CN112936844A - 一种表面织构微压印模具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面织构微压印模具的制备方法，本发明结合3D打印技术、激光刻蚀技术、粘接工艺，实现了表面织构微压印模具的制备。该技术中3D打印属于增材制造，节省材料，提高了材料利用率，从而降低了成本，能加工精度和复杂程度较高的零件。该技术中激光刻蚀加工精度高、效率高。属于无接触加工相比机械加工无刀具磨损无切削力作用与工件表面，并且可以在工件表面制备各种复杂图案。粘接工艺，操作简便，可以根据不同的应用背景，选取不同的硬度不同强度的不同尺寸的硬质球和衬块，将其粘接在一起以适应不同工况并降低了成本。模具压印制备的表面织构具有成型速度快、加工效率高、操作简便、绿色环保、加工成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具技术领域，特别涉及到一种表面织构微压印模具的制备方法。
背景技术
近年来，随着先进制造技术的发展，表面织构在减摩抗磨、减振、抗粘附、超疏水、抗蠕爬等多个领域已显示出良好的应用前景。成为实现机械设备高效、小型化、以及高可靠性的一个有效途径。
现代工业技术提供了多种加工方法来构建不同的表面织构微压印模具，如激光表面微造型技术、离子刻蚀技术、微细电火花加工、光刻技术、磨料射流加工、磨削加工、聚焦离子束加工等等。
然而传统的加工技术存在许多局限，激光表面微造型技术和微细电火花技术加工效率低，光刻技术和聚焦离子束加工的成本和复杂度较高。此外由于材料、成本、加工时间、方法和化学处理的严格限制，这些技术并不总是适用。为了解决目前微成型技术中存在的诸多问题，满足规模化的市场需求，要积极探索创新，寻求成形效率高、效果好、成本低的表面织构微压印模具制造方法。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出一种表面织构微压印模具的制备方法，通过3D打印技术、激光刻蚀技术、粘接工艺复合加工的方式，实现了表面织构微压印模具的制备。
本发明采用的技术方案，一种表面织构微压印模具的制备，其步骤包括：
(1)对于模具母模侧板的制备，采用3D打印加工的方式制备母模侧板；
(2)对于母模底板的制备，采用激光打标机，在底板上进行微凹坑阵列制备；
(3)采用粘接工艺，首先将母模侧板和母模底板通过螺栓螺母连接在一起，将硬质球放置在母模底板的微凹坑中，在硬质球的上方放置衬块，再将树脂倒入母模，将所述硬质球和衬块粘接在一起。
(4)脱模，树脂完全凝固后，拆卸螺栓、螺母、母模侧板、母模底板，得到表面织构微压印模具。
进一步，步骤(1)母模侧板3D打印材料的选取，均可采用ABS、PLA、尼龙等工程塑料材料。
进一步，步骤(2)母模底板材料的选取，均可采用铁、铝、铜及其各种合金的金属材料。
进一步，步骤(3)硬质球材料的选取，可按照模具的应用背景选取，如：钢球，氮化硅陶瓷球氧化锆球等等，对于一些在极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度、耐磨的超硬材料。
进一步，步骤(3)衬块材料的选取，同样按照模具的应用背景选取，如常用的45钢、碳素工具钢、冷作模具钢、对于一些极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度的超硬材料。
进一步，步骤(3)树脂材料的选取，均可采用双酚A型环氧乙烯基酯树脂、热固型丙烯酸树脂等凝固后附着力较高、具有一定硬度和强度的树脂。
进一步，步骤(1)采用3D打印加工的方式制备母模侧板，其步骤如下：
S1、利用Solidworks软件进行三维建模，绘制出母模侧板的三维模型，将其保存成STL格式；
S2、将所述绘制好的三维模型STL格式文件导入到3D打印机中，设置好加工参数，进行母模侧板的制备。
进一步，步骤(2)采用激光打标机，在底板上进行微凹坑图案制备，其步骤如下：
U1、利用钻床对母模底板加工连接通孔；
U2、利用600#、800#、1200#、2000#的SiC砂纸打磨母模底板表面；
U3、对母模底板进行清洗、烘干，去除其表面杂质；
U4、利用CAD软件进行绘图，绘制出母模底板表面制备的图形，将其保存成DXF格式；
U5、将绘制好的图形导入到激光打标机中，设定好激光加工参数，在母模底板上进行凹坑图案的制备；
进一步，步骤(3)采用粘接工艺，将硬质球与衬块粘接，其步骤如下：
Y1、将脱模蜡均匀的涂抹在母模侧板和底板表面；
Y2、将母模侧板和母模底板通过螺栓连接在一起；
Y3、将硬质球放置在母模底板的微凹坑中；
Y4、在硬质球的上方放置衬块，衬块的尺寸小于母模侧板内腔的尺寸，使得衬块容纳于母模侧板围城的内腔中，母模侧板的内腔与衬块之间形成环形的树脂下流通道；
Y5、将树脂倒入母模中，树脂液面浸过衬块，将母模放入保温箱中120℃固化2小时，将硬质球和衬块粘接在一起；
进一步，步骤(4)脱模，得到表面织构微压印模具，其步骤如下：
Z1、使用工具拆卸螺栓、螺母；
Z2、将母模底板从母模侧板上手动分离出来；
Z3、将母模侧板中的表面织构微压印模具手动推出，完成脱模，得到如图5所示的模具。
由于树脂凝固后硬度和强度比较低，模具需要较高的硬度和强度，所以需要在硬质球上方放置衬块，在压印过程中，压印力从硬质球传递到硬度强度较高的衬块上。树脂起到将硬质球和衬块粘接在一起的作用，衬块起到承受压印力的作用。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下:
(1)3D打印技术，该技术属于增材制造，节省材料，提高了材料利用率，从而降低了成本，能加工精度和复杂程度较高的零件。
(2)激光刻蚀技术加工加工精度高、效率高。属于无接触加工相比机械加工无刀具磨损无切削力作用与工件表面，并且可以在工件表面制备各种复杂图案。
(3)粘接工艺，操作简便，可以根据不同的应用背景，选取不同的硬度不同强度的不同尺寸的硬质球和衬块，将其粘接在一起以适应不同工况并降低了成本。
(4)相比微细电火花技术加工、光刻技术和聚焦离子束加工等表面织构制备方法，同过该模具压印制备的表面织构具有成型速度快、加工效率高、操作简便、绿色环保、加工成本低等优点。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1是本发明实施例一中3D打印母模侧板的结构示意图。
图2是本发明实施例一中激光刻蚀制备的母模底板的结构示意图。
图3是本发明实施例一中粘接工艺的示意图。
图4是本发明实施例一中表面织构微压印模具的示意图。
图5是本发明实施例一中表面织构微压印模具的透视结构示意图。
图6是本发明实施例二中母模底板总成示意图。
附图标记如下：
1-母模侧板；2-母模底板；3-连接螺栓；4-硬质球；5-衬块；6-树脂；7-连接螺母。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求的限定范围。
实施例一：
本发明将以用与在纯铜表面制备表面织构的微压印模具为例，其步骤包括：
(1)对于模具母模侧板的制备，采用3D打印加工的方式制备母模侧板；
(2)对于母模底板的制备，采用激光打标机，在底板上进行微凹坑阵列制备；
(3)采用粘接工艺，首先将母模侧板和母模底板通过螺栓螺母连接在一起，将硬质球放置在母模底板的微凹坑中，在硬质球的上方放置衬块，再将树脂倒入母模，将所述硬质球和衬块粘接在一起。
(4)脱模，树脂完全凝固后，拆卸螺栓、螺母、母模侧板、母模底板，得到表面织构微压印模具。
进一步，步骤(1)母模侧板3D打印材料的选取，均可采用ABS、PLA、尼龙等工程塑料材料，在本实施方式中选用PLA作为3D打印材料来制备母模侧板。
进一步，步骤(2)母模底板材料的选取，均可采用铁、铝、铜及其各种合金的金属材料，在本实施方式中选用45钢来制备母模底板。
进一步，步骤(3)硬质球材料的选取，可按照模具的应用背景选取，如：钢球，氮化硅陶瓷球氧化锆球等等，对于一些在极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度、耐磨的超硬材料，在本实施方式中硬质球选用氧化锆球。
进一步，步骤(3)衬块材料的选取，同样按照模具的应用背景选取，如常用的45钢、碳素工具钢、冷作模具钢、对于一些极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度的超硬材料，在本实施方式中衬块材料选用碳素工具钢。
进一步，步骤(3)树脂材料的选取，均可采用双酚A型环氧乙烯基酯树脂、热固型丙烯酸树脂等凝固后附着力较高、具有一定硬度和强度的树脂，在本实施方式中树脂材料选用双酚A型环氧乙烯基酯树脂。
进一步，步骤(1)采用3D打印加工的方式制备母模侧板，其步骤如下：
S1、利用Solidworks软件进行三维建模，绘制出母模侧板的三维模型，将其保存成STL格式；
S2、将所述绘制好的三维模型STL格式文件导入到3D打印机中，将3D打印机的加工耗材更换为PLA，喷嘴直径为0.4mm，在3D打印机的操作界面中设置填充率为80％，层高0.1mm，壁厚1.2mm,底层/顶层厚度1.5mm，喷头温度220℃，热床温度70℃，打印速度30mm/s，空走速度60mm/s，点击启动按钮开始打印，进行母模侧板的制备，如图1所示。
进一步，步骤(2)采用激光打标机，在45钢底板上进行微凹坑图案制备，其步骤如下：
U1、利用钻床对母模底板加工直径为3mm连接通孔；
U2、利用600#、800#、1200#、2000#的SiC砂纸打磨母模底板表面；
U3、利用无水乙醇对45钢底板进行清洗、烘干，去除其表面杂质；
U4、利用CAD软件进行绘图，绘制出直径500um间距800um，9*9的半球形微凹坑阵列，将其保存成DXF格式；
U5、将绘制好的图形导入到激光打标机中，在激光打标机配套软件的操作界面，点击“填充”选择环形填充，将9*9的半球形微凹坑阵列填充，设定好激光加工参数，加工数目为1，速度为500mm/s，功率80％，频率20Khz，开光延时300us，关光延时100us,结束延时300us，拐角延时100us，区域参数中偏移X设置为0，偏移Y设置为0，点击“红光”按钮，标出加工图形的外框，点击“标刻”按钮，开始加工，在母模底板上进行凹坑图案的制备；
进一步，步骤(3)采用粘接工艺，将氧化锆球与碳素工具钢衬块粘接，其步骤如下：
Y1、使用无绒布将3D打印制备的母模侧板和激光打标机制备的45钢底板表面清洁干净，确保其表面是清洁无污垢的，在无绒布上抹上拖模蜡，在母模侧板和45钢底板表面进行打旋式擦拭，确保脱模蜡均匀的涂抹在3D打印制备的母模侧板和激光打标机制备的45钢底板表面，等待5分钟脱模蜡干燥再使用干净的无绒布轻轻擦拭，直到表面光滑，再重复两次涂抹脱毛蜡，最后一次擦拭直到表面光亮，静置一小时即可使用；
Y2、将母模侧板和母模底板通过M3螺栓连接在一起；
Y3、将氧化锆球放置在45钢底板上500um的圆形凹坑中；
Y4、在氧化锆球的上方放置碳素工具钢衬块；
Y5、将双酚A型环氧乙烯基酯树脂慢慢倒入母模中，双酚A型环氧乙烯基酯树脂液面浸过碳素工具钢衬块，静置2小时，消除树脂中的气泡，将母模放入保温箱中120℃固化2小时；
进一步，步骤(4)脱模，得到表面织构微压印模具，其步骤如下：
Z1、使用工具拆卸螺栓、螺母；
Z2、使用橡胶锤敲击母模底板，通过敲击产生震动，使母模与表面织构微压印模具局部脱开，反复敲击直到将45钢底板从母模侧板上手动分离出来；
Z3、使用橡胶锤反复敲击母模侧板，直到将母模侧板中的表面织构微压印模具可以手动推出，完成脱模。
实施例二：
本发明将以用与在纯铜表面制备表面织构的微压印模具为例，其步骤包括：
(1)对于模具母模侧板的制备，采用3D打印加工的方式制备母模侧板；
(2)对于母模底板的制备，采用激光打标机，在底板上进行微凹坑阵列制备；
(3)采用粘接工艺，首先将母模侧板和母模底板通过螺栓螺母连接在一起，将硬质球放置在母模底板的微凹坑中，在硬质球的上方放置衬块，再将树脂倒入母模，将所述硬质球和衬块粘接在一起。
(4)脱模，树脂完全凝固后，拆卸螺栓、螺母、母模侧板、母模底板，得到表面织构微压印模具。
进一步，步骤(1)母模侧板3D打印材料的选取，均可采用ABS、PLA、尼龙等工程塑料材料，在本实施方式中选用PLA作为3D打印材料来制备母模侧板。
进一步，步骤(2)母模底板材料的选取，均可采用铁、铝、铜及其各种合金的金属材料，在本实施方式中选用45钢来制备母模底板。
进一步，步骤(3)硬质球材料的选取，可按照模具的应用背景选取，如：钢球，氮化硅陶瓷球氧化锆球等等，对于一些在极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度、耐磨的超硬材料，在本实施方式中硬质球选用氧化锆球。
进一步，步骤(3)衬块材料的选取，同样按照模具的应用背景选取，如常用的45钢、碳素工具钢、冷作模具钢、对于一些极端工况下有更高要求的，可以选取高硬度、高强度的超硬材料，在本实施方式中衬块材料选用碳素工具钢。
进一步，步骤(3)树脂材料的选取，均可采用双酚A型环氧乙烯基酯树脂、热固型丙烯酸树脂等凝固后附着力较高、具有一定硬度和强度的树脂，在本实施方式中树脂材料选用双酚A型环氧乙烯基酯树脂。
进一步，步骤(1)采用3D打印加工的方式制备母模侧板，其步骤如下：
S1、利用Solidworks软件进行三维建模，绘制出母模侧板的三维模型，将其保存成STL格式；
S2、将所述绘制好的三维模型STL格式文件导入到3D打印机中，将3D打印机的加工耗材更换为PLA，喷嘴直径为0.4mm，在3D打印机的操作界面中设置填充率为80％，层高0.1mm，壁厚1.2mm,底层/顶层厚度1.5mm，喷头温度220℃，热床温度70℃，打印速度30mm/s，空走速度60mm/s，点击启动按钮开始打印，进行母模侧板的制备，如图1所示。
进一步，步骤(2)采用激光打标机，在45钢底板上进行微凹坑图案制备，其步骤如下：
U1、利用钻床对母模底板加工直径为3mm连接通孔；
U2、利用600#、800#、1200#、2000#的SiC砂纸打磨母模底板表面；
U3、利用无水乙醇对45钢底板进行清洗、烘干，去除其表面杂质；
U4、利用CAD软件进行绘图，绘制出直径500um间距800um，9*9的半球形微凹坑阵列，将其保存成DXF格式；
U5、将绘制好的图形导入到激光打标机中，在激光打标机配套软件的操作界面，点击“填充”选择环形填充，将9*9的半球形微凹坑阵列填充，并且半球形微凹坑阵列的每个微凹坑的底部开设有贯通整个模板底板厚度方向的贯通孔，该贯通孔为微型贯通孔，设定好激光加工参数，加工数目为1，速度为500mm/s，功率80％，频率20Khz，开光延时300us，关光延时100us,结束延时300us，拐角延时100us，区域参数中偏移X设置为0，偏移Y设置为0，点击“红光”按钮，标出加工图形的外框，点击“标刻”按钮，开始加工，在母模底板上进行凹坑图案的制备；
该实施例中，母模底板还包括围合箱体，围合箱体大致为一侧开口的箱体结构，围合箱体的开口侧连接于，例如粘接于母模底板的底部，形成母模底板总成。母模底板总成的母模底板和围合箱体之间围合形成气室，半球形微凹坑阵列的每个微凹坑通过各自对应的贯通孔与气室连通。在围合箱体与母模底板相对的一侧设有气管，气管上设有控制阀，用于控制气管的通断，如图6所示。组装模具时，母模底板与母模侧板之间连接时连接接触面之间尽量采用密封结构，例如但不限于涂抹密封胶。
进一步，步骤(3)采用粘接工艺，将氧化锆球与碳素工具钢衬块粘接，其步骤如下：
Y1、使用无绒布将3D打印制备的母模侧板和激光打标机制备的45钢底板表面清洁干净，确保其表面是清洁无污垢的，在无绒布上抹上拖模蜡，在母模侧板和45钢底板表面进行打旋式擦拭，确保脱模蜡均匀的涂抹在3D打印制备的母模侧板和激光打标机制备的45钢底板表面，等待5分钟脱模蜡干燥再使用干净的无绒布轻轻擦拭，直到表面光滑，再重复两次涂抹脱毛蜡，最后一次擦拭直到表面光亮，静置一小时即可使用，用微型针清空打孔贯通孔，以便脱模蜡封堵住贯通孔；
Y2、将母模侧板和母模底板通过M3螺栓连接在一起；
Y3、将氧化锆球放置在45钢底板上500um的圆形凹坑中；
Y4、在氧化锆球的上方放置碳素工具钢衬块；
Y5、将双酚A型环氧乙烯基酯树脂慢慢倒入母模中，双酚A型环氧乙烯基酯树脂液面浸过碳素工具钢衬块，静置2小时，消除树脂中的气泡，将母模放入保温箱中120℃固化2小时；
具体地，Y3、将氧化锆球放置在45钢底板上500um的圆形凹坑中又包括如下步骤：
Y31)、母模底板总成上的气管连接抽气装置，例如抽气泵，开启控制阀；
Y32)、将氧化锆球放入组装好的模具中，开启抽气装置，对母模底板总成的气室内的气体进行一定程度的抽真空，抽气过程中不断小幅度水平方向晃动模具，到氧化锆球到达微凹坑附近时，会被抽吸到对应的微凹坑中并被牢固吸附在微凹坑中，直至各个氧化锆球均被吸附到各自对应的微凹坑中。如此，一方面完成了对微小的氧化锆球的繁杂的分配放置工作，另一方面实现了对氧化锆球的牢固定位，防止了衬块放置在氧化锆球上时以及后续的模具挪动过程中氧化锆球的位置的窜动移位。
进一步，步骤(4)脱模，得到表面织构微压印模具，其步骤如下：
Z1、使用工具拆卸螺栓、螺母；
Z2、使用橡胶锤敲击母模底板，通过敲击产生震动，使母模底板与表面织构微压印模具局部脱开，反复敲击直到将45钢底板从母模侧板上手动分离出来；
Z3、使用橡胶锤反复敲击母模侧板，直到将母模侧板中的表面织构微压印模具可以手动推出，完成脱模。
该步骤还包括，在步骤Z2之前，首先通过气管向母模底板总成的气室内的气体进行预设压力的充气，使得模板底板与表面织构微压印模具的氧化锆球与母模底板上的微凹坑之间的结合面脱离，从而使得Z2步骤顺利进行，并防止Z2步骤中对表面织构微压印模具的结构损伤。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对于模具母模侧板的制备，采用3D打印加工的方式制备母模侧板；
（2）对于母模底板的制备，采用激光打标机，在底板上进行微凹坑阵列制备；
（3）采用粘接工艺，首先将母模侧板和母模底板连接在一起，将硬质球放置在母模底板的微凹坑中，在硬质球的上方放置衬块，再将树脂倒入母模，将所述硬质球和衬块粘接在一起；
（4）脱模，树脂完全凝固后，拆卸螺栓、螺母、母模侧板、母模底板，得到表面织构微压印模具。
2.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（1）母模侧板3D打印材料采用工程塑料材料，所述工程塑料材料为ABS、PLA、尼龙中的其中一种；步骤（2）母模底板材料采用金属材料，所述金属材料为铁、铝、铜中的其中一种。
3.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（3）硬质球材料为钢球、氮化硅陶瓷球、氧化锆球中的其中一种。
4.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（3）衬块材料的选取，同样按照模具的应用背景选取，为45钢、碳素工具钢、冷作模具钢中的其中一种。
5.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（3）树脂材料未双酚A型环氧乙烯基酯树脂、热固型丙烯酸树脂中的其中一种。
6.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（1）采用3D打印加工的方式制备母模侧板，其步骤如下：
S1、利用Solidworks软件进行三维建模，绘制出母模侧板的三维模型，将其保存成STL格式；
S2、将所述绘制好的三维模型STL格式文件导入到3D打印机中，设置好加工参数，进行母模侧板的制备。
7.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（2）采用激光打标机，在底板上进行微凹坑图案制备，其步骤如下：
U1、利用钻床对母模底板加工连接通孔；
U2、利用600＃、800＃、1200＃、2000＃的砂纸打磨母模底板表面；
U3、利用二维绘图软件进行绘图，绘制出母模底板表面制备的图形；
U4、将绘制好的图形导入到激光打标机中，设定好激光加工参数，在母模底板上进行凹坑图案的制备。
8.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（3）采用粘接工艺，将硬质球与衬块粘接，其步骤如下：
Y1、将脱模蜡均匀的涂抹在母模侧板和底板表面；
Y2、将母模侧板和母模底板通过螺栓连接在一起；
Y3、将硬质球放置在母模底板的微凹坑中；
Y4、在硬质球的上方放置衬块；
Y5、将树脂倒入母模中，树脂液面浸过衬块，将母模放入保温箱中120℃固化2小时。
9.根据权利要求1所述金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，步骤（3）采用粘接工艺，母模侧板和（1）和母模底板（2）表面涂有脱模蜡。
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| CN114211004A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-22 | 北京工商大学 | 3d打印不锈钢工件表面的pva基复合膜层及制备方法 |
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