[发明专利]一种基于激光加热的塑料件微结构成形方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工和塑料微成形领域，特指基于激光加热的塑料件微结构成形方法和装置，能够精密复制模压板上的微细特征到塑料件表面上，用于塑料件表面微结构特征的成形，特别适用于表面有微孔、微沟槽、微凸起等微结构特征的热塑性塑料件，如微流控芯片、微型精密图案等精密塑料件的成形加工。 

背景技术

塑料微结构件是指表面上有微尺度的微孔、微沟槽、微凸起等特征的热塑性塑料产品，如微流控芯片、微型精密图案等，由于塑料微结构件具有优良的机械特性和物理化学性能，具有微结构的塑料产品广泛应用在航空航天、微电子、精密仪器、生物医疗和国防等多个领域，塑料微结构加工成为当代科技发展的一个重要方向，随着现代制造技术和微机电系统的发展，塑料微结构件的需求量迅猛增加，对塑料微结构件的加工工艺、加工质量和加工成本提出了更高要求。目前，塑料微结构件加工方法一般有注塑成型、激光微成形、微切削、超声波微加工和热压成形等。

现有塑料件的微结构成形加工主要是依赖LIGA、光刻和化学刻蚀等加工技术的注塑成型，例如中国专利CN201110072477.7、CN201010119177.5、CN200910308065.1、CN200910308065.1、CN201010300409.7、CN101791840 A提供了各种不同的成型表面具有微通道结构的微流控芯片注塑模具，它们均是利用普通注塑模具成形加工塑料微结构件，由于聚合物熔体充模流动过程较复杂,涉及影响因素较多, 注塑成型微流控芯片要兼顾到塑料基体宏观注塑和微结构注塑的不同要求，基体注塑是宏观上聚合物熔体充填模具整个型腔，微结构注塑是模具型腔局部的微结构区域充填成型，两者在注塑工艺上有很大差别，由于微尺度效应，微流控芯片注塑和细胞培养皿注塑一样，都存在微结构充填成形不足的问题，因而，加工微流控芯片的注塑模具制造难度大、注塑工艺复杂、生产成本高。

另外，利用微切削加工、激光微刻蚀加工、超声波微加工、热压成形等方法成形加工塑料微结构件，各自具有加工适用范围和条件限制，例如微切削加工的加工生产效率低，能够加工的微结构尺寸和精度有限制；激光微刻蚀加工虽然加工效率较高，但加工的表面精度不高，加工的微结构通道壁面粗糙，这是由于微通道壁面容易黏附残留废料和凸起物，如文献（JOURNAL OF FUNCTIONALMATERIALSAND DEVICES Apr. Vol.14,No.2, 2008）报道了CO₂激光辅助加工PMMA微流控芯片中的重铸物现象；超声波微加工中存在振动极的安置问题，加工精度低和加工尺度受限制；热压成形也存在加热时间长、能源消耗高、成形压力大、热变形和成形精度受限制等问题。

随着激光加工技术发展，利用激光冲击技术对材料成形加工是重要的工业应用领域，国内外已有较多的基于激光技术的材料冲击成形专利报道，如中国专利ZL02264630.2、CN1931467A、CN101518852A、CN101269440A、CN101323051A，美国专利US334612、US3850698、US6747240等, 均是激光冲击成形金属、塑性材料的方法和装置，它们或是基于激光冲击的金属材料宏观成形，如弯曲、压形、胀形等成形方法，或是金属材料微型件冲击成形，金属、塑性材料的激光冲击成形原理是冲击力作用下的材料塑性变形，而聚合物塑料为高分子材料，在常温玻璃态时外部作用力不可以使之塑性变形，只有在塑料温度达到高弹态和粘流态时才能受外力作用流动，聚合物塑料在常温下仅受外力的作用是很难实现塑性成形的。

利用激光对聚合物材料的热效应作用，进行聚合物加工的研究与应用受到广泛关注，例如聚合物的激光烧结成型、焊接、表面改性、弯曲、烧蚀和切割等多种加工方法，但尚未涉及激光加热状态下的热塑性塑料微结构件成形加工领域。中国专利CN201070823Y公开了一种基于激光加工的微型塑料件成形装置，利用激光冲击产生的压力和激光照射塑料产生的热量，获得微型塑料件的成形，该专利对于激光加工的温度没有严格要求，成形的塑料为微型件，其尺度为微米级，属于微体积成型，该专利并不适用于宏观塑料件基体表面上的微结构成形。

综上所述，现有的加工方法难以满足日益增长的塑料微结构件成形加工要求，所以，有必要探索新加工方法和新技术实现快速、高效、节能环保低成本的塑料件微结构成形加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光加热的塑料件微结构成形方法和装置，用于成型表面具有微结构的热塑性塑料件，如微流控芯片、精密徽章图案等精密塑料件的成形加工。