微型模具及微成形技术的发展

"U ! 微型金刚石模具的制造 P I # !5 Q
基于简单制造的观点，微成形主要使用硅模具和镍模具， 但采用这两种模具也存在一些问题，如模具寿命低、润滑性差 等。而利用热丝法化学气相沉积制造的金刚石模具具有比前两 者更好的性能。采用钨丝作为热丝，基底材料为经过深反应离 子蚀刻得到所需形状的纯硅，涂覆含 5U JY 金刚石纳米晶粒的 丙酮溶液。用于微成形的金刚石模具要求沉积的金刚石薄膜有 足够的厚度、 质量和连续性。多次实验得出的结果表明， 在甲烷 浓度为 !Y 的气体中经过 "5 小时以上的沉积，能得到高强度、 高质量的金刚石薄膜， 最后用 Z=< 蚀刻去除硅基片就得到了金 刚石微型模 具。该模具 的表面粗糙 度仅为 !5*T 左 右，并在 如图 ! 、 X%%7 的微成形中表现出了良好的润滑性能， " 所示。
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>V 光刻工艺蚀刻到厚光阻材料上； W G 把模具材料用电镀工艺 镀到生成的图案中。这和 SAN7 工艺有类似之处， 但是它使用紫 外光源代替 8 射线进行曝光，这样只要使用标准的汞灯就能达 到效果，同时也只要采用简单的玻璃掩膜或铬掩膜就可以了。 这显然比现有的技术都具有经济性。如何加工出足够厚度、稳 定性的高精度光阻模型是 6. # >V 微成型技术的要继续研究的 方向 P O Q 。 除上述主要的面向微细制造的技术外，还有微浮雕、快速 （RX%） 等技术。但是这些加工技术现阶段都主要用于 原型制造 单件小批量生产的工艺研究，无法满足微型零件大批量、高效 率、 低成本、 无污染的制造要求。于是研究人员又把目光投向了 微型模具的研究，并应用上述技术制造出了一些微型模具，取 得了一定成果。
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图 0 双面蚀刻的微齿轮模具的 67’ 照片 ) !! +
图 $ -1$$(2"$34"5 超塑性微齿轮的 67’ 照片 ) !! +
0 微成形的主要研究问题和关键技术
经过各国学者数十年的研究和实验，微成形技术已得到一 定的发展，取得了一些瞩目的成果。但要把该技术应用到实际 工业生产中， 还有一系列问题和技术需要得到解决。 （! ） 微成形材料 在微尺寸下，材料的各种性质发生了变 化，不能再用宏观下的理论模型来解释微成形过程中材料的变 化。因此， 需要通过实验来研究微成形过程中材料晶粒、 表面晶 粒与内部晶粒尺寸， 以及材料各向异性等性质的影响， 建立微成 形中的理论模型。 （" ） 微模具的制造 虽然目前已经成功研制出了一些微模
首先， 在微成形中， 除了需要考虑如传统成形工艺中的工模 具设计、 工件磨损和材料的适应性等问题外， 本身还存在着一个 关键问题—— — 零件尺寸的微型化。这种尺寸的微型化会对材料 的流动应力、 各向异性、 延展性和成形极限产生影响， 即所谓的 尺度效应。我们可以通过相似性原理来检验尺度效应的存在： 在试验中， 保证应力、 应变状态以及它们的比率为常数。所有的 固定时间比例为 ! ， 工 试样和工具尺寸都乘上一个比例系数 !， 如果应力应变状态与理论上 具速度和压力分别按 ! 和 !" 变化。 不一致， 这个偏差就是尺度效应的影响 ) !9 + 。 其次， 在成形工艺中 : 通常用流动应力参数和变形曲线来描 随着 述材料的变形行为。对 ;<=>!$ 进行拉伸和镦粗实验发现， 微型化程度的增加， 流动应力减小了， 而试样的晶粒尺寸保持常 数没变， 这说明变形曲线完全是由微型化引起的， 与晶粒结构无 关 ) !9 # !* + 。 再次，在拉伸实验中还发现了另一个现象—— — 板料垂直方 向上的平均各向异性随着微型化减小了。这说明板料的成形性 能也随着微型化变差了。这将会导致板料厚度变薄，成形极限 降低， 甚至连断裂前的细颈形变也会缩短 ) !9: !? + 。 最后， 微成形过程中的摩擦和润滑条件也发生了变化， 宏观 摩擦学中有关摩擦的理论已不再适用。同时: 由于微小尺度下 表面积和体积之比增大 : 摩擦力对成形的影响明显增大。因此 润滑也成为微成形工艺中一个十分重要的因素。可以运用开口 或封闭润滑包理论来解释微成形中的摩擦行为 ) !? # !@ + 。开口 或封闭润滑包理论也称作动态或静态润滑包理论。当成形载荷 加到涂润滑油的试样表面上时，试样和工具表面的凸起部分产 生塑性变形， 把润滑油包裹在里面， 形成封闭润滑包。边界部分 则不能形成封闭的小腔体， 称为开口润滑包。当压力增加时， 封 闭润滑包里的润滑油的压强增大，能很好的支持和传递成形载 荷， 从而使摩擦减小了。而边界部分的润滑油都流失了， 导致了 摩擦和成形力的增大。
【摘要】 这里阐述了微型模具及微成形技术的基本概念和研究现状， 介绍了微型模具制造的原理和 技术以及微成形技术的特点， 最后提出了该技术领域需要解决的一些关键技术问题和发展趋势。 关键词：微型模具；微成形；%K%L；金刚石模具；尺度效应 【!"#$%&’$】 !"#$ %&%’( )#*’$ & $+,,&(#-&.#/0 /1 ,#2(/ 3 ,/45 &05 ,#2(/1/(,#0) .’2"0/4/)6 &05 ."’#( %(’$’0. $#.+&.#/07 ."’ %(#02#%4’ &05 2"&(&2.’( /1 ,#2(/1/(,#0)7 &05 $/,’ 8’6 %(/94’,$ #0 5’’% 5’*’4/%,’0.: ()* +,%-#. /0’%, 1 2,3-4 /0’%,5,%20674 /8/94 :0&2,6- -0)#4 90;) )55)’$# 中图分类号：MNIO 文献标识码：7
" 微型模具的制造
零件微型化使车、 铣、 磨等传统加工方法失去了用武之地， 于是科研学者们把目光转向了微细制造技术的研究，并先后出 现了一系列面向微细制造的现代高科技制造技术。 （! ） （.RAK） 深反应离子蚀刻技术 。深反应离子蚀刻技术的 原理是让材料吸收一定量的反应气体，通过离子束的轰击使被 吸收的气体分解并与材料进行反应，生成所需微型图案。控制 材料吸收气体的深度和离子束能量的高低，得到较高的蚀刻速 度、良好的表面质量和大深宽比是深反应离子蚀刻技术走向工 业化应用的关键 P 6 Q 。 （" ） 由光阻材料形成抗 SAN7 技术 SAN7 工艺流程主要是： 蚀层，经过来自同步加速器（LR）的软 8 射线曝光（需用光掩 膜） ，形成三维结构，再用电铸等工艺翻成所造模具，最后去除 （比率大于 !5 ） 并有一 抗蚀层。通过 SAN7 工艺能制造大深宽比 （一般大于 "55 T） 定厚度 的微型器件， 而且加工精度在正负 5U $ 但它只适用于加工一 T 以内。可见 SAN7 技术的加工精度很高， 些直柱形的零件，对于复杂模具结构的加工还有待进一步的研 究PJ # $Q。 （6 ）6. # >V 微成形技术 相对现有的微细加工技术而言， 最经济， 也是最有潜力被实际运 6. # >V 微成形技术是最简单、 用到工厂加工中的技术。该技术主要分为两步： 把图形通过 &）
# 来稿日期： "55$ # 5J # 5H # 江苏大学高级人才启动基金
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