CN110001049B - 一种结构表面微小结构成型工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种结构表面微小结构成型工艺方法，所述一种结构表面微小结构成型工艺方法包括结构表面特征分析、试剂材料配备、路径规划、压电微喷装置、试剂材料沉积、涂层检测和形成表面微小结构步骤；通过对成型目标面的结构表面特征分析为试剂材料配备提供参考；通过路径规划在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，将在目标轨迹的约束下引导液滴扩散，提升液体扩散的均匀一致性。该成型工艺具有操作简便、价格低廉、成型速度快、成型分辨率高、工作噪音低小及满足多种材料喷射成型要求的优势，有望对生物医疗、航空航天、材料、化学及微电子等领域的发展产生积极的推动作用。
Description
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，特别是涉及一种结构表面微小结构成型工艺方法。
背景技术
快速成型技术是基于“离散/堆积”思想的“增长型”制造方法，通常借助计算机、激光、微喷射、精密传动和数控等现代手段，集成计算机辅助设计和计算机辅助制造于一体，根据在计算机上设计的三维数据模型，能在很短时间内直接制造产品或者试样。快速成型技术是一种全新的制造理念，即加法式增材制造。与传统减法式去除材料加工的方式相比，加法式增材制造方式加工精度高、材料利用率高并且能够制造任意复杂形状零件，具有明显的优势。采用快速成型技术，整个加工过程中只需要快速成型设备，摆脱了传统加工方法对多种加工工具、工装和模具的依赖，加工工艺简化，加工速度也明显提高。
目前，快速成型技术主要包括光固化快速成型、分层实体制造法、选择性激光烧结、熔融沉积成型、压电喷射成型。相比于光固化快速成型、分层实体制造法、选择性激光烧结以及熔融沉积成型等技术存在的加工成本高、污染环境、材料耗损大、表面质量较差及成型对象受限等技术问题，压电喷射成型技术具有成型速度较快、成型分辨率高、材料适用范围广以及无污染、无噪音等优点，已经在快速成型技术领域得到了更为广泛的应用。
发明内容
本发明目的是为了解决传统光固化快速成型、分层实体制造法、选择性激光烧结及熔融沉积成型等存在的加工成本高、污染环境、材料耗损大、表面质量较差及成型对象受限等技术问题，同时为满足生物医疗、航空航天、材料化学以及微电子器件等领域对表面微小结构成型的技术需求，提出了一种结构表面微小结构成型工艺方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种结构表面微小结构成型工艺方法，具体包括以下步骤：S1：结构表面特征分析、S2：试剂材料配备、S3：路径规划、S4：压电微喷装置、S5：试剂材料沉积、S6：涂层检测和S7：形成表面微小结构；通过对成型目标面的结构表面特征分析为试剂材料配备提供参考；通过路径规划在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，当压电微喷装置喷射的液滴作用于目标轨迹时，将在目标轨迹的约束下引导液滴扩散，提升液体扩散的均匀一致性，同时也加速了试剂材料在成型目标面的成型速度；对于试剂材料沉积阶段，需要对压电微喷装置的喷射状态进行监测，以防止在喷射过程中出现喷射故障，影响微小结构成型；然后进行涂层检测，若在目标面上成型的微小结构达到了加工精度的要求，则形成的微小结构合格；若未达到加工精度的要求，则改变工艺参数，精确涂覆厚度，进行重复沉积过程，直到成型的微小结构达到成型目标面的加工精度要求；最后形成表面微小结构。
进一步地，所述结构表面特征分析包括对结构的密度、弹性模量和泊松比进行分析，同时了解结构的疏水性或亲水性，以便于确定选取的成型试剂类型，使选用的试剂在喷射至成型目标面发生流体-结构相互接触时，能够在表面张力、惯性力及粘性力作用下，实现目标轨迹内的理想扩散流动。
进一步地，所述试剂材料配备包括试剂准备、试剂配比和试剂筛选三个环节；试剂准备完毕，进行试剂配比，试剂配比的依据是由成型目标面的密度、弹性模量和泊松比决定的，同时成型目标面的疏水性或亲水性也是试剂配比过程中的重要参考；试剂配制完毕后，放置3～6个小时；试剂筛选的目的是为了对试剂中的杂质颗粒进行过滤，选择直径为20μm～30μm的精密过滤装置，防止杂质颗粒堵塞压电微喷装置。
进一步地，所述路径规划是基于多自由度调资机构3-1、刻划组件3-2和金刚石刻头3-3实现的；所述多自由度调资机构3-1与刻划组件3-2固定连接，所述刻划组件3-2与金刚石刻头3-3固定连接；所述多自由度调资机构3-1能够实现XY平面内的任意轨迹规划，所述多自由度调资机构3-1沿Z轴方向的自由度能够实现成型目标面轨迹刻划深度的调整；通过多自由度调资机构3-1与刻划组件3-2的结合，在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，通过目标轨迹约束引导液滴扩散，加速喷射试剂成型速度，并促进成型过程中表面微小结构的均匀一致性。
进一步地，所述压电微喷装置能够实现对单个微小尺寸液滴的喷射，通过采用不同的喷射装置构型、工作模式和驱动波形，能够实现液滴尺寸的调控。
进一步地，所述试剂材料沉积是对压电微喷装置喷射至成型目标面的试剂材料进行沉积，试剂材料作用于目标面是沿着刻划的目标轨迹进行扩散成型，在成型目标面上形成涂层，进行补偿；利用带有频闪LED系统的CCD相机进行压电微喷装置的喷射状态监测，以防止由于喷射故障影响材料沉积成型的精度。
进一步地，所述涂层检测是通过激光位移传感LK-H020对涂层的厚度进行检测，间接地对成型目标面的微小结构加工精度进行评价，如果加工精度达到要求，则最终形成表面微小结构；若加工精度不满足要求，则改变工艺参数，精确涂层的厚度，再一次进行试剂的喷射，直到微小结构加工精度满足要求为止。
进一步地，所述形成表面微小结构是根据试剂材料特性选择冷却处理或高温处理辅助成型方式加快成型目标面的微小结构固化成型。
进一步地，所述喷射装置构型包括剪切型压电微喷装置4-1、挤压型压电微喷装置4-2、弯曲型压电微喷装置4-3、推杆型压电微喷装置4-4和撞针型压电微喷装置4-5；所述工作模式包括拉推法和推拉法；所述驱动波形包括正弦波、三角波、方波、梯形波、双极波、M型波和W型波。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种结构表面微小结构成型工艺方法，该成型工艺具有操作简便、价格低廉、成型速度快、成型分辨率高、工作噪音低小及满足多种材料喷射成型要求的优势，有望对生物医疗、航空航天、材料、化学及微电子等领域的发展产生积极地推动作用。
附图说明
图1为一种结构表面微小结构成型工艺的工艺流程框图；
图2为一种结构表面微小结构成型工艺的路径规划实现方式示意图；
图3为一种结构表面微小结构成型工艺的压电微喷装置的五种构型示意图；
图4为一种结构表面微小结构成型工艺的压电微喷装置的两种工作模式示意图；
图5为一种结构表面微小结构成型工艺的压电微喷装置的七种驱动波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
结合图1，本发明提出一种结构表面微小结构成型工艺方法；所述一种结构表面微小结构成型工艺方法包括S1：结构表面特征分析、S2：试剂材料配备、S3：路径规划、S4：压电微喷装置、S5：试剂材料沉积、S6：涂层检测和S7：形成表面微小结构；通过对成型目标面的结构表面特征分析为试剂材料配备提供参考；通过路径规划在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，当压电微喷装置喷射的液滴作用于目标轨迹时，将在目标轨迹的约束下引导液滴扩散，提升液体扩散的均匀一致性，同时也加速了试剂材料在成型目标面的成型速度；对于试剂材料沉积阶段，首先需要对压电喷射装置的喷射状态进行监测，以防止在喷射过程中出现喷射故障，影响一种结构表面的微小结构成型；然后进行涂层检测，若在目标面上成型的微小结构达到了加工精度的要求，则在一种结构表面形成的微小结构合格；若未达到加工精度的要求，则通过改变工艺参数，精确涂覆厚度，进行重复沉积过程，直到成型的微小结构达到成型目标面的加工精度要求；最后形成表面微小结构。
所述结构表面特征分析包括对结构的密度、弹性模量和泊松比进行分析，同时了解结构的疏水性或亲水性，以便于确定选取的成型试剂类型，使选用的试剂在喷射至成型目标面发生流体-结构相互接触时，能够在表面张力、惯性力及粘性力等作用下，实现目标轨迹内的理想扩散流动。
所述试剂材料配备主要包括试剂准备、试剂配比和试剂筛选三个环节；试剂准备完毕，进行试剂配比，试剂配比的依据是由成型目标面的密度、弹性模量和泊松比决定的，同时成型目标面的疏水性或亲水性也是试剂配比过程中的重要参考；试剂配制完毕后，一般要放置3～6个小时，目的是配比的试剂混合溶液充分溶解，提升试剂的均匀一致性；试剂筛选的目的是为了试剂中较大的杂质颗粒进行过滤，一般选择直径为20μm～30μm的精密过滤装置，防止较大的固体颗粒堵塞压电微喷装置。
结合图2，所述路径规划主要是基于多自由度调资机构3-1、刻划组件3-2和金刚石刻头3-3实现的；所述多自由度调资机构3-1与刻划组件3-2固定连接，所述刻划组件3-2与金刚石刻头3-3固定连接；所述多自由度调资机构3-1能够实现成型目标面(即XY平面)内的任意轨迹规划，所述多自由度调资机构3-1沿Z轴方向的自由度能够实现成型目标面轨迹刻划深度的调整；通过多自由度调资机构3-1与刻划组件3-2的结合，在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，通过目标轨迹约束引导液滴扩散，加速喷射试剂成型速度，并促进成型过程中表面微小结构的均匀一致性。
所述压电微喷装置能够通过不同的方式实现微量流体的调控；
结合图3，在喷射装置构型方面：包括剪切型压电微喷装置4-1、挤压型压电微喷装置4-2、弯曲型压电微喷装置4-3、推杆型压电微喷装置4-4和撞针型压电微喷装置4-5；所述剪切型压电微喷装置4-1、挤压型压电微喷装置4-2、弯曲型压电微喷装置4-3和推杆型压电微喷装置4-4主要适合喷射较低粘度的试剂材料；所述弯曲型压电微喷装置4-3和推杆型压电微喷装置4-4在工业应用中最为普遍；所述撞针型压电微喷装置4-5由于自身的结构特点和工作方式非常适合喷射高粘度的试剂材料；
结合图4，在驱动模式方面：包括拉推法和推拉法驱动；推拉法和拉推法两种驱动模式的特点如下：
a)对于给定的喷孔直径，工作在拉推模式下，压电微喷装置能够产生的微滴直径大约是推拉模式产生微滴直径的一半；
b)工作在拉推模式下，压电微喷装置产生的微滴速度更快；
c)工作在拉推模式下，压电微喷装置产生微滴所需要的驱动电压仅为推拉模式的一半；
综上所述，工作在拉推模式下，压电微喷装置更适合喷射较小颗粒直径的溶液进行微小结构的成型；工作在推拉模式下，压电微喷装置更适合喷射较大颗粒直径的溶液进行微小结构的成形。
在驱动波形方面：典型代表为正弦波(如图5(a)所示)、三角波(如图5(b)所示)、方波(如图5(c)所示)、梯形波(如图5(d)所示)、双极波(如图5(e)所示)、M型波(如图5(f)所示)和W型波(如图5(g)所示)；当采用正弦波、三角波、方波和梯形波对压电微喷装置进行激励时，容易致使压电微喷装置的腔体内产生残余振动，影响液滴喷射的均匀一致性，进而影响成型精度，但是对于精度要求不高的表面微小结构成型，可以采用正弦波、三角波、方波、梯形波激励；采用双极波、M型波和W型波能够较好地避免腔体内残余振动的产生，因此，双极波、M型波和W型是进行成型目标面微小结构成型过程中首选的激励波形。
所述试剂材料沉积主要对压电微喷装置喷射至成型目标面的试剂材料进行沉积，试剂材料作用于目标面主要是沿着刻划的目标轨迹进行扩散成型，在成型目标面上形成涂层，进行补偿；利用带有频闪LED系统的CCD相机进行压电喷射装置的喷射状态监测，以防止由于喷射故障影响材料沉积成型的精度。
所述涂层检测主要通过激光位移传感LK-H020对涂层的厚度进行检测，间接地对成型目标面的微小结构加工精度进行评价，如加工精度达到要求，则最终形成表面微小结构；若加工精度不满足要求，则通过改变工艺参数(如：微喷装置的构型、驱动模式或者驱动波形)，精确涂层的厚度，再一次进行试剂的喷射，直到微小结构加工精度满足要求为止。
所述形成表面微小结构是一种结构表面微小结构成型工艺的最后一道工序，根据试剂材料特性选择合适的辅助成型方法，可以采用冷却处理或高温处理等方式加快成型目标面的微小结构固化成型。
以上对本发明所提供的一种结构表面微小结构成型工艺方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1：结构表面特征分析、S2：试剂材料配备、S3：路径规划、S4：压电微喷装置、S5：试剂材料沉积、S6：涂层检测和S7：形成表面微小结构；通过对成型目标面的结构表面特征分析为试剂材料配备提供参考；通过路径规划在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，当压电微喷装置喷射的液滴作用于目标轨迹时，将在目标轨迹的约束下引导液滴扩散，提升液体扩散的均匀一致性，同时也加速了试剂材料在成型目标面的成型速度；对于试剂材料沉积阶段，需要对压电微喷装置的喷射状态进行监测，以防止在喷射过程中出现喷射故障，影响微小结构成型；然后进行涂层检测，若在目标面上成型的微小结构达到了加工精度的要求，则形成的微小结构合格；若未达到加工精度的要求，则改变工艺参数，精确涂覆厚度，进行重复沉积过程，直到成型的微小结构达到成型目标面的加工精度要求；最后形成表面微小结构；
所述结构表面特征分析包括对结构的密度、弹性模量和泊松比进行分析，同时了解结构的疏水性或亲水性，以便于确定选取的成型试剂类型，使选用的试剂在喷射至成型目标面发生流体-结构相互接触时，能够在表面张力、惯性力及粘性力作用下，实现目标轨迹内的理想扩散流动；
所述路径规划是基于多自由度调姿 机构(3-1)、刻划组件(3-2)和金刚石刻头(3-3)实现的；所述多自由度调姿 机构(3-1)与刻划组件(3-2)固定连接，所述刻划组件(3-2)与金刚石刻头(3-3)固定连接；所述多自由度调姿 机构(3-1)能够实现XY平面内的任意轨迹规划，所述多自由度调姿 机构(3-1)沿Z轴方向的自由度能够实现成型目标面轨迹刻划深度的调整；通过多自由度调姿 机构(3-1)与刻划组件(3-2)的结合，在成型目标面上刻划出期望的目标轨迹，通过目标轨迹约束引导液滴扩散，加速喷射试剂成型速度，并促进成型过程中表面微小结构的均匀一致性。
2.根据权利要求1所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述试剂材料配备包括试剂准备、试剂配比和试剂筛选三个环节；试剂准备完毕，进行试剂配比，试剂配比的依据是由成型目标面的密度、弹性模量和泊松比决定的，同时成型目标面的疏水性或亲水性也是试剂配比过程中的重要参考；试剂配制完毕后，放置3～6个小时；试剂筛选的目的是为了对试剂中的杂质颗粒进行过滤，选择直径为20μm～30μm的精密过滤装置，防止杂质颗粒堵塞压电微喷装置。
3.根据权利要求1所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述压电微喷装置能够实现对单个微小尺寸液滴的喷射，通过采用不同的喷射装置构型、工作模式和驱动波形，能够实现液滴尺寸的调控。
4.根据权利要求1所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述试剂材料沉积是对压电微喷装置喷射至成型目标面的试剂材料进行沉积，试剂材料作用于目标面是沿着刻划的目标轨迹进行扩散成型，在成型目标面上形成涂层，进行补偿；利用带有频闪LED系统的CCD相机进行压电微喷装置的喷射状态监测，以防止由于喷射故障影响材料沉积成型的精度。
5.根据权利要求1所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述涂层检测是通过激光位移传感LK-H020对涂层的厚度进行检测，间接地对成型目标面的微小结构加工精度进行评价，如果加工精度达到要求，则最终形成表面微小结构；若加工精度不满足要求，则改变工艺参数，精确涂层的厚度，再一次进行试剂的喷射，直到微小结构加工精度满足要求为止。
6.根据权利要求1所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述形成表面微小结构是根据试剂材料特性选择冷却处理或高温处理辅助成型方式加快成型目标面的微小结构固化成型。
7.根据权利要求3所述的一种结构表面微小结构成型工艺方法，其特征在于：所述喷射装置构型包括剪切型压电微喷装置(4-1)、挤压型压电微喷装置(4-2)、弯曲型压电微喷装置(4-3)、推杆型压电微喷装置(4-4)和撞针型压电微喷装置(4-5)；所述工作模式包括拉推法和推拉法；所述驱动波形包括正弦波、三角波、方波、梯形波、双极波、M型波和W型波。
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