基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法與流程

本發明屬于金屬鎢刻蝕技術、注塑成型技術領域，具體涉及一種基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法。

背景技術：

隨著制造技術向微納尺度發展，同時具有宏觀和微觀特征尺寸的產品要求越來越高。比如在化學、生物領域需求越來越大的微流控芯片。其芯片大小約數平方厘米，而其中的微通道寬度和深度為微米級。由于微流控芯片的廣泛應用，尤其是在生物領域中應用時，需要滿足低成本、生物適應性、靈活性和大批量生產的要求，而這些要求很難同時滿足。

塑料材料成本低、種類多、適合大批量加工，成為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熱壓成型，但其制作周期長，而注塑成型成本更低、效率更高、更適合大批量生產。但是受制于兩方面的技術限制：

1.微模芯制作沒有有效的方法。目前采用硅模具，或者LIGA方法制造的鎳模具居多，但LIGA方法造價高，且硅材料和鎳材料的模具壽命均較差。

2.微注塑工藝由于宏微尺度跨4個數量級，微注塑成型中經常發生因熔體充模流動阻力及粘度增大而使微型塑件填充不完整、熔接痕明顯，或是微模具型腔中的氣體無法順利排出而發生微型塑件局部燒傷變黑及內部氣孔等質量缺陷，嚴重影響微型塑件的成型質量和實際應用。

技術實現要素：

本發明基于金屬鎢刻蝕技術，提出一種基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型工藝方法，實現了跨4個數量級尺度的高精度高壽命低成本的注塑工藝。

本發明首先提供一種基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型方法，其步驟包括：

1)采用金屬鎢刻蝕技術制作微模具；

2)將步驟1)所得金屬鎢微模具作為模芯鑲嵌在宏觀尺度模具(傳統模具)中；

3)利用步驟2)所得模具，采用注塑工藝實現宏觀結構和微結構的共注塑成型。

進一步地，步驟1)制作金屬鎢微模具的步驟如下：

a)準備雙面拋光的一定厚度的金屬鎢基片；

b)在金屬鎢基片上沉積硬掩膜；

c)在硬掩膜上旋涂光刻膠；

d)利用光刻進行圖形定義；

e)以光刻膠作為掩膜進行硬掩膜的刻蝕；

f)利用硬掩膜進行金屬鎢的深刻蝕。

進一步地，步驟b)所述硬掩膜的材料為金屬、氧化物或者氮化物。

進一步地，步驟2)所述將金屬鎢微模具鑲嵌在宏觀尺度模具中，分為下面兩種情況：

a)如果最終產品是平板類注塑件，則直接將刻蝕加工完成的鎢基片作為定模固定在模具零件上；

b)如果最終產品形狀復雜，則將刻蝕加工完成的鎢基片定位和鑲嵌在半加工的模具零件上，即除了微細部分使用金屬鎢微模具外，模具的其他大尺寸部分使用傳統的機加工完成。

進一步地，步驟3)所述注塑工藝包括如下步驟：

a)注射入模：將模具進行初次閉合，封料框由動模一側向定模一側移動，在動模、定模之間留有一定的間隙，間隙由移動式封料框進行封堵，同時將熔料注射人模；

b)壓縮成型：熔料注射完畢后，向合模裝置發出第二次合模信號，合模裝置增大鎖模力并推動動模前進，將動模、定模板完全合攏，并保壓一定時間，使模腔中的熔料在動模的壓縮作用下取得型腔的精確形狀，獲得相應的塑件。

本發明還提供一種基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型模具，包括宏觀尺度模具和金屬鎢微模具，所述金屬鎢微模具作為模芯鑲嵌在所述觀尺度模具中。

進一步地，所示金屬鎢微模具直接作為定模，或者鑲嵌在宏觀尺度的定模上。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

1.采用金屬鎢微模芯，大幅提高了微注塑工藝中的線條精度和模具壽命，降低了成本。

2.金屬鎢作為模芯鑲嵌在傳統模具中，利用現有注塑機實現微注塑，有利于工藝標準化集成。

3.二次合模注塑，先在半合模狀態下注塑，后全合模狀態下壓縮成型，兩步成型分別控制，在半合模階段實現宏觀結構成型，全合模階段實現微結構成型。

附圖說明

圖1是采用金屬鎢刻蝕技術制作微模芯的工藝流程示意圖。

圖2是金屬鎢作為模芯鑲嵌在傳統模具中的示意圖。

圖3是二次合模注塑成型過程中注射入模的示意圖。

圖4是二次合模注塑成型過程中壓縮成型的示意圖。

圖5是實施例中制備的細胞計數板的示意圖。

圖6是實施例中制備的細胞計數板的實物照片。

圖7是實施例中細胞計數板上的計數網格放大圖。

圖8為實施例中制備細胞計數板的金屬鎢微模具的SEM圖片。

具體實施方式

下面通過具體實施例和附圖，對本發明做進一步說明。

本發明基于金屬鎢刻蝕技術，提出了基于金屬鎢模芯的跨尺度宏微共注塑快速成型工藝方法，實現了跨4個數量級尺度的高精度高壽命低成本的注塑工藝。

金屬鎢硬度高，楊氏模量大，高溫性質好，是一種天然的模具材料，專利CN102372250提出了一種刻蝕金屬鎢材料的方法，使得利用金屬鎢材料作為微米尺度模具成為可能。

由于在宏觀上金屬鎢屬于機械難加工材料，因此當需要比較多的宏觀尺度模具加工的時候，需要模具鑲嵌工藝，把鎢微模具作為模芯，作為定模，進行注塑。同時，為了實現宏微共注塑，還需要借助全電動精密微注塑機臺，利用注塑后壓縮成型技術，即二次合模注塑成型，實現精確成型。在半合模階段實現宏觀結構成型，全合模階段實現微結構成型。

本發明方法的具體實施步驟如下：

1.采用金屬鎢刻蝕技術制作微模芯

圖1是采用金屬鎢刻蝕技術制作微模芯的工藝示意圖。具體步驟如下：

1)準備雙面拋光的一定厚度的金屬鎢基片；

2)在金屬鎢基片上沉積硬掩膜，可以用金屬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膠；

4)利用光刻進行圖形定義；

5)以光刻膠作為掩膜進行硬掩膜的刻蝕；

6)利用硬掩膜進行金屬鎢的深刻蝕。比如可以采用等離子體深刻蝕方法(DRIE)進行金屬鎢的深刻蝕。

2.金屬鎢作為模芯鑲嵌在傳統模具中。如圖2所示其中上部分為定模，下部分為動模，箭頭所指為鎢模具。具體來說，可以有兩種方案：

1)如果最終產品是平板類注塑件，可以直接將刻蝕加工完成的鎢基片作為定模直接固定 在其他模具零件上(通常為模具鋼材料)；

2)如果最終產品形狀比較復雜，則需要鎢基片定位和鑲嵌在半加工的模具零件(定模)上，即除了微細部分使用鎢件(即鎢微模具)外，模具(定模)的其他大尺寸部分可以使用傳統的機加工完成。

3.二次合模注塑成型

注塑成型的操作過程主要分為兩大步驟，即注射入模和壓縮成型。

1)注射入模

如圖3所示，模具先進行初次閉合，封料框由動模一側向定模一側移動，這時并不是將動、定模完全閉合，而是留有一定的間隙，比如100～150微米間隙，間隙由移動式封料框進行封堵，將計量精確的熔料注射人模，雖然模具尚未閉合，當由于封料框的封堵，型腔中的熔料不會泄漏。

2)壓縮成型

熔料注射完畢，即向合模裝置發出第二次合模信號，合模裝置隨后立即增大鎖模力并推動動模前進，將動、定模板完全合攏，保壓一定時間，如圖4所示。這時模腔中的熔料在動模的壓縮作用下取得型腔的精確形狀，獲得相應的塑件。

本發明采用此技術完成了典型產品—細胞計數板，如圖5、圖6所示，其中圖5是外觀示意圖，圖6是制備的實物照片，細胞計數板上兩個黑色的方塊即為計數網格，該計數網格的放大圖片如圖7所示。圖8為采用金屬鎢刻蝕技術制作的微模具的SEM圖片。

該細胞計數板產品的特點是：

a)跨尺度：宏觀尺寸為33*74mm，精細部分的計數網格線條僅為2um；

b)對線條精度要求高；

c)大尺寸和小尺寸都有不同的加工要求。

該產品采用鎢基片刻蝕技術加工精細線條部分的模具零件，用傳統的模具鋼加工其他大尺寸的模具，將鎢基片作為模芯固定在其他模具之上。注塑階段采用注塑后壓縮技術，半合模注塑階段預留100微米間隙，然后壓縮成型，實現了跨尺度尺寸精度的精確復制，滿足產品要求，模具壽命高，經過5萬次合模之后模芯依然可用。該產品已經實現量產。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，本發明的保護范圍應以權利要求書所述為準。