CN111390658A - 微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法 - Google Patents

微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法，属于微细特种加工技术领域，其包括：工作平台、电源、3D打印模具、工作液水槽、超声振动系统，工作平台用于电泳辅助微细超声加工装置的固定；工作液水槽设置有电泳辅助电极；超声振动系统固定连接于转接模块下端；电泳直流电源正极端与工具电连接，负极端与电泳辅助电极电连接；将工件与3D打印模具组装，放置于工作液水槽内的电泳辅助电极中间位置，且对应工具设置。本发明提出的加工装置及加工方法，使任何复杂结构的微流道都可以通过三维建模、切片和打印成型制作出实物模具，然后利用电泳辅助微细超声加工装置将模具形状复印到工件上，使复杂结构微流道实现制作。

Description

微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法
技术领域
本发明属于微细特种加工技术领域，具体涉及微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法。
背景技术
微流道是微反应器和微流控系统的重要组成部分，集成微流道系统被广泛应用于化学、光学、生物医疗和军事等领域。玻璃、陶瓷、硅等材料因其化学性能稳定、可靠性高和抗高压高温好、利于电渗流驱动等优点，是制备微流道的高性能材料。但玻璃、硅等硬脆性材料的脆性大使其微加工困难，若采用特殊的工艺制备微流控组件成本高昂，制约了玻璃、硅等硬脆性材料在微流道领域大规模使用。
近年来，微流道加工工艺取得了快速发展，常用的玻璃微加工工艺包括：化学刻蚀，机械加工，超声加工，玻璃热成型，激光加工等。1)化学刻蚀微流道是目前主要采用的加工方式，需经过表面处理、涂光刻胶、光学曝光、显影等工艺获得所需图形作为掩模板再经过HF腐蚀环境得到成形的微流道，工艺过程繁琐成本高且不环保；2)机械加工玻璃微流道需要使用特定的刀具磨具，加工时需要控制玻璃应力，难度较大；3)玻璃热成型常分为压制成型、吹制成型、扎制成型，是利用玻璃的黏度随温度降低而连续的快速增加的性质，随着黏度的变化，可以流动的玻璃逐渐硬化为固体，而微流控领域需要大面积精细的流道结构，若采用这一方法，将使得过程更加复杂，成本更高； 4)激光加工微流道是通过高能激光束聚焦到材料代加工区表面产生高温熔化或气化加工形成加工形貌，该方式工艺简单、图案直写不需要掩模、环保高效。5)常规超声加工需要制作与微流道相配合的特定形状的工具，微流道尺寸越小制作超声加工用的工具难度将急剧增加，而且微尺度的工具极易磨损，另外磨料的利用率低。目前普遍认为激光是微纳加工的强有力的工具之一，但由于玻璃材料透过性好，普通红外波段激光在玻璃表面很难聚焦，而采用蓝紫波段或超快激光加工微结构，加工成本较高。
因此，急需一种制造成本低、环保、能够保障加工质量的加工装置及方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种制造成本低、环保、能够保障加工质量的微流道电泳辅助微细超声加工装置及方法。本发明的内容如下：
微流道电泳辅助微细超声加工装置，包括：工作平台、电源、3D打印模具、工作液水槽、超声振动系统，所述工作平台包括大理石平台和二维运动平台；所述大理石平台用于电泳辅助微细超声加工装置的固定；所述二维运动平台设置于所述大理石平台上平面的一端；所述大理石平台上平面的另一端设置有大理石立柱，所述大理石立柱的一端固定连接于所述大理石平台，另一端设置有立式滑台；所述立式滑台远离所述大理石立柱端设置有转接模块,用于各部件的连接安装；所述超声振动系统固定安装于所述转接模块下端；所述工作液水槽与所述超声振动系统对应设置于所述二维运动平台上端；所述转接模块上端设置有引电机构；所述工作液水槽设置有电泳辅助电极；所述超声振动系统包括超声换能器、节面、变幅杆和工具；所述超声换能器通过所述节面固定连接于所述转接模块下端；所述变幅杆和所述工具依次设置于所述超声换能器下端；所述电源包括超声电源和电泳直流电源；所述超声电源与所述引电机构电连接，所述引电机构用于超声换能器和超声电源之间电能的传输；所述电泳直流电源正极端通过所述引电机构与所述工具电连接，负极端与所述电泳辅助电极电连接；将待加工工件与所述3D打印模具组装，组装完成后放置于所述工作液水槽内的所述电泳辅助电极中间位置，且对应所述工具设置。
进一步地，所述工作液水槽内的工作液为超微磨粒和工作液的超微磨粒混合工作液。
进一步地，所述工具的振动振幅为10-100μm。
进一步地，所述工具的底端应浸没于所述工作液水槽内的超微磨粒混合工作液中。
进一步地，所述电泳辅助电极安装于工作液槽中；所述电泳辅助电极部分或者全部浸没于所述工作液槽内的超微磨粒混合工作液。
微流道电泳辅助微细超声加工方法,包括以下步骤：
S10、根据待加工工件需要制作的微流道形状，利用三维建模软件建立相对应的微流道模具三维图；
S20、将所述微流道模具三维图导入切片软件进行切片得到切片文件；其中，导入所述切片软件的微流道模具三维图为STL格式文件；
S30、将所述切片文件输入到3D打印机，所述3D打印机打印出实物模具；
S40、将所述待加工工件与所述模具进行组装，并安装于电泳辅助微细超声加工机床进行电泳辅助微细超声加工；
S50、将加工完成后的工件从所述模具中取出得到最终加工产品。
进一步地，导入所述切片软件的所述微流道模具三维图为STL格式文件。
进一步地，所述切片文件为G-CODE格式文件。
本发明有益效果：
1、本发明提出的加工装置及加工方法，使任何复杂结构的微流道都可以通过三维建模、切片和打印成型制作出实物模具，然后利用电泳辅助微细超声加工装置将模具形状复印到工件上，使复杂结构微流道制作成为可能。
2、本发明通过超微磨粒的电泳效应将溶液中的超微磨粒集聚在加工区域，能够有效的提高超微磨粒的利用率，节省加工成本。
3、本发明提出的加工方法制作微流道的成本和时间与微流道的复杂结构并无关系；制作微流道的装置结构较简单，制作成本低。
4、本发明的加工装置中，微流道的复杂性对装置的控制系统与电泳辅助微细超声加工用工具无特别要求，通过3D打印的模具可以大大降低对装置控制系统与工具的要求。
附图说明
图1微流道电泳辅助微细超声加工装置结构示意图
图2 3D打印模具与工件安装示意图
其中，1、超声电源；2、电泳直流电源；3、3D打印模具；31、直线流道； 32、曲线流道；4、待加工工件；5、工作液水槽；6、二维运动平台；7、大理石平台；8、工作液；9、超微磨粒；10、电泳辅助电极；11、工具；12、变幅杆；13、节面；14、超声换能器；15、大理石立柱；16、立式滑台；17、引电机构；18、转接模块。
具体实施方式
实施例1
微流道电泳辅助微细超声加工装置，包括：工作平台、电源、3D打印模具3、工作液水槽5、超声振动系统，工作平台包括大理石平台7和二维运动平台6，大理石平台7用于电泳辅助微细超声加工装置的固定；二维运动平台6设置于大理石平台7上平面的一端；大理石平台7上平面的另一端设置有大理石立柱15，大理石立柱15的一端固定连接于大理石平台7，另一端设置有立式滑台16；立式滑台16远离大理石立柱15端设置有转接模块18,用于各部件的连接安装；超声振动系统固定安装于转接模块18下端；工作液水槽5 与超声振动系统对应设置于二维运动平台6上端；转接模块18上端设置有引电机构17；工作液水槽5设置有电泳辅助电极10；超声振动系统包括超声换能器14、节面13、变幅杆12和工具11；超声换能器14设置于转接模块18 下端内部；节面13、变幅杆12和工具11依次设置于超声换能器14下端；超声振动系统通过节面13安装固定在转接模块18上，实现超声振动系统Z轴的上下运动，用于控制工具11端面与待加工工件4之间的距离。电源包括超声电源1和电泳直流电源2；超声电源1与引电机构17电连接，引电机构17 用于超声换能器14和超声电源1之间电能的传输；电泳直流电源2正极端通过引电机构17与工具11电连接，负极端与电泳辅助电极10电连接；将待加工工件4与3D打印模具3组装，组装完成后放置于工作液水槽5内的电泳辅助电极10中间位置，且对应工具11设置。
本实施例中，工作液水槽5内的工作液为超微磨粒9和工作液8的超微磨粒混合工作液。
本实施例中，超声振动系统中工具11的振动振幅为10-100μm。同时，工具11的底端浸没于工作液水槽5内的超微磨粒混合工作液中。
电泳辅助电极10安装于工作液槽5中；电泳辅助电极10部分或者全部浸没于工作液槽5内的超微磨粒混合工作液，优选为全部浸没。在工具11与电泳辅助电极之间会形成电场。
本实施例的工作原理：超微磨粒混合工作液中的超微磨粒由于表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷，使得超微磨粒呈现出带电性，在电场的作用下溶液中的超微磨粒会泳动到加工区域，吸附或者半吸附在工具11上，这样加工区域的磨粒溶度可以集聚增加，可以实现磨粒的高效利用。工具11的高频振动驱动加工区域内的超微磨粒高频振动，待加工工件4没有被3D打印模具 3覆盖住的加工区域在高频振动磨粒冲击下去除材料，而被3D打印模具3覆盖住的加工区域磨粒直接冲击到3D打印的塑性材料上，不能实现材料的去除，如直线流道31和曲线流道32。控制二维运动平台6运动，使待加工工件4上的需要加工的区域都均等的被工具11端面覆盖住，不需要精确的控制运动轨迹，依据微流道加工的深浅确定加工时间就能加工出微流道。
微流道电泳辅助微细超声加工方法,包括以下步骤：
S10、根据待加工工件需要制作的微流道形状，利用三维建模软件建立相对应的微流道模具三维图。
S20、将微流道模具三维图导入切片软件进行切片得到切片文件；其中，导入切片软件的微流道模具三维图为STL格式文件。
S30、将切片文件输入到3D打印机，3D打印机打印出实物模具；切片文件格式为G-CODE格式文件。
S40、将待加工工件与模具进行组装，并安装于电泳辅助微细超声加工机床进行电泳辅助微细超声加工。
S50、将加工完成后的工件从模具中取出得到最终加工产品。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。

Claims (8)

1.微流道电泳辅助微细超声加工装置，其特征在于，包括：工作平台、电源、3D打印模具(3)、工作液水槽(5)、超声振动系统，所述工作平台包括大理石平台(7)和二维运动平台(6)；所述大理石平台(7)用于电泳辅助微细超声加工装置的固定；所述二维运动平台(6)设置于所述大理石平台(7)上平面的一端；所述大理石平台(7)上平面的另一端设置有大理石立柱(15)，所述大理石立柱(15)的一端固定连接于所述大理石平台(7)，另一端设置有立式滑台(16)；所述立式滑台(16)远离所述大理石立柱(15)端设置有转接模块(18),用于各部件的连接安装；所述超声振动系统固定安装于所述转接模块(18)下端；所述工作液水槽(5)与所述超声振动系统对应设置于所述二维运动平台(6)上端；所述转接模块(18)上端设置有引电机构(17)；所述工作液水槽(5)设置有电泳辅助电极(10)；所述超声振动系统包括超声换能器(14)、节面(13)、变幅杆(12)和工具(11)；所述超声换能器(14)通过所述节面(13)固定连接于所述转接模块(18)下端；所述变幅杆(12)和所述工具(11)依次设置于所述超声换能器(14)下端；所述电源包括超声电源(1)和电泳直流电源(2)；所述超声电源(1)与所述引电机构(17)电连接，所述引电机构(17)用于超声换能器(14)和超声电源(1)之间电能的传输；所述电泳直流电源(2)正极端通过所述引电机构(17)与所述工具(11)电连接，负极端与所述电泳辅助电极(10)电连接；将待加工工件(4)与所述3D打印模具(3)组装，组装完成后放置于所述工作液水槽(5)内的所述电泳辅助电极(10)中间位置，且对应所述工具(11)设置。
2.根据权利要求1所述的微流道电泳辅助微细超声加工装置，其特征在于，所述工作液水槽(5)内的工作液为超微磨粒(9)和工作液(8)的超微磨粒混合工作液。
3.根据权利要求2所述的微流道电泳辅助微细超声加工装置，其特征在于，所述工具(11)的振动振幅为10-100μm。
4.根据权利要求3所述的微流道电泳辅助微细超声加工装置，其特征在于，所述工具(11)的底端应浸没于所述工作液水槽(5)内的超微磨粒混合工作液中。
5.根据权利要求4所述的微流道电泳辅助微细超声加工装置，其特征在于，所述电泳辅助电极(10)安装于所述工作液槽(5)中；所述电泳辅助电极(10)部分或者全部浸没于所述工作液槽(5)内的超微磨粒混合工作液。
6.微流道电泳辅助微细超声加工方法,其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据待加工工件需要制作的微流道形状，利用三维建模软件建立相对应的微流道模具三维图；
S20、将所述微流道模具三维图导入切片软件进行切片得到切片文件；其中，导入所述切片软件的微流道模具三维图为STL格式文件；
S30、将所述切片文件输入到3D打印机，所述3D打印机打印出实物模具；
S40、将所述待加工工件与所述模具进行组装，并安装于电泳辅助微细超声加工机床进行电泳辅助微细超声加工；
S50、将加工完成后的工件从所述模具中取出得到最终加工产品。
7.根据权利要求6所述的微流道电泳辅助微细超声加工方法，其特征在于，导入所述切片软件的所述微流道模具三维图为STL格式文件。
8.根据权利要求7所述的微流道电泳辅助微细超声加工方法，其特征在于，所述切片文件为G-CODE格式文件。
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