CN203543136U - 一种聚合物微结构的压制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚合物微结构的压制装置，包括片材挤出机、调平调厚薄的压辊装置和模具压制机；压制方法是聚合物基片从挤出机挤出后直接进入平板压印的设备：先通过两辊辊压压平基片初步定型后，对聚合物表面进行快速加热处理，使聚合物基片表面温度高于玻璃态或熔点时进入平板压印模具进行压印制备出微结构；该实用新型将微结构平板热压印设备与挤出机串联使用，节省了大量能源，提高了生产效率；同时采用本实用新型平板压印制备聚合物微结构，可以保证足够的保压冷却定型时间，精确的冷却温度，较高的几何复制率；采用本实用新型可实现平板压印大规模连续化高效率的工业化生产。<b/>

Description

一种聚合物微结构的压制装置

技术领域

本实用新型涉及一种聚合物微结构连续压印成型设备，属于聚合物加工技术领域。

背景技术

热压成型原本是一种传统的机械加工技术，常用于粉末热压成型。1995年，普林斯顿大学的Chou等人提出纳米压印技术，率先将传统的热压成型技术应用到纳米结构的制作，即所谓的热压印。随后Weber等人于1996年提出将热压技术应用到微加工领域。他们认为微热压技术将会是一种可以大量生产具有精密微结构的成型技术，同时也提到以此种方式制造出来的成品可能会有些缺陷，如充填不完全，成品存在收缩、翘曲及表面粗糙度大等问题。

由于微热压技术拥有众多的优点，随着MEMS技术的发展，该技术得到了众多学者的重视，也涌现出大量的研究成果。聚合物材料具有相当广泛的物理及化学性质，同时具有低成本及适合于大批量制造等众多优点，因而随着微纳米技术的不断发展，聚合物材料在光学、化学、生物及微机电领域中的应用越来越广泛。如微光学方面：绕射组件（DOE）、光波导组（Waveguide）、微透镜阵列（Micro lens array）、光纤连接器（Optical couple）、LCD；生物医学方面：生物芯片（Bio-Chip）、PCR扩增、DNA测序与检测器等；化学方面：毛细管电泳（CE）、片上实验室、微流控芯片、微混合器（Micro-mixer）等，及纳米生物医学材料。

微热压印技术的研究离不开压印设备，压印设备的研究开发也是此项技术的一个重要的方面，由于是制造纳米级别的微结构，所以对热压印成型机械也有着特别严格的要求。

用于微压印的成型方法多是平板热压印机，如专利200510019944.4中所述的纳米压印机，其原理是将室温下的聚合物基片固定在热压印机的下板上，下板上装有加热冷却装置以及定位装置。压印模具固定在上板上，其上也安装有加热冷却装置。工作时，首先对固定于下板上的聚合物基片进行加热，使其达到压印所需要的温度，模具也要加热到一定的温度，以保证聚合物能够完全充模。然后上基板带动模具对聚合物基片进行加压，使聚合物填充到压印模具中，保压冷却一段时间后进行脱模，从而完成一次加工过程。这种方法属于非连续式生产，下基板加热冷却过于频繁且速度慢，能量消耗大，且二次加热后的聚合物基片的流动性很难达到所要求的程度，往往导致图形复制精度差，微结构转移不完整。为此，发明了很多种加热方式用来改善加热冷却速度慢的问题，如专利200410050075.7中所使用的电磁波加热等，这些方法提高了热压印时的加热冷却效率，节省了成型时间。专利2002131969.3以及专利200510069953.4发明了一种用气体进行加压的热压印方法，由于气体分子的等压力分布特性，可以解决热压印时压力分布的均匀性问题，使压印面积不受限制，加压均匀性好。不过这些方法的生产设备都比较复杂，生产效率低，产品的重复精度差。

为了改善平板热压印方法的上述缺点，专利200810068662.7，设计出了辊筒式的连续微压印方法，基本原理是采用两个同步转动的辊筒来完成对聚合物基片的压印，其中一个辊筒具有微压印模具，聚合物基片通过调节两个辊筒之间的距离来调节施加在聚合物基片上的压力。这种结构可实现连续式生产，同时压印时由于是线接触，减小了压印所需施加的力，压印设备变形小，提高了压力分布的均匀性。但是，此种方法应用于聚合物热压印时保压时间短，微结构制造难度大，会导致聚合物微结构成型脱模后出现弹性回复现象，无法保证图形复制的精度。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有压制装置的缺点，提供一种聚合物微结构的压制装置，该设备将微结构平板热压印设备与挤出机串联使用，省去了平板压印模具不断频繁加热冷却所需的复杂的加热冷却系统，节省了大量能源，提高了生产效率，同时避免了普通平板压印方法在基片进行二次加热时由于受热不均匀引起的应力变形，流动性不均匀导致充模不充分等问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种聚合物微结构的压制装置，包括依次设置的片材挤出机、用于进行平整度及厚度调节的压辊装置和模具压制机，

所述模具压制机设置有模架、压模机构、压模驱动机构、水平移动机构、水平驱动机构和PLC控制系统，所述PLC控制系统控制所述压模机构、压模驱动机构、水平移动机构和水平驱动机构；

所述水平移动机构设置有导轨和滑块，所述导轨固定于水平面或者基面，所述模架下部设置有滑块，所述滑块装配于所述导轨；

所述水平驱动机构设置有驱动电机和水平牵引丝杆，所述驱动电机驱动所述水平牵引丝杆运动，所述水平牵引丝杆与所述模架驱动连接，所述水平牵引丝杆带动所述模架沿着所述导轨移动；

所述压模机构设置有上模板、下模板和导柱，所述下模板、所述导柱固定设置于所述模架，所述上模板活动装配于所述导柱且所述上模板与所述下模板相匹配；

所述压模驱动机构设置有升降机，所述升降机固定装配于所述模架，所述升降机的驱动端通过浮动连接器与所述上模板固定连接；

所述模具压制机的输出端设有牵引收卷辊，所述压辊装置输出端设有快速加热装置，在上、下模板内设有冷却装置，经片材挤出机挤出的聚合物基片穿过压辊装置两压辊之间，再穿过模具压制机的上、下模板之间经压印后绕设于收卷牵引辊。

上述驱动电机为伺服电机，所述水平牵引丝杆设置为滚珠丝杆，伺服电机通过滚珠丝杆与模架连接。

上述浮动连接器与上模板之间设有压力传感器，所述压力传感器与所述PLC控制系统电信号连接。 

上述浮动连接器由上部分和下部分组成，上部分的下端设有凹槽，凹槽的底部为一平面，下部分的上端设有与上部分凹槽配合的连接头，该连接头的顶部为一球面。

本装置中，平板压印模板是安装在高精度的模架上，模板安装上后，上下两模板的平行度能达到0.1-100μm，模板的面积可以是方形或矩形。

本装置中，上模板或下模板上具有微结构，微结构的尺寸特征包括但不限于微流控芯片、微透镜、深槽、V型槽、多边形微结构。

本装置中，模板上具有给模具加热的流道，流道中用于加热的物质可以是水加热、热压油加热、蒸汽加热、热风加热。

本装置中，压印模板的往复上下压印运动、压印设备的前后进退过程是通过伺服电机与滚珠丝杆的组合，通过PLC编程来精确控制的。

附图说明

图1为一种聚合物微结构的压制装置的结构示意图；

图2为压印的流程示意图；

图中：1为片材挤出机 ，2为压辊装置，3为升降机，4为驱动端，5浮动连接器，6为压力传感器，7为模架，81为上模板，82为下模板，9为滑块，10为导轨，11为水平牵引丝杆，12为驱动电机，13为收卷牵引辊，14为聚合物基片、导柱16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

本实用新型一种聚合物微结构的压制装置如图1所示，包括依次设置的片材挤出机1、用于进行平整度及厚度调节的压辊装置2和模具压制机。

模具压制机设置有模架7、压模机构、压模驱动机构、水平移动机构、水平驱动机构和PLC控制系统， PLC控制系统控制所述压模机构、压模驱动机构、水平移动机构和水平驱动机构的运动。

水平移动机构设置有导轨10和滑块9，导轨10固定于水平面或者基面，模架7下部设置有滑块9，滑块9装配于导轨10。

水平驱动机构设置有驱动电机12和水平牵引丝杆11，驱动电机12驱动水平牵引丝杆11运动，水平牵引丝杆11与模架7驱动连接，水平牵引丝杆11带动模架7沿着导轨10移动。具体的，驱动电机12为伺服电机，水平牵引丝杆11设置为滚珠丝杆，伺服电机通过滚珠丝杆与模架7连接。

压模机构设置有上模板81、下模板82和导柱16，下模板82、导柱16固定设置于模架7，上模板81活动装配于导柱16且上模板81与下模板82相匹配。

压模驱动机构设置有升降机3，升降机3固定装配于模架7，升降机3的驱动端4通过浮动连接器5与上模板81固定连接。浮动连接器5由上部分和下部分组成，上部分的下端设有凹槽，凹槽的底部为一平面，下部分的上端设有与上部分凹槽配合的连接头，该连接头的顶部为一球面。浮动连接器5与上模板81之间还设有压力传感器6，压力传感器6与PLC控制系统电信号连接。 

模具压制机的输出端设有牵引收卷辊，压辊装置2输出端设有快速加热装置，在上、下模板82内设有冷却装置，经片材挤出机1挤出的聚合物基片14穿过压辊装置2两压辊之间，再穿过模具压制机的上、下模板82之间经压印后绕设于收卷牵引辊13。

通过该聚合物微结构的压制装置，聚合物从片材挤出机1经过精密片材机头挤出后，进入调平调厚的压辊装置2，压辊装置2控制聚合物基片14的厚度，同时通过辊压使基片达到良好的平整度。经过压平调厚后的聚合物基片14进入平板压印装置，升降机3的驱动端4向下运动推压上模板81沿着导柱16向下移动压印微结构；升降机3的驱动端4与压力传感器6的连接装置是一套浮动连接器5，浮动连接器55可以在压印过程中保证模架7模板受力的均匀性。压力传感器6优选设置为轮辐式压力传感器6，可以精确测量压印的压力，测量范围为0-50KN，从而能实现压印压力的精确控制，同时可以通过调整聚合物基片14的温度和压印压力的大小来控制微结构模板的压印深度。整套平板压印装置是在PLC的控制下运行的，通过滑块9、导轨10安装在基板上，并由水平牵引丝杆和伺服电机驱动滑块9在导轨10上做往复运动。驱动电机和水平牵引丝杆牵引着平板压印装置沿聚合物挤出方向做往复式运动，压印过程中平板压印装置的往复运动速度与收卷牵引辊13速度保持一致，牵引速度控制在0.5-5m/s。

采用该聚合物微结构的压制装置进行连续压印方法及原理如图2所示：聚合物基片14从调平调厚的压辊装置2出来以后，进入平板压印上、下模板（见图2A）；升降机3驱动上模板向下运动，使上模板81和下模板82配合，对聚合物基片14进行压印（见图2B）；上、下模板82配合压印后，伺服电机和水平牵引丝杆带动压印设备沿挤出方向移动（见图2C），该过程中压印压力保持不变，可控范围在0-50KN之间，运动速度控制在0.5-5 m/s；运动到适当位置后即停止运动，此时，升降机3反向转动，牵引上模板81与下模板82分离，使得聚合物基片14得以脱模（见图2D）；聚合物基片14从压模机构脱模后，在牵引收卷辊的牵引下继续向前运动被收集；此时伺服电机反向转动，该回位过程移动速度为压印过程移动速度的3-10倍，装置作急回运动，推动压印装置回复到原始位置（见图2E），进入下一个压印周期，实现微结构平板压印的连续性进行。

本实用新型采用聚合物从机头挤出后，通过两辊压印平整调整厚度，通过高温快速的火焰加热等方法，迅速加热聚合物表面，使其表面熔化，直接进入平板压印设备进行压印保压冷却定型，由于聚合物片材通过双辊调厚时，片材内部未完全冷却，避免了片材内外加热冷却不均造成的应力变形，保证了压印时基片的平整度和热量的均匀性。同时，节省了普通平板压印模板频繁加热冷却片材造成的能源损失和低的加工效率，同时，采用本发明平板压印设备，可以保证足够的保压定型时间，精确的冷却温度，几何复制率高，所制备的微结构精度高，模具制造成本较低，实现了聚合物表面微结构产品平板压印的连续化工业生产，极大提高了生产效率。由于该设备的微热压法是一种灵活方便的加工方法，其在微加工领域特别是在微流控芯片、微型散热器、生物芯片及微光学器件的加工方面显示出了巨大的商业前景。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种聚合物微结构的压制装置，包括依次设置的片材挤出机、用于进行平整度及厚度调节的压辊装置和模具压制机，其特征在于：

所述模具压制机设置有模架、压模机构、压模驱动机构、水平移动机构、水平驱动机构和PLC控制系统，所述PLC控制系统控制所述压模机构、压模驱动机构、水平移动机构和水平驱动机构；

所述水平移动机构设置有导轨和滑块，所述导轨固定于水平面或者基面，所述模架下部设置有滑块，所述滑块装配于所述导轨；

所述水平驱动机构设置有驱动电机和水平牵引丝杆，所述驱动电机驱动所述水平牵引丝杆运动，所述水平牵引丝杆与所述模架驱动连接，所述水平牵引丝杆带动所述模架沿着所述导轨移动；

所述压模机构设置有上模板、下模板和导柱，所述下模板、所述导柱固定设置于所述模架，所述上模板活动装配于所述导柱且所述上模板与所述下模板相匹配；

所述压模驱动机构设置有升降机，所述升降机固定装配于所述模架，所述升降机的驱动端通过浮动连接器与所述上模板固定连接；

所述模具压制机的输出端设有牵引收卷辊，所述压辊装置输出端设有快速加热装置，在上、下模板内设有冷却装置，经片材挤出机挤出的聚合物基片穿过压辊装置两压辊之间，再穿过模具压制机的上、下模板之间经压印后绕设于收卷牵引辊。

2.根据权利要求1所述的聚合物微结构的压制装置，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机，所述水平牵引丝杆设置为滚珠丝杆，伺服电机通过滚珠丝杆与模架连接。

3.根据权利要求1所述的聚合物微结构的压制装置，其特征在于：所述浮动连接器与上模板之间设有压力传感器，所述压力传感器与所述PLC控制系统电信号连接。

4. 根据权利要求3所述的聚合物微结构的压制装置，其特征在于：所述浮动连接器由上部分和下部分组成，上部分的下端设有凹槽，凹槽的底部为一平面，下部分的上端设有与上部分凹槽配合的连接头，该连接头的顶部为一球面。

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