层数为20层。扫描轨迹为半径长10mm的圆，电极轴线与工件法线夹角15°，加工出为底端角度126°、深度42μm、底端圆角R1为39μm的钝角非对称结构曲线V型槽。
(c)利用线电极电火花磨削方法将第三微细圆锥电极3加工成第四尖端圆锥电极7，第三微细圆锥电极3旋转并轴向进给，配合工作液10和脉冲电源9，被线电极11放电蚀除得第四尖端圆锥电极7，参考图8所示。第四尖端圆锥电极7的圆锥高度H4为22μm。电火花加工参数为：脉冲电压110V，占空比10：10μs，工作液为去离子水。
(d)减小V型槽的底端圆角采用小脉冲电压、第四尖端圆锥电极7旋转的分层电解铣削方法进行加工，将工件4通过X、Y工作台移动到待加工位置，第四尖端圆锥电极7随主轴旋转，X、Y工作台运动，使得工件4相对第四尖端圆锥电极7进行运动扫描，先单层加工，后逐层进给，参考图9所示。电解加工的参数为：脉冲电压V2为4V，占空比5：5μs，电解液为1mol/LNaClO3和0.01mol/L柠檬酸钠，初始间隙为15μm，扫描速度为100μm/s，分层厚度c2为0.5μm/层，进给层数为12层。扫描轨迹为半径长10mm的圆，电极轴线与工件法线夹角15°，加工出为底端角度126°、深度47μm、底端圆角R1为25μm的钝角非对称结构曲线V型槽。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (29)
1.一种微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)提供具有圆锥形尖端的第三微细圆锥电极，所述圆锥形尖端的高度为H3；
(b)使用所述第三微细圆锥电极电解铣削工件，使所述工件形成底端圆角为R1的V形槽的主体轮廓；
(c)在线加工所述第三微细圆锥电极成为第四尖端圆锥电极，使所述第四尖端圆锥电极的圆锥形尖端的高度H4＜H3；
(d)使用所述第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端，得到底端圆角为R2的V形槽，R2＜R1。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，先将第一圆柱电极在线加工成为直径为D3的第二微细圆柱电极，然后在线将第二微细圆柱电极加工成为所述第三微细圆锥电极。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，使用电解反拷加工或电火花反拷加工将所述第二微细圆柱电极加工成为所述第三微细圆锥电极。
4.根据权利要求2所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的电极直径D3为20～180μm。
5.根据权利要求2所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的圆锥角度为30°～180°。
6.根据权利要求2所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的圆锥高度H3为50～200μm。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极电解铣削工件包括使用旋转的第三微细圆锥电极，在电压为V1的条件下对工件进行分层扫描电解加工，形成底端圆角为R1的V形槽的主体轮廓；所述分层扫描电解加工包括先单层扫描加工工件，然后再按照分层厚度c1逐层进给。
8.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的电极转速为300～1000r/min。
9.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极分层扫描电解工件的扫描速度为180～360μm/s。
10.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极与工件的加工间隙为10～50μm。
11.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，分层厚度为c1为1～10μm。
12.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，电压V1为6～12V。
13.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是直线运动。
14.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极相对工件做的平面运动是曲线运动。
15.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线平行。
16.根据权利要求7所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第三微细圆锥电极的轴线与工件表面的法线不平行。
17.根据权利要求1所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，利用线电极磨削加工第三微细圆锥电极得到第四尖端圆锥电极。
18.根据权利要求1所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第四尖端圆锥电极电解铣削所述V形槽的主体轮廓的底端包括使用旋转的第四尖端圆锥电极，在电压为V2的条件下对所述V形槽的主体轮廓的底端进行分层扫描电解加工，形成底端圆角为R2的V形槽；其中V2＜V1；
所述分层扫描电解加工包括先单层扫描所述V形槽的主体轮廓的底端，然后再按照分层厚度c2逐层进给；c2<c1。
19.根据权利要求18所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第四尖端圆锥电极的电极转速为300～1000r/min。
20.根据权利要求18所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第四尖端圆锥电极分层扫描电解所述V形槽的主体轮廓的底端的扫描速度为50～150μm/s。
21.根据权利要求18所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，第四尖端圆锥电极与所述V形槽的主体轮廓的底端的加工间隙为10～30μm。
22.根据权利要求18所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，分层厚度为c2为0.5～1μm。
23.根据权利要求18所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，电压V2为4～8V。
24.根据权利要求1-23任一项所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，微流控芯片注塑模具V形槽的底端圆角为锐角、直角或者钝角。
25.根据权利要求1-23任一项所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，所述工件的材料包括导电的金属。
26.根据权利要求25所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，所述导电的金属包括模具钢、铝合金或者镍合金。
27.根据权利要求26所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法，其特征在于，所述模具钢包括P20模具钢、S136H模具钢或8047模具钢。
28.采用权利要求1-27中任一项所述的微流控芯片注塑模具V形槽的制备方法制备得到的微流控芯片注塑模具。
29.一种微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括使用权利要求28所述的微流控芯片注塑模具制造微流控芯片。
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