CN105034345A - 一种双振动超声微纳压印成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双振动超声微纳压印成形装置，包括同轴相对设置的下压印模具和上压印模具，当所述下压印模具和所述上压印模具相互靠近时，分别作用于聚合物基片的上表面和下表面，在所述上压印模具的背面设有上超声振动发生装置，在所述下压印模具的背面设有下超声振动发生装置，所述聚合物基片固定在水平设置的基片支撑板上。本发明能够一次压印双面成形，避免冷却脱模过程中热应力的产生，实现上下模具自动脱模，实现聚合物微纳结构的高效率，高质量，高度自动化压印成形。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米压印成形技术，尤其涉及一种双振动超声微纳压印成形装置。
背景技术
聚合物微纳压印成形技术由S.Y.Chou于1995年提出，具有低成本，高效率和高分辨率的优点，适用于聚合物微纳结构的加工成形。该技术的实质是液态聚合物填充模具腔体以及聚合物冷却固化脱模的过程。目前三种典型的微纳米压印成形技术包括：热压印成形技术，紫外固化压印成形技术和微接触压印成形技术。其工艺过程主要包括：(1)模具的制作，通常采用光学刻蚀技术制作具有微米级尺寸特征的模具印章，采用加工精度更高的电子束、离子束刻蚀技术制作具有纳米级尺寸特征的模具印章。(2)施压填充，将模具置于加热到温度高于玻璃态转化温度的聚合物基片上并施加压力，使聚合物充分填充模具空腔。(3)冷却脱模，待聚合物温度下降到玻璃态转化温度以下时，聚合物开始固化，脱模后获得具有微纳结构聚合物器件。
利用微纳米压印技术成形的聚合物微器件，其特征尺寸处于微纳米量级，器件结构十分脆弱。采用传统的单面压印技术，在加工第二面时，不可避免地会对已加工完成的微纳米结构造成破坏，这毫无疑问会影响微纳压印器件的成形率和加工质量。因此，寻求一种一次成形双面压印的技术显得尤为重要。
采用单面压印技术，聚合物微器件在脱模时，器件比模具的热膨胀率系数大得多，聚合物微器件在冷却后会产生较大的应力集中，因此脱模会严重影响微纳结构的成形质量。所以要解决这一问题，就要尽量减小脱模时聚合物的热膨胀系数，使其与模具的收缩量相当。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够实现一次压印双面成形的双振动超声微纳压印成形装置。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种双振动超声微纳压印成形装置，包括同轴相对设置的下压印模具和上压印模具，当所述下压印模具和所述上压印模具相互靠近时，分别作用于聚合物基片的上表面和下表面，在所述上压印模具的背面设有上超声振动发生装置，在所述下压印模具的背面设有下超声振动发生装置，所述聚合物基片固定在水平设置的基片支撑板上。
在所述聚合物基片的上表面上设有基片挡块，所述基片挡块与所述基片支撑板固定连接。
所述基片支撑板设有与其滑动连接的竖向导柱，所述竖向导柱固定在机架的底座上，在所述机架的底座和所述基片支撑板之间设有复位弹簧。
所述下超声振动发生装置安装在所述机架的底座上，所述上超声振动发生装置安装在水平设置的工作台上，所述工作台设有上下移动驱动装置。
所述上下移动驱动装置包括竖向设置的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠由电动机驱动，所述电动机和所述滚珠丝杠安装在机架上，所述滚珠丝杠的螺母与所述工作台固接。
所述上超声振动发生装置包括相互连接的上放大器和上超声波发生器，所述上超声波发生器安装在所述工作台上，所述上放大器通过上工具头与所述上压印模具连接；所述下超声振动发生装置包括相互连接的下放大器和下超声波发生器，所述下超声波发生器安装在所述机架的底座上，所述下放大器通过下工具头与所述下压印模具连接。
本发明具有的优点和积极效果是：
一)由于采用了上下超声双振动的结构，使聚合物上下两个成形界面吸收超声波能量一致，实现界面热量均衡，使得聚合物微器件的压印质量得到改善和提高。
二)聚合物基片挡块将基片固定，防止其震颤和冷却脱模时产生较大的热应力，提高了聚合物微器件的成形和脱模质量。
三)脱模时，工作台向上运动使得上压印模具与上表面自动脱模，下表面与下压印模具在复位弹簧的作用下也实现自动脱模。复位弹簧的引入既提高了脱模效率，也间接提高了压印生产效率。
综上所述，本发明能够一次压印双面成形，避免冷却脱模过程中热应力的产生，实现上下模具自动脱模，实现聚合物微纳结构的高效率，高质量，高度自动化压印成形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明上下压印模具压紧聚合物基片的局部示意图；
图3为本发明应用时，超声振动停止后，聚合物基片微结构成形的局部示意图；
图4为采用本发明压印成形的聚合物器件示意图。
图中：1-电动机，2-联轴器，3-滚珠丝杠，4-筋板，5-工作台，6-上超声波发生器，7-上放大器，8-上工具头，9-上压印模具，10-聚合物基片，11-基片挡块，12-基片支撑板，13-直线轴承，14-竖向导柱，15-下压印模具，16-下工具头，17-下放大器，18-下超声波发生器，19-复位弹簧，20-滚珠丝杠的螺母，21-机架。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，一种双振动超声微纳压印成形装置，包括同轴相对设置的下压印模具15和上压印模具9，当所述下压印模具15和所述上压印模具9相互靠近时，分别作用于聚合物基片10的上表面和下表面，在所述上压印模具9的背面设有上超声振动发生装置，在所述下压印模具15的背面设有下超声振动发生装置，所述聚合物基片10固定在水平设置的基片支撑板12上。
本发明采用超声波振动技术，当在聚合物表面施加超声振动时，聚合物基片与压印模具接触表面处的质点会被超声波激发而发生快速振动，并因振动产生摩擦，使聚合物基片与压印模具接触表面处的温度迅速升高从而实现聚合物的熔融。在双面压印过程中采用上下双振动超声压印，可以实现上下界面热量的均衡，避免超声波在传递过程中因遇到障碍物发生能量衰减，进而避免聚合物基片上下表面产生温度差异。
在本实施例中，在所述聚合物基片10的上表面上设有基片挡块11，所述基片挡块11与所述基片支撑板12固定连接。所述基片支撑板12设有与其滑动连接的竖向导柱14，所述竖向导柱14固定在机架21的底座上，在所述机架21的底座和所述基片支撑板12之间设有复位弹簧19。所述下超声振动发生装置安装在所述机架21的底座上，所述上超声振动发生装置安装在水平设置的工作台5上，所述工作台5设有上下移动驱动装置。所述上下移动驱动装置包括竖向设置的滚珠丝杠3，所述滚珠丝杠3由电动机1驱动，电动机1的输出轴与滚珠丝杠3采用联轴器2连接。所述电动机1和所述滚珠丝杠3安装在机架21上，所述滚珠丝杠3的螺母20与所述工作台5固接。所述上超声振动发生装置包括相互连接的上放大器7和上超声波发生器6，所述上超声波发生器6安装在所述工作台5上，所述上放大器7通过上工具头8与所述上压印模具9连接；所述下超声振动发生装置包括相互连接的下放大器17和下超声波发生器18，所述下超声波发生器18安装在所述机架21的底座上，所述下放大器17通过下工具头16与所述下压印模具15连接。超声波发生器的作用是产生超声波，而超声波放大器的主要功能是扩大振动端面的振幅，将能量传递给工具头，工具头将一定振幅和频率的超声波传递给工件。上述工作台5设有筋板4，以增大工作台的刚度。
聚合物基片10通过基片挡块11被固定在基片支撑板12上，基片支撑板12两端通过直线轴承13与竖向导柱14相连，因此基片支撑板12可沿竖向导柱14做相对直线运动，在基片支撑板12的下表面上安装有复位弹簧19，可在脱模时使得下压印模具15与聚合物基片10的下表面自动分离。
本发明的工作过程：
1)开启电动机1，电动机1旋转带动滚珠丝杠上的螺母20向上做直线运动，将工作台5提升至行程最高点，关闭电动机1，将上压印模具9安装在上工具头8上，下压印模具15安装在下工具头16，聚合物基片19安放在基片支撑板12上，并用基片挡块11固定。
2)再次开启电动机1，使滚珠丝杠上的螺母20向下做直线运动，带动工作台5及与其下表面连接的上压印模具9向下运动。当上压印模具9与聚合物基片10接触后，将会带动聚合物基片10和基片支撑板12一起向下运动，直到上下压印模具夹紧聚合物基片10后，锁定电动机1，此时，复位弹簧19被压缩，如图2所示。
3)开启上超声波发生器6和下超声波发生器18。开始产生超声振动，保持压力不变，使得聚合物基片10变形并充分填充下压印模具15和上压印模具8的型腔，如图3所示。
4)停止超声波振动，当聚合物温度降至玻璃态转化温度以下，保压一段时间，开启电动机1，将工作台5提升至最高点，此时基片支撑板12在复位弹簧19的回复力作用下上移，聚合物基片10完成自动脱模。
松开基片挡块11，取出加工完毕的具有双面压印成形结构的聚合物微器件，如图4所示。
与先前典型的微纳米压印成形技术相比较，上述成形装置在以下几个方面做了相应的改进：
1)采用模具-聚合物基片-模具的结构实现一次压印双面成形，该成形装置可用于加工具有双面微结构的聚合物器件，避免用传统方法在加工第二面时，对已加工完成面上的微纳米结构造成破坏，提高压印器件的加工质量和效率。
2)采用上下超声双振动，克服了单一超声波因遇障碍物能量衰减的弊端，使得聚合物在上下表面实现能量均衡，聚合物微器件的压印质量得到改善和提高。
3)基片挡块的使用可以将聚合物基片固定，防止聚合物基片因震颤而发生相对位移，避免聚合物基片因后续冷却时过度收缩而产生较大热应力，提高聚合物微器件的成形质量和脱模质量。
4)复位弹簧的使用，使得聚合物基片的上表面脱模后，下表面与下压印模具自动脱模，能够避免人为脱模对微纳米结构的破坏，从而提高脱模效率和压印成形质量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，包括同轴相对设置的下压印模具和上压印模具，当所述下压印模具和所述上压印模具相互靠近时，分别作用于聚合物基片的上表面和下表面，在所述上压印模具的背面设有上超声振动发生装置，在所述下压印模具的背面设有下超声振动发生装置，所述聚合物基片固定在水平设置的基片支撑板上。
2.根据权利要求1所述的双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，在所述聚合物基片的上表面上设有基片挡块，所述基片挡块与所述基片支撑板固定连接。
3.根据权利要求2所述的双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，所述基片支撑板设有与其滑动连接的竖向导柱，所述竖向导柱固定在机架的底座上，在所述机架的底座和所述基片支撑板之间设有复位弹簧。
4.根据权利要求3所述的双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，所述下超声振动发生装置安装在所述机架的底座上，所述上超声振动发生装置安装在水平设置的工作台上，所述工作台设有上下移动驱动装置。
5.根据权利要求4所述的双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，所述上下移动驱动装置包括竖向设置的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠由电动机驱动，所述电动机和所述滚珠丝杠安装在机架上，所述滚珠丝杠的螺母与所述工作台固接。
6.根据权利要求3所述的双振动超声微纳压印成形装置，其特征在于，所述上超声振动发生装置包括相互连接的上放大器和上超声波发生器，所述上超声波发生器安装在所述工作台上，所述上放大器通过上工具头与所述上压印模具连接；所述下超声振动发生装置包括相互连接的下放大器和下超声波发生器，所述下超声波发生器安装在所述机架的底座上，所述下放大器通过下工具头与所述下压印模具连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151111 |