熱擴(kuò)散焊線切割與真空熱擴(kuò)散焊組合制備工藝

Micro－DLOM制備三維微模具以及注塑的工藝過程包括：（1）采用電火花線切割工藝對(duì)銅箔進(jìn)行切割獲得二維微結(jié)構(gòu)；（2）通過真空壓力熱擴(kuò)散焊連接多層二維微結(jié)構(gòu)從而疊加擬合出三維微模具 。

首先，通過CAD切片軟件將微模具設(shè)計(jì)模型進(jìn)行離散切片從而獲得疊層微模具模型。切片軟件還需對(duì)疊層微模具模型進(jìn)行后處理，從而獲得銅箔層數(shù)、層厚及每層銅箔二維微結(jié)構(gòu)軌跡等數(shù)據(jù) 。

然后將已確定的各層銅箔的一端夾緊固定。銅箔分已加工銅箔、正加工銅箔和待加工銅箔。待加工銅箔的另一端需要向上彈性彎曲并用擋塊擋住，正加工銅箔的另一端通過鋼塊與磁鐵夾具固定，并由線切割加工該層的二維微結(jié)構(gòu)，已加工銅箔需要向下彈性彎曲并用擋塊擋住。重復(fù)上述過程，直至完成各層二維微結(jié)構(gòu)的線切割加工，從而獲得初步疊層的三維微模具。然而初步疊層的三維微模具的各層二維微結(jié)構(gòu)并沒有真正連接，因此需其一端仍保持夾緊狀態(tài)并放入真空爐中進(jìn)行真空壓力熱擴(kuò)散焊，從而完成各層銅箔二維微結(jié)構(gòu)的完全連接，形成整體式微模具 。

最后，運(yùn)用超聲模壓粉末成型方法（Micro－UPM）就可獲得三維微結(jié)構(gòu)零件 。

微注塑成形是熱塑性塑料成形的一種重要工藝方法，與目前在微機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硅基材料微小構(gòu)件成形工藝相比，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短、工藝簡(jiǎn)單、成形質(zhì)量高、便于實(shí)現(xiàn)批量和自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。微模具作為微塑件的重要工藝裝備，其制造水平直接影響著微塑件的成形質(zhì)量 。

微模具的制造依賴于微細(xì)加工技術(shù)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro－Electronic－MechanicalSystem，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，微制件的需求日益增加，微細(xì)加工技術(shù)也日新月異，從傳統(tǒng)微細(xì)切削加工到微細(xì)特種加工，如電化學(xué)、電火花、激光、超聲波、離子束等，再到UV－LIGA技術(shù)和深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)（DRIE）。這些特種技術(shù)中，微細(xì)光加工技術(shù)在微模具制造中的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)，而UV－LIGA技術(shù)最有代表性和應(yīng)用前景。UV－LIGA技術(shù)主要由曝光、顯影、電鑄和去膠組成，其特定的曝光方式使得該技術(shù)通常情況下只能制作含有直壁特征的2．5D微結(jié)構(gòu)，而不易制作含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的微結(jié)構(gòu) 。

為獲得三維微結(jié)構(gòu)，大連理工大學(xué)的杜立群等提出基于UV－LIGA技術(shù)的新工藝制備三維微結(jié)構(gòu)，并研究了UV－LIGA技術(shù)在制作細(xì)胞培養(yǎng)器微注塑模具型腔中的應(yīng)用。Pfeiffer等人利用飛秒激光分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質(zhì)合金和不銹鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結(jié)構(gòu)。江蘇大學(xué)張朝陽(yáng)等構(gòu)建了納秒脈沖激光電化學(xué)加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線寬在140μm左右、深度較大的微細(xì)刻蝕加工，獲得了較好的加工質(zhì)量和成形精度。Li等以微超聲加工和微細(xì)電火花加工為基礎(chǔ)制備了球形微結(jié)構(gòu)。Park和Chu等提出了線切割和電解拋光相結(jié)合的方法，制備了表面質(zhì)量較好的透鏡樣式模具。為了提高微結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量和加工精度，Nguyen等提出通過微細(xì)電火花加工結(jié)合微細(xì)電解加工來制備微結(jié)構(gòu)。大連理工大學(xué)的宋滿倉(cāng)等研究了利用常規(guī)電火花線切割技術(shù)加工薄鎳板微小結(jié)構(gòu)的方法，該技術(shù)可為電火花線切割加工其他材料的薄板微小零件提供支持與參考。清華大學(xué)佟浩、李勇等以放電間隙伺服控制實(shí)時(shí)補(bǔ)償電極損耗技術(shù)為基礎(chǔ)，提出三維微細(xì)電火花伺服掃描加工方法，制備出了各種復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。但是微細(xì)電火花加工所用的微細(xì)電極制作困難，加工后模具的表面粗糙度難以達(dá)到要求，需要進(jìn)行后續(xù)研拋加工，從而降低了生產(chǎn)效率，并且由于在電火花加工的過程中始終存在微細(xì)電極損耗，因此該技術(shù)難以獲得大深寬比的微結(jié)構(gòu) 。

近年來，為了制備三維微模具，徐斌等人提出了微型雙工位疊層成形方法（MicroDouble－stagedLaminatedObjectManufacturing，Micro－DLOM）。Micro－DLOM以分層實(shí)體制造工藝（LOM）為基礎(chǔ)，通過多層二維微結(jié)構(gòu)的疊加擬合來獲得三維微模具。凌世全等人采用飛秒激光切割結(jié)合微細(xì)電阻滑焊制備了2階、3階級(jí)聯(lián)齒輪微型腔模具，，并通過銅箔對(duì)上述齒輪腔進(jìn)行脹形復(fù)制得到了微成形件，從而驗(yàn)證了該工藝方法的可行性。但限于飛秒激光的功率，切割的單層不銹鋼箔厚度不能超過20μm，所以疊層成形的微模具深度受到一定的限制 。

1.銅箔的電火花線切割

三維微模具是由多層二維微結(jié)構(gòu)疊加焊接而成，因此每層二維微結(jié)構(gòu)的切割質(zhì)量對(duì)三維微模具的表面質(zhì)量和尺寸精度具有重要影響。電火花線切割加工是一個(gè)多參數(shù)輸入、輸出的復(fù)雜過程，影響其加工指標(biāo)的因素有很多。為了獲得較佳的線切割工藝參數(shù)，本文通過單因素實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究線切割放電電壓Ve、放電電流Ie以及脈沖寬度Ton對(duì)線切割切縫寬度及切縫表面粗糙度的影響規(guī)律 。

線切割放電電壓對(duì)切割質(zhì)量的影響

為了獲取合適的線切割放電電壓Ve，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的放電電壓Ve對(duì)銅箔進(jìn)行切割。實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)為：脈沖寬度10μs，脈沖間隔40μs，線切割電流0．28A；電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。當(dāng)Ve=60V時(shí)，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量較好，隨著放電電壓Ve的增加，銅箔的線切割邊緣出現(xiàn)不太明顯的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的切割邊緣逐漸變粗糙。為了考察放電電壓對(duì)二維微結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，本文使用大景深顯微鏡測(cè)量線切割的切縫尺寸。測(cè)量結(jié)果顯示：隨著電壓的逐漸升高，切縫尺寸由60V時(shí)的201μm逐漸增加至90V時(shí)的210μm。放電電壓Ve會(huì)影響銅箔的切割邊緣質(zhì)量和二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度。當(dāng)放電電壓逐漸增加時(shí)，會(huì)引起電極絲與工件之間平均放電能量的增加，進(jìn)而增大放電間隙，銅箔材料的蝕除量逐漸加大，因此銅箔的線切割邊緣質(zhì)量逐漸變差，銅箔的切縫尺寸逐漸增加。因此，綜合考慮三維微模具單層微結(jié)構(gòu)的邊緣質(zhì)量和尺寸精度，選用的放電電壓Ve為60V 。

線切割電流對(duì)切割質(zhì)量的影響

線切割電流是指在脈沖電源的作用下，電極絲切割銅箔時(shí)所施加的電流。為了獲取合適的線切割電流，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的電流切割銅箔。根據(jù)線切割機(jī)的參數(shù)可調(diào)范圍確定實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)為：線切割電流1#～6#（0．28A～1．68A），電壓60V，放電脈寬10μs，脈沖間隔40μs 。

當(dāng)電流為1#（0．28A）時(shí)，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量較好；隨著線切割電流的逐漸增大，銅箔的線切割邊緣出現(xiàn)鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量逐漸變差。為了考察線切割電流對(duì)二維微結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，使用大景深顯微鏡測(cè)量銅箔的切縫尺寸。由測(cè)量結(jié)果可知，隨著線切割電流的逐漸增加，切縫尺寸由0．28A時(shí)的201μm逐漸增加至1．68A時(shí)的212μm 。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線切割電流不僅對(duì)銅箔切割邊緣的切割質(zhì)量有較大影響，也對(duì)二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度產(chǎn)生了一定的影響。線切割電流的增大會(huì)增大平均放電能量，同時(shí)放電能量的增加也增大了單脈沖材料的去除量，使單脈沖電蝕坑變深、變大，而線切割加工表面由大量電蝕坑組成，因此加工表面粗糙度會(huì)大幅增加。在線切割電流較大時(shí)，銅箔的線切割邊緣易出現(xiàn)鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的切縫尺寸也稍變大。因此，綜合考慮三維微模具單層微結(jié)構(gòu)的邊緣質(zhì)量和尺寸精度，選用的線切割電流為1#（0．28A） 。

脈沖寬度對(duì)切割質(zhì)量的影響

為了獲取合適的線切割脈沖寬度Ton，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的脈沖寬度Ton對(duì)銅箔進(jìn)行切割。實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)為：脈沖寬度10～60μs，線切割電壓80V，電流0．42A，脈沖間隔40μs。Ton對(duì)切割質(zhì)量的影響與Ve和Ie相同，因此本文選擇Ton=10μs 。

3.三維微模具的真空熱擴(kuò)散焊

通過上述工藝獲得的多層銅箔二維微結(jié)構(gòu)組成了初步疊層的三維微模具。但其各層二維結(jié)構(gòu)之間并未真正連接，因此需要將初步疊層的三維微模具進(jìn)行真空壓力熱擴(kuò)散焊，從而完成各層二維結(jié)構(gòu)的真正連接，形成一個(gè)整體式模具。各層二維微結(jié)構(gòu)之間的焊接質(zhì)量會(huì)對(duì)三維微模具整體的機(jī)械性能產(chǎn)生重要影響 。

真空壓力熱擴(kuò)散焊是指在真空條件以及一定的壓力和溫度作用下，通過原子擴(kuò)散使焊接件相互聯(lián)接的焊接方法。真空熱擴(kuò)散焊的溫度一般設(shè)為材料熔點(diǎn)的0．5～0．8倍，因銅的熔點(diǎn)為1083℃，所以其熱擴(kuò)散溫度為542～867℃。在真空壓力熱擴(kuò)散焊中，熱擴(kuò)散時(shí)間以及熱擴(kuò)散壓力對(duì)三維微模具焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

為了獲得合適的熱擴(kuò)散時(shí)間，依次在不同的熱擴(kuò)散時(shí)間下對(duì)三維微模具進(jìn)行了熱擴(kuò)散焊接。實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)如下：熱擴(kuò)散時(shí)間t為2～10h，熱擴(kuò)散溫度為850℃，壓力為1．0μPa。熱擴(kuò)散后的試樣經(jīng)過打磨拋光后，使用硝酸鐵酒精溶液進(jìn)行腐蝕，然后觀測(cè)試樣連接處的形貌。當(dāng)熱擴(kuò)散時(shí)間t為2h時(shí)，銅箔之間的縫隙較明顯；隨著熱擴(kuò)散時(shí)間t增加到10h，銅箔之間的縫隙逐漸減小，直至消失。為了獲得合適的熱擴(kuò)散壓力，依次使用不同的熱擴(kuò)散壓力對(duì)10層銅箔（每層厚為100μm）的三維疊層微模具進(jìn)行熱擴(kuò)散焊接。實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)如下：熱擴(kuò)散壓力F為0．5～1．0μPa，熱擴(kuò)散溫度為850℃，熱擴(kuò)散時(shí)間t為10h 。

熱擴(kuò)散后的試樣經(jīng)過打磨拋光后，使用硝酸鐵酒精溶液進(jìn)行腐蝕，觀測(cè)試樣連接處的形貌。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)熱擴(kuò)散壓力為0．5μPa時(shí)，銅箔之間的縫隙較明顯；隨著熱擴(kuò)散壓力的增加，銅箔之間的縫隙逐漸減小，直至消失 。

三維微模具的尺寸精度主要包括每層二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度和三維微模具在厚度方向上的尺寸精度。每層二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度主要由線切割保證，而三維微模具在厚度方向上的尺寸精度則主要由真空熱擴(kuò)散保證。為了考察熱擴(kuò)散時(shí)間對(duì)三維微模具在厚度方向上精度的影響，使用大景深顯微鏡測(cè)量了圖6所示試樣的厚度。由測(cè)量結(jié)果可知，隨著熱擴(kuò)散時(shí)間的逐漸增加，試樣在厚度方向上的尺寸由2h時(shí)的209．7μm逐漸減低至10h時(shí)的199．6μm，越來越接近理想尺寸。當(dāng)熱擴(kuò)散時(shí)間較短時(shí)，各層銅箔在接觸面上的原子擴(kuò)散不夠充分，此時(shí)銅箔之間存在縫隙，三維微模具在厚度方向上的尺寸精度較差；隨著熱擴(kuò)散時(shí)間的增加，各層銅箔在接觸面上的原子擴(kuò)散越來越充分，銅箔之間的縫隙逐漸消失，直至近似消失，此時(shí)三維微模具在厚度方向上的尺寸精度較好 。

3.微型級(jí)聯(lián)齒輪模具的制備

為了驗(yàn)證該工藝的可行性，分別設(shè)計(jì)了六棱臺(tái)、二階級(jí)聯(lián)齒輪以及三階級(jí)聯(lián)齒輪微型腔模具。其中，六棱臺(tái)正六邊形外接圓的直徑分別為2．5，3，3．5，4mm；齒輪的第一級(jí)齒輪分度圓直徑為3mm，第二級(jí)齒輪分度圓直徑為5mm；三級(jí)階梯齒輪的第一級(jí)齒輪分度圓直徑為3mm，第二級(jí)齒輪分度圓直徑為4mm；第三級(jí)齒輪分度圓直徑為5mm。上述兩種齒輪的齒數(shù)均為6，每一級(jí)齒輪的高度均為0．5mm。根據(jù)上述三維微模具幾何形狀與尺寸構(gòu)建微模具設(shè)計(jì)模型，使用CAD切片軟件將微模具設(shè)計(jì)模型進(jìn)行離散切片從而獲得疊層微模具模型，并得到每層銅箔的二維微結(jié)構(gòu)以及層厚等數(shù)據(jù) 。

以100μm的銅箔為原材料，使用線切割對(duì)銅箔進(jìn)行切割從而獲得各層的二維微結(jié)構(gòu)。線切割的工藝參數(shù)如下：線切割電流為0．28A，電壓為60V，放電脈寬為10μs，脈寬間隔為40μs，電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。通過真空熱擴(kuò)散對(duì)上述各層二維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接從而獲得三維微模具。使用大景深顯微鏡觀測(cè)三維微模具。從觀測(cè)結(jié)果可知，三維微模具表面形貌較好，制作結(jié)果較理想，與設(shè)計(jì)模型基本相符 。

為了驗(yàn)證上述模具的使用性能，采 用 超聲模壓粉 末 成 型 方 法（ Mic ro －UPM） 制 備 微 成 形塑件。主要工藝參數(shù)包括超聲波功率、 超聲波作用時(shí)間以及超聲波壓強(qiáng)。超聲波功率是指實(shí)驗(yàn)中所施加的超聲波能量， 超聲波作用時(shí)間是實(shí)驗(yàn)中保持施加超聲波的時(shí)間， 超聲波壓強(qiáng)則是實(shí)驗(yàn)中超聲波焊接 頭 的 壓 強(qiáng)。使 用 PP 塑 料 粉 末，在2475 W、 2s以及0．1 MPa的超聲波作用下，制備了 PP微型二階級(jí)聯(lián)齒輪塑件； 使用 EVA 塑料粉末，在24 75 W、0．6s以及0．1MPa的超聲波作用下， 制備了 EVA 微型三階級(jí)聯(lián)齒輪塑件。PP 和 EVA 微型級(jí)聯(lián)齒輪塑件的表面質(zhì)量良好， 與對(duì)應(yīng)的微型腔一致， 從而進(jìn)一步驗(yàn)證了基于線切割與熱擴(kuò)散焊的三維微模具疊層制備工藝的可行性 。

熱擴(kuò)散率是指在一定的熱量得失情況下，物體溫度變化快慢的一個(gè)物理量，它的大小與物體的熱導(dǎo)率λ成正比與物體的熱容量Cv成反比，單位是m2/s.可用下式表示：

式中，K為熱擴(kuò)散率；γ為熱導(dǎo)率；Cv為容積熱容量。

物體的熱擴(kuò)散率越大，表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面的擴(kuò)散的能力越強(qiáng)，溫度變化所及深度越深，各深度的溫度差消除越快，物體的熱擴(kuò)散率越小，則反之。

α=λ/ρc

α稱為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)（thermal diffusivity），單位為m²/s。

式中：

λ：導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·K)；

ρ：密度，單位Kg/m³；

c：比熱容，單位J/(Kg·K)。

主要用于同質(zhì)及異質(zhì)難焊材料的連接，可以實(shí)現(xiàn)真空釬焊和真空擴(kuò)散焊兩種主要功能。 2100433B