CN111390659A - 基于3d打印模具的微流道超声加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于3D打印模具的微流道超声加工装置，包括工作平台、超声振动系统、开口容器、工作液、3D打印模具和转接模块；工作平台用于承载调节超声振动系统和开口容器并调整两者的相对位置，开口容器中设置3D打印模具和工件，再填充有工作液将两者没过，最后通过超声振动系统中的振动工具作用于工作液中，实现微流道超声加工。本发明提出的加工装置及方法，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，利用超声加工方法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。
Description
技术领域
本发明属于微细特种加工技术领域，具体涉及一种基于3D打印模具的微流道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。
目前普遍认为激光是微纳加工的强有力的工具之一，激光加工微流道是通过高能激光束聚焦到材料待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；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，如何提供一种既能够降低制备成本又能保障加工质量的基于3D打印模具的微流道超声加工装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
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基于3D打印模具的微流道超声加工装置及方法。
本发明的内容如下：
基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于，包括：工作平台、超声振动系统、开口容器、工作液、3D打印模具和转接模块；
所述工作平台包括大理石平台、二维运动平台、立柱和立式滑台，所述大理石平台用于承载调节超声振动系统，所述大理石平台的上端面设置有二维运动平台和立柱，所述立柱设置于二维运动平台一侧，所述立柱临近上端面的部分水平方向设置有立式滑台，所述立式滑台与立柱连接面对立的一侧设置有转接模块；
所述二维运动平台上端面设置有开口容器，所述开口容器中容纳有工作液、工件和3D打印模具，所述3D打印模具上安装有所述工件，所述工件与所述3D打印模具共同浸泡于所述工作液中，所述开口容器开口上方设置有超声振动系统；
所述超声振动系统包括超声换能器、节面、变幅杆和工具，所述超声换能器嵌入所述转接模块内，并通过节面固定于所述转接模块中，所述超声换能器连接有变幅杆的端面向下延伸并将节面贯穿，所述超声换能器通过变幅杆与工具连接；
进一步的，所述工件与所述3D打印模具，设置在开口容器的中间位置处；
进一步的，所述工作液包括工作基液和磨料，所述磨料在工作基液中呈悬浮状态；
进一步的，所述工具振动振幅为10-100μm；
进一步的，所述工具的底端浸没于所述开口容器内的工作液中。
基于3D打印模具的微流道超声加工方法，包括以下步骤：
S1、根据待加工工件所需加工的曲线型微流道结构形状，利用三维建模软件建立相对应的模具三维图；
S2、将模具三维图导出STL格式文件，并将STL格式文件导入到切片软件中设置切片参数进行切片，最后导出G-CODE文件并存于SD卡中用于3D打印；
S3、根据微流道的精细程度选择SLA或FDM三维打印机打印出模具实物图，并将待加工的工件和模具实体装配好；
S4、将装配好的工件与模具整体安装于微流道超声加工机床的开口容器中，根据加工需要控制工作台的运动并对工件进行超声加工；
S5、将加工完成后的工件从模具中取出得到最终加工产品。
本发明有益效果：
1、通过本发明的设置，使任何复杂结构的微流道都能通过三维建模、切片和打印成型制作出相对应的实物模具，然后利用超声加工方法将模具形状复印到工件上，该工艺方法使复杂结构微流道制作成为可能。
2、通过本发明的设置，该工艺方法即使制作复杂结构微流道，也不会提高制作成本和时间，制作微流道的所采用的装置结构简单，制作成本低。
3、通过本发明设置的3D打印的模具，即使加工复杂的微流道，也对超声加工装置中控制系统和工具无特别要求。
附图说明
图1基于3D打印模具的微流道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、立柱；2、立式滑台；3、转接模块；4、超声换能器；5、节面；6、变幅杆；7、工具；8、工作液；9、开口容器；10、磨料；11、3D打印模具；12、工件；13、二维运动平台；14、大理石平台。
具体实施方式
实施例：
参照图1-图2,本发明公开了基于3D打印模具的微流道超声加工装置，包括：工作平台、超声振动系统、开口容器、工作液、3D打印模具和转接模块；
所述工作平台包括大理石平台14、二维运动平台13、立柱1和立式滑台2，工作平台用于承载开口容器9和超声振动系统并调节其对应的位置关系，
所述大理石平台14的上端面设置有二维运动平台13和立柱1，所述立柱设置于二维运动平台13一侧，所述立柱1临近上端面的部分的一侧设置有立式滑台2，所述立式滑台2与立柱1连接面的对面设置有转接模块3，转接模块3和立式滑台2固定连接，其中的二维运动平台13能够提供水平方向的位移，立式滑台2提供竖直方向上的位移；
所述开口容器9设置于所述二维运动平台13上端面，所述容器9中容纳有工作液、工件12和3D打印模具11，其中所述3D打印模具11上安装有所述工件12，工件12与3D打印模具11共同浸泡于所述工作液中，并设置于开口容器9池底的中间位置处；
所述开口容器9开口上方设置有超声振动系统；
超声振动系统包括超声换能器4、节面5、变幅杆6和工具7，所述超声换能器4部分嵌入所述转接模块3内，并通过节面5固定于所述转接模块3上，所述超声换能器4连接有变幅杆6的端面向下延伸并将节面5贯穿，超声换能器4通过变幅杆6与工具7相连，工具7部分没入工作液中；
工作液包括，工作基液8和磨料10，所述磨料10在工作基液8呈悬浮状态；在本实施例中的转接模块3为安装件，用于安装超声换能器4等装置，节面5是指理论振幅为零的面，是属于变幅杆上，其理论厚度为零，实际加工有3mm-5mm的厚度。
本实施例中，所述工具7振动振幅为10-100μm。
本实施例的工作原理：
超声换能器4在超声电源的驱动下实现高频超声振动，超声振动振幅通过变幅杆6放大之后传给工具7，使工具7在10-100μm的振幅范围内产生振动，通过工具7的高频振动驱动工作液中的磨料10高频振动，工件12没有被3D打印模具覆盖住的加工区域在高频振动磨料10的冲击下，实现材料的去除，而被3D打印模具覆盖住的加工区域下的磨料10冲击到3D打印的塑性材料上会被缓冲，不能实现材料的去除；再控制二维运动平台运动，使工件上的需要加工的区域都均匀的被工具端面覆盖住，在移动过程中，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。
基于3D打印模具的微流道超声加工方法,包括以下步骤：
S1、根据工件所需加工的曲线型微流道结构形状，利用三维建模软件建立相对应的模具三维图；建模时考虑玻璃工件的安装和定位；
S2、将模具三维图导出STL格式文件，将STL格式文件导入到切片软件中并设置切片参数进行切片，最后导出G-CODE文件并存于SD卡中用于3D打印；
S3、根据微流道的精细程度选择SLA或FDM三维打印机打印出模具实物图，并将待加工的玻璃工件和模具实体装配好；
S4、将装配好的待加工工件与模具整体安装于微流道超声加工机床的开口容器中，根据加工需要控制工作台的运动并对玻璃工件进行超声加工；在控制过程中，二维运动平台并不要求按照曲线轨迹运动，只需要保证加工时超声加工用的工具端面能将各加工区域覆盖住；
S5、根据加工槽的深度确定加工时间，加工完之后，将加工完成的工件从模具中取出，即完成曲线型微流道的加工制作。
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 (5)
1.基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于包括工作平台、超声振动系统、开口容器、工作液、3D打印模具和转接模块；
所述工作平台包括大理石平台(14)、二维运动平台(6)、立柱(1)和立式滑台(2)，所述大理石平台(14)用于承载超声振动系统和开口容器(9)并调节两者的位置关系，所述大理石平台(14)的上端面设置有二维运动平台(13)和立柱(1)，所述立柱设置于二维运动平台(13)一侧，所述立柱(1)临近上端面的部分水平方向设置有立式滑台(2)，所述立式滑台(2)与立柱(1)连接对立的一侧设置有转接模块(3)；
所述二维运动平台(13)上端面设置有开口容器(9)，所述开口容器(9)中容纳有工作液、工件(12)和3D打印模具(11)，所述3D打印模具(11)中安装有所述工件(12)，所述工件(12)与所述3D打印模具(11)共同浸泡于所述工作液中，所述开口容器(9)开口上方设置有超声振动系统；
所述超声振动系统包括超声换能器(4)、节面(5)、变幅杆(6)和工具(7)，所述超声换能器(4)嵌入所述转接模块(3)内，并通过节面(5)固定于所述转接模块(3)上，所述超声换能器(4)连接有变幅杆(6)的端面向下延伸并将节面(5)贯穿，所述超声换能器(4)通过变幅杆(6)与工具(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于，所述工件(12)与所述3D打印模具(11)，设置在开口容器(9)的中间位置处。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于，所述工作液包括工作基液(8)和磨料(10)，所述磨料(10)在工作基液(8)中呈悬浮状态。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于，所述工具(7)振动振幅为10-100μm。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印模具的微流道超声加工装置，其特征在于，所述工具(7)部分没入所述开口容器(9)内的工作液中。
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