其他微结构加工方法

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第5章

其他微结构加工方法吴丰顺 材料学院 Email: wufengshun163@ Tel: 027-87792402

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主要内容

5.1 机械微加工 5.2 5.3 放电加工(EDM) 激光微加工

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5.1

机械微加工

机械微加工最初是由德国FZK研究中心与MBB公司合作 研制的，目的是能够用亚毫米技术生产廉价的喷嘴，该 喷嘴用于由同位素235U生产的浓缩气体UF6。 在本书中强调的微加工技术是由FZK研究中心研制用于 生产微机械结构的新工艺，在工艺中采用成型微刀具对 表面的薄膜结构和基底进行精加工。 例如，微结构体可以采用微通道技术，用金属薄膜的堆 叠和焊接技术生产。

机械微加工的最小尺寸可以达到几个微米，金属和合金也可以像塑料和半导体材科硅一样成型。华中科技大学材料学院 吴丰顺3

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5.1.1

生产过程与主要结构

金属薄片式的微结构，基本上可以用两种精密金刚石刀具 加工。 第一种：图5.1-1是用车床加 工的示意图，金属薄片被绕在 一个安装在车床主轴上的圆盘 上，然后借助弹簧拉力拉紧， 可调整式的微刀具被安装在圆 盘下面可滑动的支撑架上，使 用CNC装臵控制支撑架和主轴 ，沿着平行于槽的方向，以微 刀 具 的 形 状 切 入 薄 片表面 。图5.1-1 使用车床实现的微加工2013-7-9

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使用图5.1-1所示的矩形金 刚石微刀具加工100 μm厚 的薄铝片，切削宽度为85 μm ,深度是70 μm ,间 距是115 μm ,剩余部分 的厚度是30 μm。照片如 图5.1-2所示。 在图中还可以看到原来的 研磨痕迹和边缘的毛刺， 如果需要进一步加工除去 毛刺，那么下一步使用平 面切削金刚石微刀具就可 以除去这些毛刺。2013-7-9

图5.1-2 在图5.1-1车床上所加工 槽的缩微照片

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图5.1-3是第二种薄片结构 在高精度铣床上加工的示 意图。金属薄片固定在高 精度真空吸盘上，真空吸 盘安装在X-Y工作台上， 金刚石微刀具安装在高速 旋转的主铀上，金刚石微 刀具的切削速度可以通过 改变主铀转速调整，通过 旋转工作台可以改变微结 构的加工方向。通过改变 金刚石微刀具的形状可以 加工矩形、三角形和半圆 形槽。2013-7-9

图5.1-3 使用高精度铣床实现 的微加工6

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图5.1-4(a)是一个矩形金刚石微刀具的缩微照片，金刚 石微刀具助切削宽度是100μm。 图5.1-4(b)所示的是楔形金刚石微型刀具.头部楔形角 为20o,切削深度为500μm。

图5.1-42013-7-9

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使用图5.1-4(b)所示的 楔形金刚石微刀具，对 平滑的黄铜表

面进行十 字交叉加工，结果形成 如图5.1-5所示的四棱 锥，在这个样品中，棱 锥的高度是250 μm ,X 方向和Y方向间距是 100 μm ,每平方厘米 排列有10000个微四棱 锥，圆锥形的毛刺总是 伴随着这个成型的过程 产生。2013-7-9

图5.1-5 微机械加工中生成的 典型微结构

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使用金属薄片结构的微结构体被用来构建并应用于各

种场合，此外，塑料成型和电镀也有大量的新应用。 无论如何，微加工对于直槽的加工也是非常有用的， 微结构也可以使用非常小的钻头和平底铣刀加工，钻 头和平底铣刀作为成型刀具通常用来加工注射成型模 和热压纹模。

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图5.1-6 微型铣刀

(a)使用硬金属材料制造的铣刀，直径大约是40 μm(b)带有50 μm宽环型槽的微结构，剩余的环宽为10 μm2013-7-9

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图7所示是可能的制造复杂成型刀具的方法。

图5.1-7 使用微机械制造技术制造的像成 型刀具一样的微结构2013-7-9

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5.1.2 应用实例1. 微型热交换器

2. 微型反应器3. 细胞培养的微型容器

4. 微型泵5. X射线强化屏

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1、微型热交换器 工作于对流模式的微型热交换器是正方体结构，由正 方形的金属薄片(也就是100 μm厚的铜或不锈钢薄片)堆 叠而成，相邻的金属薄片旋转90o,每个微型热交换器 由100个金属薄片构成。 这样构成的微型换热器大约有8000个微通道，有一半 的通道构成液体流动的导热通道，另一半通道吸收液 体的热量。 热交换器的面像鳍一样，通道的面积大约为150cm2, 容积为1cm3。 随后在真空室把这些叠在一起的薄片固定并焊接在一 起，图8是三个还没有连接液体传输管道的不同尺寸的 微型铜质热交换器。2013-7-9

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图5.1-8 铜质微型热交换器的缩微照片

最小的一个外部体积是1cm3,实际交换面积是150cm2。各 种形式交换器的内部槽的尺寸完全相同2013-7-9

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用水测试这些热交换器的性能，水源入口处的温度是 95oC,水流过交换器后，吸收热量，温度提高13oC。 在两个通道方向的流速是相同的，水流速度在 0.25L/min和1.25L/min之间变化。 图5.1-9绘制的是相对于水流速度的热交换和热交换系 数的实验数据。 在最高流速下大约可以实现20kw的热交换，在规定的 两种液体之间平均温度的差异是60K。这个结果相当于 单位体积的热交换系数为324W/(cm3· K),这个值大约 比常规热交换器高1-2个数量级。2013-7-9

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图5.1-9 传输的热量和单位流量水的热转换 系数2013-7-9

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纵向的比较，热交换器使用不同的材料(铜、不锈钢), 热交换性能也有明显的区别。

微型热交换器应用在要求有高的传送效率、体积小、质量轻的场合，例如在航空、航天、化工和其他领域。

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2、微型反应器 微型热交换器更进一步的应用就是用于微型反应器。 使用混合器添加其他的元素，混合器的设计与交叉流 动的热交换器相类似，输出的两种相互混合的液体之 间的距离在1-2mm, 图5.1-10是一个典型的用微机械制造的混合器。从图中 可以清楚地看到，输出微通道之间彼此排列的角度至 少是90o。 两种液体被混合以后，进入一个改进了的热交换器， 通过准确的温度控制，液体之间可能会发生反应，在 反应中会产生大量的反应热。 热交换器选择不同的材料，对反应会起到催化加速作 用。2013-7-9

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图5.1-10 混合器

(a)V型混合器;(b)微型混合器端面的缩微照片

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图5.1-11 微型反应器照片 下面的两个通道是输入通道，其对面的通道是输出 通道，左上角和右上角的通道是热控制通道2013-7-9

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图5.1-11是一个完整的微型反应器，包括两个介质输入

通道、混合器、反应室和反应产品输出通道。 尽管这个反应器尺寸很小，但是当以5L/min的输出流 量对密度为1g/cm3的液体进行处理时，如果连续生产 ，则每年可以生产1800t。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6s14.html