CN115373216A - 一种步进式激光辅助纳米压印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进式激光辅助纳米压印装置和方法，包括安装在底座上方的传送装置，传送装置具有两个零件位置，第一零件位置正上方设置激光加热模块，第二零件位置正上方设置压印模块，激光加热模块和压印模块均连接在支架上，靠近第一零件位置的支架侧壁连接测温模块。通过设置激光加热模块，快速使待加工的零件表面达到高温的熔融态，使得材料选择更加丰富，除了热塑性材料、光固化树脂材料等聚合物材料之外，也可以加工熔点较高的半导体材料(硅、二氧化硅等)、玻璃等，适应性更强；此外，通过激光局部加热，可以极大提高加工效率，降低能源消耗。

Description

一种步进式激光辅助纳米压印装置及方法

技术领域

本发明涉及压印技术领域，具体为一种步进式激光辅助纳米压印装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

纳米压印技术是一种将图案转移至零件表面的微纳加工技术，目前，使用较为广泛的是热压印和紫外纳米压印。

热压印适用于固态热塑性材料(例如PC、PET、PMMA、PVC、PP等)，先预制一块带有纳米图案的模板，将热塑性材料加热到玻璃化转变温度以上，利用机械力将模板压入软化后的热塑性材料层内，并且维持温度和压力一段时间，使材料填充到模板的纳米模腔内，冷却固化成形之后，释放压力将模板脱离，从而将模板上的纳米图案转移至热塑性材料上。

紫外纳米压印适用于温度和压力相对较低且受到紫外线照射会固化的液态光固化树脂材料，同样需要先预制带有纳米图案的模板，将模板压入光固化树脂材料层然后照射紫外光使材料发生聚合反应硬化成形，脱模后将模板上的纳米图案转移至固化后的光固化树脂材料上。

上述这两种方法对材料的适用范围较小，无论是热压印还是紫外纳米压印，都只能使用熔点较低的聚合物材料，无法适用于硅、二氧化硅等熔点较高的材料，具有一定的局限性。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种步进式激光辅助纳米压印装置及方法，利用激光扫描材料产生高温，使材料表面变为熔融态，再进行压印，使得材料的选择更加广泛。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种步进式激光辅助纳米压印装置，包括安装在底座上方的传送装置，传送装置具有两个零件位置，第一零件位置正上方设置激光加热模块，第二零件位置正上方设置压印模块，激光加热模块和压印模块均连接在支架上，靠近第一零件位置的支架侧壁连接测温模块。

第一零件位置为加热位置，第二零件位置为压印位置。

支架与底座连接，支架内侧顶部设置激光加热模块和压印模块，激光加热模块的工作面朝向加热位置，压印模块的工作面朝向压印位置。

激光加热模块包括与控制器连接的激光加热器，激光加热器的激光发射端朝向第一零件位置。

压印模块包括与伸缩杆相连的压头，压头的工作面朝向第二零件位置；伸缩杆与控制器连接，通过控制器改变伸缩杆的长度，从而调节压头的行程。

测温模块位于支架的侧壁，获取待加工零件表面温度与零件熔融层的加热深度。

传送装置包括与步进电机连接的传送带，步进电机还连接控制器，通过控制器使步进电机带动传送带做往复运动。

本发明的第二个方面提供基于上述装置实现压印的方法，包括以下步骤：

待加工零件放置在第一零件位置处；

根据零件材料，通过控制器或手动开启激光加热模块，通过测温模块检测零件表面温度和加热深度。

加热完毕，通过控制器启动传送带，零件由第一零件位置移动到第二零件位置处，压头动作执行压印。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、通过设置激光加热模块，快速使待加工的零件表面达到高温的熔融态，使得材料选择更加丰富，对硅、二氧化硅等熔点较高的材料也可以使用，适应性更强。

2、通过设置测温模块，不仅能实现对零件表面温度的监测，根据实时温度调节激光，还可监测零件侧面温度，使操作者清晰地看到熔融层厚度，及时改变激光加热模块的参数。

3、通过测温模块，监控压印过程中的温度，保证整个装置的使用寿命。

4、利用步进电机驱动待加工零件在预设的加热位置和压印位置切换，控制逻辑更加简单。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图中：110.伸缩杆，120.压头，130.支架，140.激光加热模块，150.测温模块，160.底座，170.传送带，180.第一零件位置，190.第二零件位置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，常见的几种纳米压印方式受到材料温度的限制难以加工熔点温度较高的材料，例如无法加工诸如硅、二氧化硅等高熔点的材料，而这类材料又具有常见的热塑性材料或光固化材料无法代替的众多优势。

因此以下实施例给出了一种步进式激光辅助纳米压印装置和方法，利用激光加热模块加热材料的表面，使材料表面处于熔融态后再进行机械压印，可以扩展用于高熔点材料压印成形且加热过程只对材料表面进行激光局部加热，无需对整体加热，可以使材料快速达到所需温度，提高加工效率，降低能量消耗。

实施例一：

一种步进式激光辅助纳米压印装置，包括安装在底座160上方的传送装置，传送装置具有两个零件位置，第一零件位置180正上方设置激光加热模块140，第二零件位置190正上方设置压印模块，激光加热模块140和压印模块均连接在支架130上，靠近第一零件位置180的支架侧壁连接测温模块150。

具体结构如图1所示：

底座160，底座160上设置传送带170，传送带170上设置第一零件位置180和第二零件位置190，分别为加热位置与压印位置。

支架130，支架130与底座160连接，支架内侧130顶部设置激光加热模块和压印模块，具体的加热位置正上方为激光加热模块，压印位置正上方为压印模块。

支架130可以为全封闭式，即利用任意形状的全封闭式支架130(例如可以为箱体)将传送带、激光加热模块及压印模块与外界环境隔绝，通过在支架130侧壁设置真空泵的方式，通过真空泵开闭使支架130内部呈真空，利用真空泵的开启/关闭实现真空或大气环境下的加热和压印过程；

或是通过在支架130侧壁设置正压气体阀门的方式，向支架130内部充入保护气体，形成无尘空间再进行加热和压印的过程；

支架130的结构形式不做限制，取决于实际的需求。

激光加热模块140包括与控制器连接的激光加热器，激光加热器的激光发射端朝向加热位置，即朝向第一零件位置180。

压印模块包括与伸缩杆110相连的压头120，压头120的工作面朝向压印位置，即第二零件位置190；伸缩杆110与控制器连接，通过控制器改变伸缩杆110的伸缩长度，从而调节压头120的行程，进而满足对压印图案深度的需求。

伸缩杆可以为多骨节伸缩杆，例如伸缩杆包括至少两组同轴线套接在一起的空心管状零件，通过相邻两组空心管的相对滑动实现伸缩。

待加工零件在位置一180处用激光加热器进行加热，快速达到高温，控制器控制激光加热器的开启时间，加热过程中可通过测温模块150测定零件表面温度与侧面熔融层厚度，达到所需温度后，停止加热，之后通过传送带170将零件运送到位置二190，进行压印。

传送带170连接步进电机，步进电机连接控制器，在步进电机的带动下传送带170做往复运动，使得待加工零件在第一零件位置180和第二零件位置190之间做往复直线运动，实现加热位置和压印位置的切换。

步进电机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。加热位置和压印位置预先设定，通过两个位置之间的距离得到传送带170上对应位置的距离，即第一零件位置180和第二零件位置190之间的距离，再设定步进电机一次转动转过的角度，使得步进电机一次动作(转动)可以带动传送带完成加热位置和压印位置的切换，进而使得整个装置的控制逻辑更加简单，适合在大批量工件制造的场景下使用。

测温模块150可以为红外测温元件，实现无接触测量；红外测温元件的数量不受限制，本实施例将至少两个红外测温元件安装在支架130的侧壁(附图中受限于图示角度问题只能显示一个)，分别测试零件表面与零件熔融层的温度变化。

进一步的，测温模块150可以为红外热像仪，能够获取零件表面的温度图像和零件侧部温度图像，反映零件表面的温度变化和零件侧面的熔融层深度(通过红外图像读取)。

针对要压印的零件，来控制激光加热模块140的加热时间，例如针对熔点较大的材料如半导体材料等，加热时间相对较长；针对熔点较小的材料，加热时间相对较短。

上述装置通过设置激光加热模块，可以快速使待加工的零件表面达到高温的熔融态，使得材料选择更加丰富，对硅、二氧化硅等熔点较高的材料也可以使用，适应性更强。

通过设置测温模块，不仅能实现对零件表面温度的监测，根据实时温度调节激光，还可监测零件侧面温度，使操作者清晰地看到熔融层厚度，及时改变激光加热模块的参数。

通过测温模块，监控压印过程中的温度，保证整个装置的使用寿命。

利用步进电机驱动待加工零件在预设的加热位置和压印位置切换，控制逻辑更加简单。

实施例二：

本实施给出了基于实施例一的装置实现压印的方法，包括以下步骤：

工件放置在第一零件位置180处，工件上表面设置模板；

根据工件材料，通过控制器或手动开启激光加热模块，通过测温模块检测工件表面温度和加热深度。

加热完毕，启动传送带170，工件由第一零件位置180移动到第二零件位置190处，压头120动作，执行压印。

工件材料的选择可以是熔点较高的半导体材料，玻璃等，也可以是熔点较低的材料；一种激光辅助纳米压印系统可以通过激光加热模块快速达到高温，将材料加热至熔融态；由于可以快速达到高温的特性，本系统可以使材料的选择更为广泛，一些熔点较高的材料，如：半导体材料，玻璃等，均可在激光照射下，变为熔融态，作为材料使用，增大了压印设备的普适性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：包括安装在底座上方的传送装置，传送装置具有两个零件位置，第一零件位置正上方设置激光加热模块，第二零件位置正上方设置压印模块，激光加热模块和压印模块均连接在支架上，靠近第一零件位置的支架侧壁连接测温模块。

2.如权利要求1所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述支架与底座连接，支架内侧顶部设置激光加热模块和压印模块，激光加热模块的工作面朝向加热位置，压印模块的工作面朝向压印位置。

3.如权利要求2所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述加热位置为第一零件位置，压印位置为第二零件位置。

4.如权利要求2所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述激光加热模块包括与控制器连接的激光加热器，激光加热器的激光发射端朝向第一零件位置。

5.如权利要求1所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述压印模块包括与伸缩杆相连的压头，压头的工作面朝向第二零件位置。

6.如权利要求5所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述伸缩杆与控制器连接，通过控制器改变伸缩杆的长度，从而调节压头的行程。

7.如权利要求1所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述测温模块位于支架的侧壁，获取待加工零件表面温度与零件的加热深度。

8.如权利要求1所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述传送装置包括与步进电机连接的传送带。

9.如权利要求8所述的一种步进式激光辅助纳米压印装置，其特征在于：所述步进电机还连接控制器，通过控制器使步进电机带动传送带做往复运动。

10.基于权利要求1-9任一项所述装置实现压印的方法，包括以下步骤：

待加工零件放置在第一零件位置处；

根据零件材料，通过控制器或手动开启激光加热模块，通过测温模块检测零件表面温度和加热深度。

加热完毕，通过控制器启动传送带，零件由第一零件位置移动到第二零件位置处，压头动作执行压印。

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