CN110076940A - 一种基于金属微观结构的精密模具 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的一种基于金属微观结构的精密模具，包括：衬底；牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部；三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。解决了现有技术中成型技术对金属材料的消耗大、制造成本高，对特殊三维结构的成型精度难以控制的技术问题。达到了高精度的对任意结构微型金属模具的立体三维机械加工，降低加工成本，减小精密微小零件装配带来的对准容差及废品率的技术效果。

Description

一种基于金属微观结构的精密模具
技术领域
本发明涉及微观模具加工技术领域，尤其涉及一种基于金属微观结构的精密模具。
背景技术
塑料、高分子聚合物等具有工艺简单、重复性好、成本控制好、生物兼容性高等优点。为了实现小尺寸精细结构零配件的高精度低成本批量制备，高质量图形结构和使用寿命的金属模具制备，是其中的关键技术。传统的高可靠性、长寿命金属作为模具材料，在压塑、注塑等低成本批量化生产领域的应用已经越来越广泛。已有部分研究采用了激光、干法刻蚀等方式，能够由计算机辅助设计模型，设计和对金属模具的加工进行微米量级的精密尺度结构研制。但是对于涉及到微小尺度的特殊三维结构性质控制，表面粗糙度、曲率控制、微小立体结构高保形等特征，现有方案无法保障。
申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术中的激光熔覆或刻蚀减材制造成型技术对金属材料的消耗大、成型时间长、制造成本高，对高深宽比等特殊三维结构的成型精度难以控制。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于金属微观结构的精密模具，解决了现有技术中激光熔覆或刻蚀减材制造成型技术对金属材料的消耗大、成型时间长、制造成本高，对高深宽比等特殊三维结构的成型精度难以控制的技术问题。
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种基于金属微观结构的精密模具，所述模具包括：衬底，所述衬底为固体材料的支撑衬底；牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部，所述结构层的顶面裸露在所述牺牲层之上；三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔设置在所述结构层上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。
进一步的，所述模具包括：N层结构层，所述N层结构层逐层叠加在所述牺牲层上，且所述N层结构层中每层结构层均具有与其对应的三维结构内部腔体。
进一步的，所述N层结构层中的各个三维结构内部腔体的形状互不相同。
进一步的，所述衬底具有台阶结构。
进一步的，所述牺牲层厚度大于所述衬底台阶结构的厚度。
进一步的，所述模具精度为0.1～500微米线宽量级。
进一步的，所述牺牲层包括：第一牺牲层，所述第一牺牲层附着于所述衬底上；第二牺牲层，所述第二牺牲层附着于所述第一牺牲层上，且所述第二牺牲层中设置有所述结构层。
进一步的，所述结构层底面厚度与所述三维结构内部腔体的最大深度之和与所述第二牺牲层的厚度相等。
进一步的，所述三维结构内部腔体的剖面图形为任意直线走向和/或曲线走向图形截面。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供的一种基于金属微观结构的精密模具，包括：衬底，所述衬底为固体材料的支撑衬底；牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部，所述结构层的顶面裸露在所述牺牲层之上；三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔设置在所述结构层上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。解决了现有技术中激光熔覆或刻蚀减材制造成型技术对金属材料的消耗大、成型时间长、制造成本高，对高深宽比等特殊三维结构的成型精度难以控制的技术问题。达到了通过牺牲层材料的选择性去除，高精度的实现对任意结构微型金属模具的立体三维机械加工，降低加工成本，减小精密微小零件装配带来的对准容差及废品率的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具三维成型工艺(附着于衬底的三维立体结构)流程示意图。
图2为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具三维成型工艺(独立的三维立体结构)流程示意图。
图3为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具的衬底结构示意图。
图4为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具在牺牲层表面完成结构层制备后的示意图。
图5为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具加工出完整的材料层结构后的示意图。
图6为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具牺牲层制备的示意图。
图7为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具结构层图案完整露出的示意图。
图8为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具最后一层结构层制备的示意图。
图9为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具完整的三维结构样品的示意图。
图10为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具批量精密加工出的三维结构样品的示意图。
图11为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具批量精密加工出的任意截面的三维结构样品的示意图。
图12为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具批量精密加工出的任意截面的隆起三维结构样品的示意图。
图13为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具批量精密加工出的微腔三维结构样品的示意图。
图14为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具带有微细图形的模具腔体结构示意图。
图15为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具待粘附封装的单层零件结构示意图。
图16为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具制备出完整的腔体结构零件示意图。
图17为本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具制备出完整的零件示意图。
附图标记说明：衬底1，牺牲层2，结构层3，三维结构内部腔体4，三维结构腔体外部通孔5，带有微细图形的模具腔体结构6，模具腔体背衬结构7，单层零件关键结构8，金属模具腔体上的后续工艺进料入口9，零件上的后续工艺进料入口10，盖板零件11，完整的腔体结构零件(8+11)12。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于金属微观结构的精密模具，用于解决现有技术中激光熔覆或刻蚀减材制造成型技术对金属材料的消耗大、成型时间长、制造成本高，对高深宽比等特殊三维结构的成型精度难以控制的技术问题
本发明提供的技术方案总体思路如下：包括：衬底，所述衬底为固体材料的支撑衬底；牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部，所述结构层的顶面裸露在所述牺牲层之上；三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔设置在所述结构层上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
本发明实施例的一种基于金属微观结构的精密模具，请参考图1-图9，所述模具包括：
衬底1，所述衬底1为固体材料的支撑衬底；
具体而言，衬底1支撑上部模具结构，应选择合适的固体材料作为支撑衬底。
牺牲层2，所述牺牲层2附着于所述衬底上；
具体而言，牺牲层2将来被刻蚀后形成空腔，呈现零件的大致形状。在牺牲层2制备中，根据释放工艺选择合理的牺牲层2材料作为支撑层，进行牺牲层2薄膜沉积。根据材料的不同，采用合理配比的电镀液，第零层牺牲层的制备中，需要安装第零层牺牲层所需的原材料靶材并调整电压、电流、温度、时间等工艺参数，然后制备出所需厚度的第零层牺牲层材料。
结构层3，所述结构层3嵌于所述牺牲层2内，且所述结构层3的底面位于所述牺牲层2内部，所述结构层3的顶面裸露在所述牺牲层2之上；
具体而言，制备附着于衬底1的三维立体结构金属模具时，需要制作第零层牺牲层作为结构层材料的支撑层，制备独立的三维立体结构金属模具时则不需要制作第零层牺牲层，使下一层制备的结构层能够直接接触到衬底1材料。完成所需某层结构层3材料电铸之后，或者完成所有结构层3及牺牲层2材料电铸之后，可以采用热处理的方式调整材料晶格结构，以达到降低界面及材料内部应力及应力梯度、提升材料粘附性、机械性能、电学性能、表面光洁度等目标。
三维结构内部腔体4，所述三维结构内部腔体4位于所述结构层3内部；
具体而言，选择合适的固体材料作为支撑衬底后，然后制备第零层原始牺牲层作为结构层材料的支撑层，然后进行第1层结构层制备，并微细加工出完整的第1层包含腔体的材料层结构，然后进行第1层牺牲层制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出，然后根据设计从第零层原始牺牲层制备开始循环重复2次，最后刻蚀去除牺牲层2材料，得到三维结构内部腔体4结构。
三维结构腔体外部通孔5，所述三维结构腔体外部通孔5设置在所述结构层3上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔5与所述三维结构内部腔体4相连通。
具体而言，三维结构腔体外部通孔5设置在结构层3上表面并与三维结构内部腔体4相连通，三维结构腔体外部通孔5结构用作后续注塑工艺进料入口。
进一步的，所述模具包括：N层结构层，所述N层结构层逐层叠加在所述牺牲层2上，且所述N层结构层中每层结构层3均具有与其对应的三维结构内部腔体4。
具体而言，设备将根据加工样件的结构设计，总共进行N+1层结构层沉积与加工，同时去除材料的总厚度h4.n将大于上一层牺牲层2厚度h2.n，使得完成平坦化的结构上表面能够露出结构层3材料，去除工艺将使得暴露出的第N层结构层厚度减薄h1.n.2，将使得剩余的第N层结构层总厚度达到设计厚度h1.n.1，第N+1层结构层薄膜厚度h1.n+1(h1.n+1＝h1.n+1.1+h1.n+1.2)需要大于所设计的该层结构所需厚度h1.n+1.1，以留出后续平坦化工艺所需的厚度余量h1.n+1.2。
进一步的，所述N层结构层中的各个三维结构内部腔体4的形状互不相同。
具体而言，在微细加工出完整的第N+1层材料层结构中，将根据结构设计采用合理的微细加工方案对该层结构层3材料进行图形化加工，完成加工的图形结构可以具有单层图形结构或者多层结构。
进一步的，所述衬底1具有台阶结构。
具体而言，衬底1可以是平坦的平面衬底，或者具有台阶结构的形貌。
进一步的，所述牺牲层2厚度大于所述衬底1台阶结构的厚度。
具体而言，如果衬底1具有台阶结构，可以在结构层3材料制备工艺之前，通过增加一步平坦化工艺，以方便后续步骤顺利进行。第零层牺牲层的厚度h2.0需要完全覆盖所有衬底1或者所有衬底1的台阶结构。
进一步的，所述模具精度为0.1～500微米线宽量级。
具体而言，该设备精细加工可以达到0.1～500微米线宽量级的图形精度。
进一步的，所述牺牲层2包括：第一牺牲层，所述第一牺牲层附着于所述衬底上；第二牺牲层，所述第二牺牲层附着于所述第一牺牲层上，且所述第二牺牲层中设置有所述结构层3。
具体而言，和传统的模具加工相似，为了获得具有复杂三维结构的模具，需要多个牺牲层2，结构层3就存在于牺牲层2中。
进一步的，所述结构层3底面厚度与所述三维结构内部腔体4的最大深度之和与所述第二牺牲层的厚度相等。
具体而言，在该加工过程中，可以利用合理的设计，使得局部区域去除材料的最大深度h3.n大于第N层结构层材料厚度h1.n，以精简金属样的总体加工流程步骤数。
进一步的，所述三维结构内部腔体4的剖面图形为任意直线走向和/或曲线走向图形截面。
具体而言，完成加工的第N层图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面。
实施例二
针对实施例一，本申请实施例还提供了一种基于金属微观结构的精密模具的制备方法，具体包括：
基于金属微观结构的精密模具批量三维成型工艺流程(附着于衬底的三维立体结构)如图1。采用该方案可以在单片衬底1上批量加工出附着于衬底1的完整的三维结构。该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第1层结构层3制备，并微细加工出完整的第1层材料层结构；然后进行第1层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复N次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构模具。
实施例三
针对实施例一，本申请实施例还提供了一种基于金属微观结构的精密模具的制备方法，具体包括：
基于金属微观结构的精密模具批量三维成型工艺流程(批量制备独立的三维立体结构)如图2。采用该方案可以在单片衬底1上批量加工出附着于衬底1的完整的三维结构样品。该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第1层结构层3制备，并微细加工出完整的第1层材料层结构；然后进行第1层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复N次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构模具。
实施例四
针对实施例一，本申请实施例还提供了一种基于金属微观结构的精密模具的制备方法，具体包括：
基于金属微观结构的精密模具批量精密加工工艺流程如图3～图9。首先选择合适的固体材料作为支撑衬底，完成零层原始牺牲层2制备，作为结构层材料的支撑层；在牺牲层2表面完成结构层制备；微细加工出完整的材料层结构；牺牲层2制备；进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的结构层3图案完整露出；最后一层结构层3制备，之后微细加工出完整的最后一层材料层结构，完成加工的图形结构可以具有单层图形结构或者多层结构图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面；刻蚀去除牺牲层2材料，获得独立的完整的三维结构样品如图10～图13。
实施例五
针对实施例一，本申请实施例还提供了一种基于金属微观结构的精密模具的制备完整的腔体结构零件的方法，具体包括：
基于金属微观结构的精密模具的制备完整的腔体结构零件的方法如图14～图16。选定模具腔体背衬结构材料7，按照零件结构尺寸，结合带有微细图形的模具腔体结构，并在金属模具腔体上保留后续工艺进料入口9，完成后道注塑工艺需要的模具(6+7)；选用合适的较低成本、较好韧性、具有良好的化学惰性、生物安全性的高分子材质(如PMMA、聚氯乙烯(PVC)，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、ABS、聚氨酯、聚酰胺、热塑性弹性体、聚砜和聚醚醚酮等)，采用注塑工艺，在模具中注塑成型单层零件关键结构8(如微流道网络)，零件上可以带有通孔结构或后续工艺进料入口10。待粘附封装的单层零件关键结构8(如微流道网络)，其可以带有通孔结构或后续工艺进料入口11，可以便于多层零件叠层结合。同时盖板零件11上(正面，或者正反两面)可以带有粘附材料，用于零件的封装。单层零件关键结构8(如微流道网络)与盖板零件11结合，制备出完整的腔体结构零件12。采用批量精密加工的金属模具做出的零件如图17。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供的一种基于金属微观结构的精密模具，包括：衬底，所述衬底为固体材料的支撑衬底；牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部，所述结构层的顶面裸露在所述牺牲层之上；三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔设置在所述结构层上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。解决了现有技术中激光熔覆或刻蚀减材制造成型技术对金属材料的消耗大、成型时间长、制造成本高，对高深宽比等特殊三维结构的成型精度难以控制的技术问题。达到了通过牺牲层材料的选择性去除，高精度的实现对任意结构微型金属模具的立体三维机械加工，降低加工成本，减小精密微小零件装配带来的对准容差及废品率的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于金属微观结构的精密模具，其特征在于，所述模具包括：
衬底，所述衬底为固体材料的支撑衬底；
牺牲层，所述牺牲层附着于所述衬底上；
结构层，所述结构层嵌于所述牺牲层内，且所述结构层的底面位于所述牺牲层内部，所述结构层的顶面裸露在所述牺牲层之上；
三维结构内部腔体，所述三维结构内部腔体位于所述结构层内部；
三维结构腔体外部通孔，所述三维结构腔体外部通孔设置在所述结构层上表面上，且所述三维结构腔体外部通孔与所述三维结构内部腔体相连通。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具包括：
N层结构层，所述N层结构层逐层叠加在所述牺牲层上，且所述N层结构层中每层结构层均具有与其对应的三维结构内部腔体。
3.如权利要求2所述的模具，其特征在于，所述N层结构层中的各个三维结构内部腔体的形状互不相同。
4.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述衬底具有台阶结构。
5.如权利要求4所述的模具，其特征在于，所述牺牲层厚度大于所述衬底台阶结构的厚度。
6.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具精度为0.1～500微米线宽量级。
7.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述牺牲层包括：
第一牺牲层，所述第一牺牲层附着于所述衬底上；
第二牺牲层，所述第二牺牲层附着于所述第一牺牲层上，且所述第二牺牲层中设置有所述结构层。
8.如权利要求7所述的模具，其特征在于，所述结构层底面厚度与所述三维结构内部腔体的最大深度之和与所述第二牺牲层的厚度相等。
9.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述三维结构内部腔体的剖面图形为任意直线走向和/或曲线走向图形截面。
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