一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置及方法
阅读说明：本技术 一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置及方法 (Polymer ultrasonic-assisted linear friction imprinting device and method ) 是由 张督 崔良玉 田延岭 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置及方法,压印装置包括压印平台、超声换能器、变幅杆、摩擦压印模具、聚合物薄板、X轴定位平台、Y轴定位平台和Z轴定位平台,所述压印平台的一侧设置有立柱,所述立柱的内侧通过Z轴定位平台连接有支架,所述支架上固定有所述超声换能器,所述超声换能器上设置有变幅杆,所述变幅杆的末端夹持有摩擦压印模具,所述摩擦压印模具的下方从上到下依次设置有聚合物薄板、吸盘、X轴运动平台和Y轴运动平台。本发明可以快速高效不产生切屑,加工过程中模具对聚合物压力小,损伤小、不会产生翘曲等,可通过替换模块微杆实现不同深度、宽度的微沟槽的加工。可用于加工复杂结构的微流控芯片等聚合物器件。(The invention discloses a polymer ultrasonic-assisted linear friction imprinting device and a method, wherein the imprinting device comprises an imprinting platform, an ultrasonic transducer, an amplitude transformer, a friction imprinting mold, a polymer sheet, an X-axis positioning platform, a Y-axis positioning platform and a Z-axis positioning platform, wherein one side of the imprinting platform is provided with an upright post, the inner side of the upright post is connected with a support through the Z-axis positioning platform, the ultrasonic transducer is fixed on the support, the amplitude transformer is arranged on the ultrasonic transducer, the friction imprinting mold is clamped at the tail end of the amplitude transformer, and the polymer sheet, a sucker, an X-axis motion platform and the Y-axis motion platform are sequentially arranged below the friction imprinting mold from top to bottom. The invention can quickly and efficiently generate no cutting scraps, has small pressure and damage to the polymer by the die in the processing process, does not generate warping and the like, and can realize the processing of micro grooves with different depths and widths by replacing the micro rods of the module. Can be used for processing polymer devices such as microfluidic chips with complex structures and the like.)
技术领域
本发明涉及聚合物表面压印成形领域，特别是涉及一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置及方法。
背景技术
传统的超声辅助压印采用商用的超声焊接机，由于超声焊接机在振动时振动方向和压力与器件平面垂直，压力与振动方向同方向使得摩擦生热效率低，进而导致压印效率低能耗高；压力和振动的耦合作用会导致对器件在厚度方向的破坏；传统超声压印为大面积整体性压印，难以实现多次套印及微结构修正。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种在聚合物表面压印加工微沟槽结构的成形工艺、装置及控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置，包括压印平台、超声换能器、变幅杆、摩擦压印模具、聚合物薄板、X轴定位平台、Y轴定位平台和Z轴定位平台，所述压印平台的一侧设置有立柱，所述立柱的内侧通过Z轴定位平台连接有支架，所述支架上固定有所述超声换能器，所述超声换能器上设置有变幅杆，所述变幅杆的末端夹持有摩擦压印模具，所述摩擦压印模具的下方从上到下依次设置有聚合物薄板、吸盘、X轴运动平台和Y轴运动平台。
进一步的，所述摩擦压印模具与聚合物薄板垂直设置。
本发明还提供一种聚合物超声辅助线性摩擦压印工艺，通过超声换能器将电能转化为超声振动机械能，通过变幅杆实现振幅的放大调节；通过变幅杆末端带动摩擦压印模具产生沿变幅杆轴线方向的线性超声振动，从而使线性超声振动在摩擦压印模具末端与聚合物表面引起线性摩擦；通过超声线性摩擦生热使得与摩擦压印模具生热接触的聚合物在毫秒时间内局部熔融变形；Z轴运动平台的压力作用使得熔融的聚合物向摩擦压印模具的腔体填充，摩擦压印模具末端离开熔融的聚合物表面后，受力填充到摩擦压印模具的腔体的聚合物在毫秒内遇冷凝固，复制出摩擦压印模具上的结构。
本发明还提供一种聚合物超声辅助线性摩擦压印控制方法，包括以下步骤：
(1)将待加工的聚合物薄板固定在吸盘上；
(2)控制X轴定位平台、Y轴定位平台使待加工的聚合物薄板位于摩擦压印模具的正下方；
(3)在加工过程中，通过Z轴定位平台实现垂直方向的压力和高度控制，通过X轴定位平台、Y轴定位平台控制加工轨迹，使得X轴定位平台、Y轴定位平台的速度方向始终与摩擦压印模具的振动摩擦方向一致；最终完成聚合物的线性摩擦压印。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本专利采用超声辅助线性摩擦压印技术，将压力方向与振动方向解耦，摩擦生热效率高，且深度方向易于控制，可以采用微型模具在大幅表面实现微结构压印，通过数控系统控制运动轨迹实现复杂结构的灵活加工；采用微型模具实现复杂结构的灵活加工，可避免大型模具的加工，降低了模具成本。
2.本发明是一种局部加热的热塑性成形方法，快速高效不产生切屑，加工过程中模具对聚合物压力小，损伤小、不会产生翘曲等，可通过替换模块微杆实现不同深度、宽度的微沟槽的加工。可用于加工复杂结构的微流控芯片等聚合物器件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2a和图2b分别是凸模压印和凹模压印的结构示意图。
图3a和图3b分别是凸模和凹模复制的微沟道的结构示意图。
附图标记：1-立柱，2-Z轴运动平台，3-支架，4-超声换能器，5-摩擦压印模具，6-聚合物薄板，7-吸盘，8-X轴运动平台，9-Y轴运动平台，10-压印平台
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种聚合物超声辅助线性摩擦压印装置，包括压印平台10、超声换能器4、变幅杆、摩擦压印模具5、聚合物薄板6、X轴定位平台8、Y轴定位平台9和Z轴定位平台2，压印平台10的一侧安装有立柱1，立柱1的内侧通过Z轴定位平台2连接有支架3，支架3上固定有超声换能器4，超声换能器4上设置有变幅杆，变幅杆的末端夹持有摩擦压印模具5，摩擦压印模具5的下方从上到下依次设置有聚合物薄板6、吸盘7、X轴运动平台8和Y轴运动平台9。
本实施例中，摩擦压印模具通过螺栓连接固定在变幅杆末端，可方便更换。摩擦压印模具末端有一处平板用于抚平在压印过程中被挤压出的熔融聚合物，摩擦压印模具的微结构可通过激光加工或蚀刻方法实现。此外摩擦压印模具与聚合物薄板垂直设置。
具体的，聚合物超声辅助线性摩擦压印工艺如下，通过超声换能器将电能转化为超声振动机械能，通过变幅杆实现振幅的放大调节。变幅杆的末端夹持有与待加工平面垂直的摩擦压印模具，通过变幅杆的设计使得变幅杆末端带动摩擦压印模具产生沿变幅杆轴线方向的线性超声振动，从而使线性超声振动在摩擦压印模具末端与聚合物表面引起线性摩擦，通过高频的超声线性摩擦生热使得与摩擦压印模具生热接触的聚合物在数毫秒时间内迅速局部熔融变形，Z轴运动平台的压力作用使得熔融的聚合物向摩擦压印模具的腔体填充，由于X、Y轴运动平台运动按照设计的轨迹运动过程，摩擦压印模具末端离开刚才熔融的聚合物表面后，受力填充到摩擦压印模具的腔体的聚合物在数毫秒内迅速遇冷凝固，从而复制出摩擦压印模具上的结构。摩擦压印模具可采用凸模或凹模，如图2a和图2b所示。凸模复制的微沟道的结构见图3a，凹模复制的微沟道的结构见图3b。
具体的，聚合物超声辅助线性摩擦压印控制方法，包括以下步骤：
(1)将待加工的聚合物薄板固定在吸盘上；
(2)控制X轴定位平台、Y轴定位平台使待加工的聚合物薄板位于摩擦压印模具的正下方；
(3)在加工过程中，通过Z轴定位平台实现垂直方向的压力和高度控制，通过X轴定位平台、Y轴定位平台控制加工轨迹，使得X轴定位平台、Y轴定位平台的速度方向始终与摩擦压印模具的振动摩擦方向一致；最终完成聚合物的线性摩擦压印。
此外通过XZ或YZ轴的运动轨迹控制，可以实现在曲面上加工微结构。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。