基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法技术

本发明专利技术涉及一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法。该方法采用金属钨刻蚀技术制作微模具，将所得金属钨微模具镶嵌在宏观尺度模具(传统模具)中，然后采用注塑工艺实现宏观结构和微结构的共注塑成型。该方法采用二次合模注塑，先在半合模状态下注塑，后全合模状态下压缩成型，两步成型分别控制，在半合模阶段实现宏观结构成型，全合模阶段实现微结构成型。本发明专利技术采用金属钨微模芯，大幅提高了微注塑工艺中的线条精度和模具寿命，降低了成本；金属钨作为模芯镶嵌在传统模具中，利用现有注塑机实现微注塑，有利于工艺标准化集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属钨刻蚀技术、注塑成型
，具体涉及一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法。
技术介绍
随着制造技术向微纳尺度发展，同时具有宏观和微观特征尺寸的产品要求越来越高。比如在化学、生物领域需求越来越大的微流控芯片。其芯片大小约数平方厘米，而其中的微通道宽度和深度为微米级。由于微流控芯片的广泛应用，尤其是在生物领域中应用时，需要满足低成本、生物适应性、灵活性和大批量生产的要求，而这些要求很难同时满足。塑料材料成本低、种类多、适合大批量加工，成为目前微流控芯片的主要材料。目前制作微流控芯片的主要方法是热压成型，但其制作周期长，而注塑成型成本更低、效率更高、更适合大批量生产。但是受制于两方面的技术限制：1.微模芯制作没有有效的方法。目前采用硅模具，或者LIGA方法制造的镍模具居多，但LIGA方法造价高，且硅材料和镍材料的模具寿命均较差。2.微注塑工艺由于宏微尺度跨4个数量级，微注塑成型中经常发生因熔体充模流动阻力及粘度增大而使微型塑件填充不完整、熔接痕明显，或是微模具型腔中的气体无法顺利排出而发生微型塑件局部烧伤变黑及内部气孔等质量缺陷，严重影响微型塑件的成型质量和实际应用。
技术实现思路
本专利技术基于金属钨刻蚀技术，提出一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型工艺方法，实现了跨4个数量级尺度的高精度高寿命低成本的注塑工艺。本专利技术首先提供一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法，其步骤包括：1)采用金属钨刻蚀技术制作微模具；2)将步骤1)所得金属钨微模具作为模芯镶嵌在宏观尺度模具(传统模具)中；3)利用步骤2)所得模具，采用注塑工艺实现宏观结构和微结构的共注塑成型。进一步地，步骤1)制作金属钨微模具的步骤如下：a)准备双面抛光的一定厚度的金属钨基片；b)在金属钨基片上沉积硬掩膜；c)在硬掩膜上旋涂光刻胶；d)利用光刻进行图形定义；e)以光刻胶作为掩膜进行硬掩膜的刻蚀；f)利用硬掩膜进行金属钨的深刻蚀。进一步地，步骤b)所述硬掩膜的材料为金属、氧化物或者氮化物。进一步地，步骤2)所述将金属钨微模具镶嵌在宏观尺度模具中，分为下面两种情况：a)如果最终产品是平板类注塑件，则直接将刻蚀加工完成的钨基片作为定模固定在模具零件上；b)如果最终产品形状复杂，则将刻蚀加工完成的钨基片定位和镶嵌在半加工的模具零件上，即除了微细部分使用金属钨微模具外，模具的其他大尺寸部分使用传统的机加工完成。进一步地，步骤3)所述注塑工艺包括如下步骤：a)注射入模：将模具进行初次闭合，封料框由动模一侧向定模一侧移动，在动模、定模之间留有一定的间隙，间隙由移动式封料框进行封堵，同时将熔料注射人模；b)压缩成型：熔料注射完毕后，向合模装置发出第二次合模信号，合模装置增大锁模力并推动动模前进，将动模、定模板完全合拢，并保压一定时间，使模腔中的熔料在动模的压缩作用下取得型腔的精确形状，获得相应的塑件。本专利技术还提供一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型模具，包括宏观尺度模具和金属钨微模具，所述金属钨微模具作为模芯镶嵌在所述观尺度模具中。进一步地，所示金属钨微模具直接作为定模，或者镶嵌在宏观尺度的定模上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1.采用金属钨微模芯，大幅提高了微注塑工艺中的线条精度和模具寿命，降低了成本。2.金属钨作为模芯镶嵌在传统模具中，利用现有注塑机实现微注塑，有利于工艺标准化集成。3.二次合模注塑，先在半合模状态下注塑，后全合模状态下压缩成型，两步成型分别控制，在半合模阶段实现宏观结构成型，全合模阶段实现微结构成型。附图说明图1是采用金属钨刻蚀技术制作微模芯的工艺流程示意图。图2是金属钨作为模芯镶嵌在传统模具中的示意图。图3是二次合模注塑成型过程中注射入模的示意图。图4是二次合模注塑成型过程中压缩成型的示意图。图5是实施例中制备的细胞计数板的示意图。图6是实施例中制备的细胞计数板的实物照片。图7是实施例中细胞计数板上的计数网格放大图。图8为实施例中制备细胞计数板的金属钨微模具的SEM图片。具体实施方式下面通过具体实施例和附图，对本专利技术做进一步说明。本专利技术基于金属钨刻蚀技术，提出了基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型工艺方法，实现了跨4个数量级尺度的高精度高寿命低成本的注塑工艺。金属钨硬度高，杨氏模量大，高温性质好，是一种天然的模具材料，专利CN102372250提出了一种刻蚀金属钨材料的方法，使得利用金属钨材料作为微米尺度模具成为可能。由于在宏观上金属钨属于机械难加工材料，因此当需要比较多的宏观尺度模具加工的时候，需要模具镶嵌工艺，把钨微模具作为模芯，作为定模，进行注塑。同时，为了实现宏微共注塑，还需要借助全电动精密微注塑机台，利用注塑后压缩成型技术，即二次合模注塑成型，实现精确成型。在半合模阶段实现宏观结构成型，全合模阶段实现微结构成型。本专利技术方法的具体实施步骤如下：1.采用金属钨刻蚀技术制作微模芯图1是采用金属钨刻蚀技术制作微模芯的工艺示意图。具体步骤如下：1)准备双面抛光的一定厚度的金属钨基片；2)在金属钨基片上沉积硬掩膜，可以用金属或者氧化物或者氮化物，如Al，Ni，氧化硅等；3)在硬掩膜上旋涂光刻胶；4)利用光刻进行图形定义；5)以光刻胶作为掩膜进行硬掩膜的刻蚀；6)利用硬掩膜进行金属钨的深刻蚀。比如可以采用等离子体深刻蚀方法(DRIE)进行金属钨的深刻蚀。2.金属钨作为模芯镶嵌在传统模具中。如图2所示其中上部分为定模，下部分为动模，箭头所指为钨模具。具体来说，可以有两种方案：1)如果最终产品是平板类注塑件，可以直接将刻蚀加工完成的钨基片作为定模直接固定在其他模具零件上(通常为模具钢材料)；2)如果最终产品形状比较复杂，则需要钨基片定位和镶嵌在半加工的模具零件(定模)上，即除了微细部分使用钨件(即钨微模具)外，模具(定模)的其他大尺寸部分可以使用传统的机加工完成。3.二次合模注塑成型注塑成型的操作过程主要分为两大步骤，即注射入模和压缩成型。1)注射入模如图3所示，模具先进行初次闭合，封料框由动模一侧向定模一侧移动，这时并不是将动、定模完全闭合，而是留有一定的间隙，比如100～150微米间隙，间隙由移动式封料框进行封堵，将计量精确的熔料注射人模，虽然模具尚未闭合，当由于封料框的封堵，型腔中的熔料不会泄漏。2)压缩成型熔料注射完毕，即向合模装置发出第二次合模信号，合模装置随后立即增大锁模力并推动动模前进，将动、定模板完全合拢，保压一定时间，如图4所示。这时模腔中的熔料在动模的压缩作用下取得型腔的精确形状，获得相应的塑件。本专利技术采用此技术完成了典型产品—细胞计数板，如图5、图6所示，其中图5是外观示意图，图6是制备的实物照片，细胞计数板上两个黑色的方块即为计数网格，该计数网格的放大图片如图7所示。图8为采用金属钨刻蚀技术制作的微模具的SEM图片。该细胞计数板产品的特点是：a)跨尺度：宏观尺寸为33*74mm，精细部分的计数网格线条仅为2um；b)对线条精度要求高；c)大尺寸和小尺寸都有不同的加工要求。该产品采用钨基片刻蚀技术加工精细线条部分的模具零件，用传统的模具钢加工其他大尺寸的模具，将钨基片作为模芯固定在其他模具之上。注塑阶段采用注塑后压缩技术，半合模注塑阶段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法，其步骤包括：1)采用金属钨刻蚀技术制作微模具；2)将步骤1)所得金属钨微模具作为模芯镶嵌在宏观尺度模具中；3)利用步骤2)所得模具，采用注塑工艺实现宏观结构和微结构的共注塑成型。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属钨模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法，其步骤包括：1)采用金属钨刻蚀技术制作微模具；2)将步骤1)所得金属钨微模具作为模芯镶嵌在宏观尺度模具中；3)利用步骤2)所得模具，采用注塑工艺实现宏观结构和微结构的共注塑成型。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)制作金属钨微模具的步骤如下：a)准备双面抛光的一定厚度的金属钨基片；b)在金属钨基片上沉积硬掩膜；c)在硬掩膜上旋涂光刻胶；d)利用光刻进行图形定义；e)以光刻胶作为掩膜进行硬掩膜的刻蚀；f)利用硬掩膜进行金属钨的深刻蚀。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤b)所述硬掩膜的材料为金属、氧化物或者氮化物。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，如果最终产品是平板类注塑件，则直接将刻蚀加工完成的钨模具作为定模固定在其他模具零件上；如果最终产品形状复杂，则将刻蚀加工完成的钨模具定位和镶嵌在半加...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兢，宋璐，陈献，王振宇，孙文聪，
申请(专利权)人：苏州含光微纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32