CN112157592A

CN112157592A - 一种医用聚合物pdms材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置

Info

Publication number: CN112157592A
Application number: CN202011051067.XA
Authority: CN
Inventors: 张桂冠; 孙玉利; 孙文婧; 刘旭
Original assignee: Nanjing Hangtai Electromechanical Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing Hangtai Electromechanical Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN112157592B

Abstract

一种医用聚合物PDMS材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置，其特征在于它包括：自增压液氮罐、喷砂机、液氮微磨料混合器、超低温微磨料气射流复合转接头，所述的液氮微磨料混合器由液氮入口、微磨料气射流入口、液氮‑微磨料‑空气三相混合腔与液氮微磨料混合器出口组成，液氮微磨料混合器与变幅杆）连接，变幅杆与超声发生器连接；超低温微磨料气射流复合转接头包括微细喷嘴、微细喷嘴夹紧螺母、微细喷嘴转接头、液氮微磨料混合器转接头，液氮微磨料射流通过微细喷嘴射出，形成稳定的超低温微磨料气射流束。本发明结构简单、自动化程度高、加工效率高，实现了高效精密加工。

Description

一种医用聚合物PDMS材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置

技术领域

本发明属于低温工程领域，涉及一种微细加工装置，尤其是一种用于医用聚合物PDMS材料微加工的超声辅助超低温微磨料气射流加工装置。

背景技术

最初，得益于MEMS的高速发展，微流控芯片首先采用硅、石英和玻璃等硬脆材料。但随着科学技术的发展，已研究表明：相对于硅、石英和玻璃等硬脆材料，高分子聚合物具有种类多、生物兼容性好、原材料价格较低等优势，日益成为微流控芯片最有发展前景的材料。其中，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）芯片应用在某些生物实验中，可以形成足够稳定的温度梯度，便于反应的实现，且具有无毒特征以及透气性，因此与其他聚合物材料相比有着不可替代的地位。

在运用微磨料气射流加工技术对PDMS材料进行加工时，由于PDMS材料自身的高弹性，常常表现出大量的磨料嵌入现象。针对这一问题，国外研究人员一直致力于在低温下对其进行加工，即使用低温磨料气射流冲击PDMS的表面，使其在发生玻璃态转变同时，进行冲蚀加工。这样就促使PDMS材料由塑性去除向脆性去除转变，减少了加工过程中的磨料嵌入程度，在改善表面加工质量的同时提高了材料的去除率。该加工工艺有潜力解决PDMS微流控芯片小批量、低成本，满足个性化定制需求的微加工难题。

但是，目前现有的低温磨料气射流加工装置（CN 107378801 B、CN 106965092 B、CN 201710017593.6N）虽然能够在一定程度上实现PDMS材料加工过程中的有效去除，但仍是以一种塑脆性混合的冲蚀机理来实现材料的去除，存在部分磨料嵌入等现象，且在加工过程中射流束的温度与速度相互耦合，难以同时获得冲击速度高、温度低，稳定性高的低温磨料气射流加工状态。因此，为了获得一种有效的脆性域去除模式，急需研制出一种超低温微磨料气射流加工设备。

发明内容

本发明的目的是针对现有医用聚合物PDMS材料低温磨料气射流加工方法中存在加工加工稳定性差、磨料嵌入、加工质量难以控制等问题，设计一种医用聚合物PDMS材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置。

本发明的技术方案是：

一种医用聚合物PDMS材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置，其特征在于它包括：自增压液氮罐1，超低温保温管2，Z轴4，超声发生器安装架5，超声发生器6，变幅杆7，液氮微磨料混合器8，超低温微磨料气射流复合转接头9，空气微磨料两相流管路11，喷砂机12，压缩气体管路13，空气压缩机14，工作台15，支座16，护板17；所述的液氮微磨料混合器8与变幅杆7连接，变幅杆7与超声发生器6连接；自增压液氮罐1通过超低温保温管2与液氮微磨料混合器8的液氮射流入口18相连通以便向液氮微磨料混合器8提供连续的低温氮气，超声发生器6通过超声发生器安装支架5与Z轴4相连，液氮微磨料混合器8在Z轴4的带动下能上下移动，Z轴4安装在支座16上；所述的液氮微磨料混合器8与超低温微磨料气射流复合转接头9相连，液氮微磨料混合器8设有液氮射流入口18，空气微磨料两相流入口19，液氮-微磨料-空气三相混合腔20，液氮射流入口18与超低温保温管2相连通，空气微磨料两相流入口19与空气微磨料两相流管路11的一端相连通，空气微磨料两相流管路11的另一端与喷砂机12的出砂口相连通，喷砂机12通过压缩气体管路13与压缩机14相连通；从液氮射流入口18进入的氮气与空气微磨料两相流入口19进入的微磨料同时进入液氮-微磨料-空气三相混合腔20进行混合并最终从液氮微磨料混合器出口21流出；液氮微磨料混合器出口端21与液氮微磨料混合器转接头25一端的液氮微磨料射流通道26进行螺纹连接，液氮微磨料混合器转接头25的另一端与微细喷嘴转接头24相连，微细喷嘴转接头24依靠微细喷嘴夹紧螺母23与微细喷嘴22相连；液氮射流与空气微磨料两相流在液氮-微磨料-空气三相混合腔20中混合均匀后经过液氮微磨料混合器出口21进入液氮微磨料射流通道26，并通过微细喷嘴22射出，形成稳定的超低温微磨料气射流束，实现PDMS基片10上微通道27的超低温微磨料气射流加工，PDMS基片10安装在工作台15上，工作台15安装在支座16上，在基座16的一侧安装有护板17；所述的超声发生装置6通过变幅杆7带动液氮微磨料混合器8产生振动，使液氮-微磨料-空气三相均匀混合，有效减少因传热而引起的装置与超低温微磨料气射流束的振荡现象，且能够有效提高超低温微磨料气射流束与PDMS基片10之间的冲击传热效率。

所述的液氮微磨料混合器8中的液氮射流入口18轴心线与液氮微磨料混合器8中心线的夹角大小为，空气微磨料两相流入口19轴心线与液氮微磨料混合器8中心线的夹角大小为，且两路射流汇聚的距离大小为mm，保证在液氮射流与空气微磨料两相流在通往液氮-微磨料-空气三相混合腔20时，不会产生流体回流，减小了沿程压力损失。

所述的液氮微磨料混合器8的长度大小为mm，保证超声加载的效果。

所述的医用聚合物PDMS材料微加工的超低温微磨料气射流加工装置通过调节超声发生器6的振动频率来实现对超低温微磨料气射流束稳定性的调节。

所述的液氮微磨料混合器8与微细喷嘴22、微细喷嘴夹紧螺母23、微细喷嘴转接头24、液氮微磨料混合器转接头25之间通过加装聚四氟乙烯与橡胶垫片进行螺纹连接，实现相互之间的快拆与低温密封。

本发明的有益效果是：

本发明能够有效地降低液氮射流与空气微磨料射流交互传热时的热振荡现象，能够获得有效混合且稳定的超低温微磨料气射流加工射流束，能够在冲蚀加工过程中对医用聚合物PDMS材料进行有效冷却，从而实现PDMS基片的塑脆转变，大大地提高了材料去除率。因而本超低温磨料气射流加工装置可以很好地解决医用聚合物PDMS材料的高质高效精密微细加工的技术难题。

本发明结构简单，操作方便，加工效率高，射流束温度低、稳定性高。

附图说明

图 1为本发明中加工的PDMS基片微通道结构示意图。

图 2为本发明中液氮微磨料混合器的结构示意图。

图 3为本发明中超低温微磨料气射流复合转接头的结构示意图。

图 4为本发明一种用于医用PDMS材料微加工的超声辅助超低温微磨料气射流加工装置简图。

图中：1-自增压液氮罐，2-超低温保温管，3-操作面板，4-Z轴，5-超声发生器安装架，6-超声发生器，7-变幅杆，8-液氮微磨料混合器，9-超低温微磨料气射流复合转接头，10-PDMS基片，11-空气微磨料两相流管路，12-喷砂机，13-压缩气体管路，14-空气压缩机，15-工作台，16-支座，17-护板，18-液氮射流入口，19-空气微磨料两相流入口，20-液氮-微磨料-空气三相混合腔，21-液氮微磨料混合器出口，22-微细喷嘴，23-微细喷嘴夹紧螺母，24-微细喷嘴转接头，25-液氮微磨料混合器转接头，26-液氮微磨料射流通道，27-微通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，本领域其他人员作出的类似本案例的方案都在本发明保护范围内。

如图1-4所示。

一种用于医用聚合物PDMS材料微加工的超低温微磨料气射流加工装置，它包括：自增压液氮罐1，超低温保温管2，操作面板3，Z轴4，超声发生器安装架5，超声发生器6（通过调节超声发生器6的振动频率可以实现对超低温微磨料气射流束稳定性的调节），变幅杆7，液氮微磨料混合器8，超低温微磨料气射流复合转接头9，PDMS基片10，空气微磨料两相流管路11，喷砂机12，压缩气体管路13，空气压缩机14，工作台15，支座16，护板17，液氮射流入口18，空气微磨料两相流入口19，液氮-微磨料-空气三相混合腔20，液氮微磨料混合器出口21，微细喷嘴22，微细喷嘴夹紧螺母23，微细喷嘴转接头24，液氮微磨料混合器转接头25，液氮微磨料射流通道26，微通道27，如图4所示。所述的液氮微磨料混合器8与变幅杆7连接，变幅杆7与超声发生器6连接；自增压液氮罐1通过超低温保温管2与液氮微磨料混合器8的液氮射流入口18相连通以便向液氮微磨料混合器8提供连续的低温氮气，超声发生器6通过超声发生器安装支架5与Z轴4相连，液氮微磨料混合器8在Z轴4的带动下能上下移动，Z轴4安装在支座16上；所述的液氮微磨料混合器8与超低温微磨料气射流复合转接头9相连，液氮微磨料混合器8（如图2）设有液氮射流入口18、空气微磨料两相流入口19和液氮-微磨料-空气三相混合腔20，液氮射流入口18与超低温保温管2相连通，空气微磨料两相流入口19与空气微磨料两相流管路11的一端相连通，空气微磨料两相流管路11的另一端与喷砂机12的出砂口相连通，喷砂机12通过压缩气体管路13与压缩机14相连通；从液氮射流入口18进入的氮气与空气微磨料两相流入口19进入的微磨料同时进入液氮-微磨料-空气三相混合腔20进行混合并最终从液氮微磨料混合器出口21流出，具体实施时，所述的液氮微磨料混合器8中的液氮射流入口18轴心线与液氮微磨料混合器8中心线的夹角大小为，空气微磨料两相流入口19轴心线与液氮微磨料混合器8中心线的夹角大小为，且两路射流汇聚的距离大小为mm，保证在液氮射流与空气微磨料两相流在通往液氮-微磨料-空气三相混合腔20时，不会产生流体回流，减小了沿程压力损失。液氮微磨料混合器8的长度大小为mm，保证超声加载的效果。所述的液氮微磨料混合器8与微细喷嘴22、微细喷嘴夹紧螺母23、微细喷嘴转接头24、液氮微磨料混合器转接头25之间通过加装聚四氟乙烯与橡胶垫片进行螺纹连接，实现相互之间的快拆与低温密封。液氮微磨料混合器出口端21与液氮微磨料混合器转接头25（图3）一端的液氮微磨料射流通道26进行螺纹连接，液氮微磨料混合器转接头25的另一端与微细喷嘴转接头24相连，微细喷嘴转接头24依靠微细喷嘴夹紧螺母23与微细喷嘴22相连；液氮射流与空气微磨料两相流在液氮-微磨料-空气三相混合腔20中混合均匀后经过液氮微磨料混合器出口21进入液氮微磨料射流通道26，并通过微细喷嘴22射出，形成稳定的超低温微磨料气射流束，实现PDMS基片10上微通道27的超低温微磨料气射流加工，PDMS基片10安装在工作台15上，工作台15安装在支座16上，在基座16的一侧安装有护板17；所述的超声发生装置6通过变幅杆7带动液氮微磨料混合器8产生振动，使液氮-微磨料-空气三相均匀混合，有效减少因传热而引起的装置与超低温微磨料气射流束的振荡现象，且能够有效提高超低温微磨料气射流束与PDMS基片10之间的冲击传热效率。

详述如下：

如图1所示，PDMS基片10可运用本发明的超低温微磨料气射流加工装置加工出微通道27。所述的液氮微磨料混合器8与变幅杆7连接，变幅杆7与超声发生器6连接，的液氮射流入口18的张角大小为，空气微磨料两相流入口19的张角大小为，且两路射流汇聚的距离大小为mm，液氮微磨料混合器8的长度大小为mm，如图2所示。所述的液氮微磨料混合器8与超低温微磨料气射流复合转接头9相连，液氮微磨料混合器出口21端与液氮微磨料混合器转接头25的一端进行螺纹连接，液氮微磨料混合器转接头25的另一端与微细喷嘴转接头24进行螺纹连接，微细喷嘴22依靠微细喷嘴夹紧螺母23与微细喷嘴转接头24相固定；液氮射流与空气微磨料射流在液氮-微磨料-空气三相混合腔20中混合均匀后经过液氮微磨料混合器出口21进入超低温微磨料气射流通道26，并通过微细喷嘴22射出，在超声发生器6的辅助下形成稳定的超低温微磨料气射流束，实现PDMS基片10的超低温微磨料气射流加工；液氮微磨料混合器8与微细喷嘴22、微细喷嘴夹紧螺母23、微细喷嘴转接头24、液氮微磨料混合器转接头25之间通过加装聚四氟乙烯与橡胶垫片进行螺纹连接，实现相互之间的快拆与低温密封；所述的超声发生装置6通过变幅杆7液氮微磨料混合器8与超低温微磨料气射流复合转接头9使液氮-微磨料-空气三相均匀混合，有效减少因传热而引起的装置与超低温微磨料气射流束的振荡现象，且能够有效提高超低温微磨料气射流束与PDMS基片10之间的冲击传热效率。

本发明的工作流程如下：氧化铝、碳化硅、立方氮化硼等微细磨料在喷砂机12处与来自空气压缩机14的高压空气混合，形成空气微磨料射流，通过液氮微磨料混合器8中的空气微磨料两相流入口19射入；液氮从自增压液氮罐1中流出，通过超低温保温管2在液氮微磨料混合器8中的液氮射流入口18处射入；两股射流在液氮-微磨料-空气三相混合腔20内相交并混合后，打开超声发生器6，使变幅杆7带动液氮微磨料混合器8进行超声频率的振动；混合均匀的液氮微磨料射流进入超低温微磨料气射流复合转接头9中的液氮微磨料射流通道26，并通过微细喷嘴22射出，形成稳定的超低温微磨料气射流束。

本实施案例只是本发明案例中一种，任何采用类似结构的技术方案都在本发明保

护范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种医用聚合物PDMS材料超声辅助超低温磨料气射流微加工装置，其特征在于它包括：自增压液氮罐（1），超低温保温管（2），Z轴（4），超声发生器安装架（5），超声发生器（6），变幅杆（7），液氮微磨料混合器（8），超低温微磨料气射流复合转接头（9），空气微磨料两相流管路（11），喷砂机（12），压缩气体管路（13），空气压缩机（14），工作台（15），支座（16），护板（17）；所述的液氮微磨料混合器（8）与变幅杆（7）连接，变幅杆（7）与超声发生器（6）连接；自增压液氮罐（1）通过超低温保温管（2）与液氮微磨料混合器（8）的液氮射流入口（18）相连通以便向液氮微磨料混合器（8）提供连续的低温氮气，超声发生器（6）通过超声发生器安装支架（5）与Z轴（4）相连，液氮微磨料混合器（8）在Z轴（4）的带动下能上下移动，Z轴（4）安装在支座（16）上；所述的液氮微磨料混合器（8）与超低温微磨料气射流复合转接头（9）相连，液氮微磨料混合器（8）设有液氮射流入口（18），空气微磨料两相流入口（19），液氮-微磨料-空气三相混合腔（20），液氮射流入口（18）与超低温保温管（2）相连通，空气微磨料两相流入口（19）与空气微磨料两相流管路（11）的一端相连通，空气微磨料两相流管路（11）的另一端与喷砂机（12）的出砂口相连通，喷砂机（12）通过压缩气体管路（13）与压缩机（14）相连通；从液氮射流入口（18）进入的氮气与空气微磨料两相流入口（19）进入的微磨料同时进入液氮-微磨料-空气三相混合腔（20）进行混合并最终从液氮微磨料混合器出口（21）流出；液氮微磨料混合器出口端（21）与液氮微磨料混合器转接头（25）一端的液氮微磨料射流通道（26）进行螺纹连接，液氮微磨料混合器转接头（25）的另一端与微细喷嘴转接头（24）相连，微细喷嘴转接头（24）依靠微细喷嘴夹紧螺母（23）与微细喷嘴（22）相连；液氮射流与空气微磨料两相流在液氮-微磨料-空气三相混合腔（20）中混合均匀后经过液氮微磨料混合器出口（21）进入液氮微磨料射流通道（26），并通过微细喷嘴（22）射出，形成稳定的超低温微磨料气射流束，实现PDMS基片（10）上微通道（27）的超低温微磨料气射流加工，PDMS基片（10）安装在工作台（15）上，工作台（15）安装在支座（16）上，在基座（16）的一侧安装有护板（17）；所述的超声发生装置（6）通过变幅杆（7）带动液氮微磨料混合器（8）产生振动，使液氮-微磨料-空气三相均匀混合，有效减少因传热而引起的装置与超低温微磨料气射流束的振荡现象，且能够有效提高超低温微磨料气射流束与PDMS基片（10）之间的冲击传热效率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的液氮微磨料混合器（8）中的液氮射流入口（18）轴心线与液氮微磨料混合器（8）中心线的夹角大小为，空气微磨料两相流入口（19）轴心线与液氮微磨料混合器（8）中心线的夹角大小为，且两路射流汇聚的距离大小为mm，保证在液氮射流与空气微磨料两相流在通往液氮-微磨料-空气三相混合腔（20）时，不会产生流体回流，减小了沿程压力损失。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的液氮微磨料混合器（8）的长度大小为mm，保证超声加载的效果。

4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于：所述的医用聚合物PDMS材料微加工的超低温微磨料气射流加工装置通过调节超声发生器（6）的振动频率来实现对超低温微磨料气射流束稳定性的调节。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的液氮微磨料混合器（8）与微细喷嘴（22）、微细喷嘴夹紧螺母（23）、微细喷嘴转接头（24）、液氮微磨料混合器转接头（25）之间通过加装聚四氟乙烯与橡胶垫片进行螺纹连接，实现相互之间的快拆与低温密封。