[發明專利]一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置

無效

• 申請號: 201210491845.6
• 申請日: 2012-11-28
• 公開（公告）號: CN102962583A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 譚文勝;周建忠;黃舒;楊晶;陳寒松;陳松玲;孟憲凱
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B29C67/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及激光加工和塑料微成形領域，特指基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置，能夠精密復制模壓板上的微細特征到塑料件表面上，用于塑料件表面微結構特征的成形，特別適用于表面有微孔、微溝槽、微凸起等微結構特征的熱塑性塑料件，如微流控芯片、微型精密圖案等精密塑料件的成形加工。?

背景技術

塑料微結構件是指表面上有微尺度的微孔、微溝槽、微凸起等特征的熱塑性塑料產品，如微流控芯片、微型精密圖案等，由于塑料微結構件具有優良的機械特性和物理化學性能，具有微結構的塑料產品廣泛應用在航空航天、微電子、精密儀器、生物醫療和國防等多個領域，塑料微結構加工成為當代科技發展的一個重要方向，隨著現代制造技術和微機電系統的發展，塑料微結構件的需求量迅猛增加，對塑料微結構件的加工工藝、加工質量和加工成本提出了更高要求。目前，塑料微結構件加工方法一般有注塑成型、激光微成形、微切削、超聲波微加工和熱壓成形等。

現有塑料件的微結構成形加工主要是依賴LIGA、光刻和化學刻蝕等加工技術的注塑成型，例如中國專利CN201110072477.7、CN201010119177.5、CN200910308065.1、CN200910308065.1、CN201010300409.7、CN101791840?A提供了各種不同的成型表面具有微通道結構的微流控芯片注塑模具，它們均是利用普通注塑模具成形加工塑料微結構件，由于聚合物熔體充模流動過程較復雜,涉及影響因素較多,?注塑成型微流控芯片要兼顧到塑料基體宏觀注塑和微結構注塑的不同要求，基體注塑是宏觀上聚合物熔體充填模具整個型腔，微結構注塑是模具型腔局部的微結構區域充填成型，兩者在注塑工藝上有很大差別，由于微尺度效應，微流控芯片注塑和細胞培養皿注塑一樣，都存在微結構充填成形不足的問題，因而，加工微流控芯片的注塑模具制造難度大、注塑工藝復雜、生產成本高。

另外，利用微切削加工、激光微刻蝕加工、超聲波微加工、熱壓成形等方法成形加工塑料微結構件，各自具有加工適用范圍和條件限制，例如微切削加工的加工生產效率低，能夠加工的微結構尺寸和精度有限制；激光微刻蝕加工雖然加工效率較高，但加工的表面精度不高，加工的微結構通道壁面粗糙，這是由于微通道壁面容易黏附殘留廢料和凸起物，如文獻（JOURNAL?OF?FUNCTIONALMATERIALSAND?DEVICES?Apr.?Vol.14,No.2,?2008）報道了CO₂激光輔助加工PMMA微流控芯片中的重鑄物現象；超聲波微加工中存在振動極的安置問題，加工精度低和加工尺度受限制；熱壓成形也存在加熱時間長、能源消耗高、成形壓力大、熱變形和成形精度受限制等問題。

隨著激光加工技術發展，利用激光沖擊技術對材料成形加工是重要的工業應用領域，國內外已有較多的基于激光技術的材料沖擊成形專利報道，如中國專利ZL02264630.2、CN1931467A、CN101518852A、CN101269440A、CN101323051A，美國專利US334612、US3850698、US6747240等,?均是激光沖擊成形金屬、塑性材料的方法和裝置，它們或是基于激光沖擊的金屬材料宏觀成形，如彎曲、壓形、脹形等成形方法，或是金屬材料微型件沖擊成形，金屬、塑性材料的激光沖擊成形原理是沖擊力作用下的材料塑性變形，而聚合物塑料為高分子材料，在常溫玻璃態時外部作用力不可以使之塑性變形，只有在塑料溫度達到高彈態和粘流態時才能受外力作用流動，聚合物塑料在常溫下僅受外力的作用是很難實現塑性成形的。

利用激光對聚合物材料的熱效應作用，進行聚合物加工的研究與應用受到廣泛關注，例如聚合物的激光燒結成型、焊接、表面改性、彎曲、燒蝕和切割等多種加工方法，但尚未涉及激光加熱狀態下的熱塑性塑料微結構件成形加工領域。中國專利CN201070823Y公開了一種基于激光加工的微型塑料件成形裝置，利用激光沖擊產生的壓力和激光照射塑料產生的熱量，獲得微型塑料件的成形，該專利對于激光加工的溫度沒有嚴格要求，成形的塑料為微型件，其尺度為微米級，屬于微體積成型，該專利并不適用于宏觀塑料件基體表面上的微結構成形。

綜上所述，現有的加工方法難以滿足日益增長的塑料微結構件成形加工要求，所以，有必要探索新加工方法和新技術實現快速、高效、節能環保低成本的塑料件微結構成形加工。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于激光加熱的塑料件微結構成形方法和裝置，用于成型表面具有微結構的熱塑性塑料件，如微流控芯片、精密徽章圖案等精密塑料件的成形加工。