一种激光加热辊型微细压印装置的制作方法

2021-01-26 17:01:06|

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本发明涉及微细制造装备技术领域，具体涉及一种激光加热辊型微细压印装置。

背景技术：

功能性表面微细结构是指产品表面微细结构的特征尺寸范围为0.01～1mm，处于微观尺度和宏观尺度之间(称之为介观尺度mesoscale)，这些表面微细结构可以提升产品功能和改善产品性能，并且使产品经济性和生态环保性达到最佳化，尤其是大面积功能性表面微细结构如微通道、微肋条、微凹坑等在诸如增加反应面积、减摩减阻、提高能源利用率等方面有着显著的优势。

目前，具有大面积功能性表面微细特征结构的产品越来越多地在诸如新能源装置、光学器件、节能性功能表面结构件、微电子器件、微流控器件(微化学反应器)、生物医疗、汽车、通信等领域得到应用。比如，板式微通道反应器表面是由几百微米宽，几百微米深的流道或者几十至几百个微米特征尺寸的阵列凸台组成；微通道热交换器、燃料电池金属极板、微流控器件等零件的表面都具有微凹槽、微肋条、微凸台或凹坑阵列等功能性微细结构。通常这种表面微细功能特征结构尺寸都在几十个微米到几百个微米不等。对于这些功能性表面微细特征结构，可以采用微细切削加工、微细磨削加工、聚焦粒子束铣削、激光烧蚀、微电火花加工(edm)、微刻蚀等工艺技术来加工。但是微细切削和磨削工艺的加工效率低下、浪费材料严重，而聚焦粒子束、微刻蚀等工艺复杂、设备昂贵，此外，激光烧蚀和微edm等工艺零件表面特征质量难以保证。采用这些工艺加工零件表面微细功能特征结构阵列成本较高，难以实现高质高效大批生产。

近年来，微细压印技术因其具有大批量、高效、高精度、高密集、短周期、低成本、无污染、净成形等优点，迅速成为研究热点。目前，功能性表面微细特征结构的制造主要依赖于平型压印装置来实现，然而在制造特征尺寸微小、整体尺寸宏观的大面积功能性表面微细结构时，平面压印装置显示出很大的局限性，诸如工艺不连续、效率低、压印力大、模具磨损严重、所成形的结构特征一致性易受板厚均匀度和环境浮尘的影响、模腔排气困难导致材料难以完全填充模具等。因而，该工艺装置仅局限于小面积压印，难以实现大面积高效高质压印，不适合大批量自动化生产。

现有公开号为cn102602208b，名称为“一种全液压驱动辊型微细压印装置”的发明专利，该发明装置采用液压作为动力，驱动光辊或模具辊对模板或光板的模式进行微细压印，克服了上述平面压印的缺点，能够实现大面积连续微细压印成形加工。

但是上述方式采用冷辊压印，容易导致材料变形抗力大，材料在微细尺度下流动变形，由于尺寸效应的存在，材料种类、晶粒尺寸和取向的影响会导致材料在微细变形过程中流动充型不均匀、工艺参数不稳定，压印成品质量不高。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种激光加热辊型微细压印装置，以解决现有技术中存在的上述问题。

一种激光加热辊型微细压印装置，包括机架和安装在所述机架上用于输送材料的支撑运送机构，所述支撑运送机构通过第一驱动机构驱动运行，还包括激光器、透光模具、透光辊以及辊压间隙调节机构，所述激光器和辊压间隙调节机构均安装在机架上，透光辊安装在辊压间隙调节机构的下端，激光器安装在透光辊的上方，透光辊通过第二驱动机构驱动旋转，辊压间隙调节机构通过第三驱动机构驱动升降，透光辊的中心转轴和支撑运送机构的输送方向相互垂直，透光辊作用在透光模具表面，所述透光模具和支撑运送机构间形成辊压间隙，材料放置于所述辊压间隙，所述激光器发射的光束顺次通过透光辊以及透光模具作用在材料上。

优选的，所述透光模具和透光辊分开设置，所述透光模具为平面模具，放置在所述材料的上表面，透光模具随着材料同步沿着支撑运送机构运行的方向移动，所述透光辊相对透光模具的上表面滚动。

优选的，所述透光模具环绕设置在透光辊的外辊壁一周，透光辊在旋转的过程中，其上的透光模具作用在材料的表面。

优选的，所述支撑运送机构为线性运动平台，线性运动平台通过第一驱动机构驱动做直线往复运动，所述线性运动平台可采用滑动导轨、滚动导轨、液压导轨、气浮导轨或磁浮导轨中的任意一种，第一驱动机构为伺服电机或直线电机。

优选的，所述支撑运送机构为转动辊，转动辊通过第一驱动机构驱动旋转，转动辊和透光辊的辊轴相互平行，所述转动辊通过轴承安装在所述机架上，所述轴承为液压轴承、气压轴承或磁浮轴承中的任意一种，第一驱动机构为伺服电机、无刷电机、液压马达或气压马达中的任意一种。

优选的，所述第三驱动机构为伺服电机或无刷电机。

优选的，所述激光器发射高能准分子激光，采用脉冲激光或连续激光，激光器的功率、焦距和光斑均可调节。

优选的，所述透光模具和透光辊均采用石英材质。

优选的，所述第二驱动机构为伺服电机、无刷电机、液压马达或气压马达中的任意一种。

优选的，所述辊压间隙调节机构为滚珠丝杠。

本发明具有如下优点：

(1)本发明将传统辊压工艺和平面压印工艺相结合，实现微细加工工艺的连续性，效率高，易于大面积加工，成本低；

(2)本发明通过透光辊、透光模具以及材料之间的近线性接触，可以降低压印力；

(3)本发明利用激光非接触式加热材料表面微细成形区域，加热均匀，温度梯度小，能够减小应变强化的影响，降低材料的变形抗力，改善材料的塑性，增加材料流动的均匀性，提高材料的成形稳定性和成形精度；

(4)本发明采用激光作为表面热源加热工件表面微细变形区，热作用可控性好，重复性好，工艺简单，易于实现自动化生产；

(5)本发明与现有微细成形加热技术相比，激光加热无环境污染，导向性能好，局部集中加热，热作用效果明显，加热速度快，效率高，无需加热模具或辊子；

(6)本发明装置设计合理，工艺简单，可控性和重复性好，适用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明的实施例1的结构示意图；

图3为本发明的实施例2的结构示意图；

图4为本发明的实施例3的结构示意图；

图5为本发明的实施例4的结构示意图。

图中：

1-激光器；2-材料；3-透光模具；4-透光辊；5-线性运动平台；6-转动辊；7-机架；8-第一驱动机构；9-第二驱动机构；10-第三驱动机构；11-辊压间隙调节机构。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图5所示，本发明提供了一种激光加热辊型微细压印装置，包括机架7和安装在所述机架7上用于输送材料2的支撑运送机构。

该微细压印装置还包括激光器1、透光模具3、透光辊4以及辊压间隙调节机11，所述激光器1和辊压间隙调节机11均安装在机架7上，透光辊4安装在辊压间隙调节机11的下端，激光器1安装在透光辊4的上方。

其中，透光辊4通过第二驱动机构9驱动旋转。所述第二驱动机构9为伺服电机、无刷电机、液压马达或气压马达中的任意一种。透光辊4的中心转轴和支撑运送机构的输送方向相互垂直。

其中，辊压间隙调节机11通过第三驱动机构10驱动升降。所述第三驱动机构10为伺服电机或无刷电机。通过调节辊压间隙调节机11，可调节安装在辊压间隙调节机11下方的透光辊4的高度。

所述辊压间隙调节机11为滚珠丝杠。

透光辊4作用在透光模具3表面，所述透光模具3和支撑运送机构间形成辊压间隙，材料2放置于所述辊压间隙，所述激光器1发射的光束顺次通过透光辊4以及透光模具3作用在材料2上。所述激光器1发射高能准分子激光，采用脉冲激光或连续激光，激光器1的功率、焦距和光斑均可调节。

其中，所述透光模具3和透光辊4均采用石英材质，使透光模具3和透光辊4的透光效果好，并且具有一定的刚度和强度。

实施例1：

如图2所示，所述透光模具3和透光辊4分开设置，所述透光模具3为平面模具，放置在所述材料2的上表面，透光模具3随着材料2同步沿着支撑运送机构运行的方向移动，所述透光辊4相对透光模具3的上表面滚动。

所述支撑运送机构为线性运动平台5，线性运动平台5通过第一驱动机构8驱动做直线往复运动，所述线性运动平台5可采用滑动导轨、滚动导轨、液压导轨、气浮导轨或磁浮导轨中的任意一种，第一驱动机构8为伺服电机或直线电机。

本实施例对材料2进行激光加热辊型压印时，具有如下步骤：

第一步、通过辊压间隙调节机11将透光辊4调节至适宜高度，然后把需要辊压的材料2放置于线性运动平台5上，之后，将透光模具3放置在材料2的上方，使透光模具3带微细结构特征的一面与材料2上表面接触；

第二步、调节辊压间隙调节机11，使透光辊4垂直向下运动，下压接触透光模具3的上表面，并使透光模具3的下表面微细结构压入材料2表面层，至要求的辊压深度，此时，透光辊4、透光模具3和材料2之间的接触近似于线性接触，能够显著降低成形载荷；

第三步、开启激光器1，光束射向透光辊4方向，并通过透光辊4和透光模具3入射材料2表面，通过调节激光器1的激光焦距、光斑形状和大小，使激光高能量分布区域与辊压加工时材料2表面层压力变形区域相匹配，以便对材料2表面层局部区域进行加热；

第四步、驱动线性运动平台5做直线运动，同时开启激光器1，线性运动平台5带着材料2和透光模具3相对于转动的透光辊4做相对运动，使得激光的发射与材料2的运动连续同步，可对材料2边激光加热边辊压成形，由于材料2表面层被激光加热，塑性得到提高，同时在辊压力作用下，发生塑性变形，使得透光模具3表面上的微细结构转印到材料2的表面；

辊压完成后，关闭激光器1，线性运动平台5继续带着材料2和透光模具3离开辊压加工区，然后再次调节辊压间隙调节机11驱动透光辊2上升，材料2与透光模具3分离进行脱模，之后线性运动平台5复位。

实施例2：

如图3所示，基于实施例1，对透光模具3进行替换，具体的：所述透光模具3环绕设置在透光辊4的外辊壁一周，并与所述透光辊4一体成型，透光辊4在旋转的过程中，其上的透光模具3作用在材料2的表面。辊型压印时具有如下步骤：

第一步、调节透光辊4高度，把需要辊压的材料2放置于线性运动平台5上；

第二步、调节辊压间隙调节机11，使透光辊4垂直向下运动，透光辊4外圈透光模具3表面微细结构压入材料2表面层，至要求的辊压深度；

第三步、开启激光器1，调节好焦距和光斑，使与辊压加工时的材料2表面成形区域相适应；第四步、驱动线性运动平台5做直线运动，同时开启激光器1，线性运动平台5带着材料2与转动的透光辊4表面的透光模具3做相对运动，对材料2边加热边辊压，使得透光模具3表面一圈微细结构转印到材料2的表面。

实施例3：

如图4，基于实施例1，将线性运动平台5替换为转动辊6，即所述支撑运送机构为转动辊6，转动辊6通过第一驱动机构8驱动旋转，转动辊6和透光辊4的辊轴相互平行，所述转动辊6通过轴承安装在所述机架7上，所述轴承为液压轴承、气压轴承或磁浮轴承中的任意一种，第一驱动机构8为伺服电机、无刷电机、液压马达或气压马达中的任意一种。辊型压印时具有如下步骤：

第一步、调节透光辊4高度，把需要辊压的材料2放置在转动辊6上，将透光模具3放置在材料2的上方，使透光模具3带微细结构特征的一面与材料2上表面接触；

第二步、调节辊压间隙调节机11，使透光辊4垂直向下运动，下压接触透光模具3的上表面，并使透光模具3的下表面微细结构压入材料2表面层，至要求的辊压深度；

第三步、开启激光器1，调节好焦距和光斑，使与辊压加工时的材料2表面成形区域相适应；

第四步、驱动转动辊6做回转运动，同时开启激光器1，对材料2边加热边辊压，使得透光模具3表面的微细结构转印到材料2的表面；

实施例4：

如图5，基于实施例2，将线性运动平台5替换为实施例3中的转动辊6。辊型压印时具有如下步骤：

第一步、调节透光辊4高度，把需要辊压的材料2放置在转动辊6上；

第二步、调节辊压间隙调节机11，使透光辊4垂直向下运动，透光辊4外圈透光模具3表面微细结构压入材料2表面层，至要求的辊压深度；

第三步、开启激光器1，调节好焦距和光斑，使与辊压加工时的材料2表面成形区域相适应；

第四步、驱动转动辊6做回转运动，同时开启激光器1，对材料2边加热边辊压，使得透光模具3表面一圈微细结构转印到材料2的表面。

本发明通过透光辊、透光模具以及材料之间的近线性接触，可以降低压印力，同时利用利用激光非接触式加热材料表面微细成形区域，加热均匀，温度梯度小，能够减小应变强化的影响，降低材料的变形抗力，改善材料的塑性，增加材料流动的均匀性，提高材料的成形稳定性和成形精度；

本发明将传统辊压工艺和平面压印工艺相结合，实现微细加工工艺的连续性，效率高，易于大面积加工，成本低；使透光模具和透光辊的表面一体成型，无需单独设置模具，可减少材料压印的工序，提高压印效率。