[发明专利]基于激光辅助加热的微器件弯曲成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及尺寸处于微米级器件的制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于激光辅助加热的微器件弯曲成形方法及装置，其适用于微型金属器件的弯曲成形，特别适合于常规微弯曲方法难以成形或无法成形的材料微成形，适合微弯曲器件的低成本批量化生产。

背景技术

科技发展使设备不断趋于微型化，微器件在医疗生物工程、微型机器人、传感器等工业中有着广泛应用前景，特别是MEMS及航空航天等技术的进一步发展，对各种材料的微型零件需求量越来越大，同时对微器件的加工工艺、加工成本和批量等也提出了新的要求，其最终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。因此，目前基于微器件的微塑性成形技术已成为微机械领域的一个重要研究方向。

现有的面向MEMS的微机械加工技术主要依赖于LIGA、光刻、蚀刻、准分子激光、电火花、薄膜制备等微细加工技术，无法满足三维复杂形状微器件的加工，也限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，设备投资大，而且成形周期长，可重复性差，不适合批量生产。可见研究高效率低成本适合多种材料的微器件成形方法非常迫切。而塑性成形具有工艺简单、高效低成本、工件精度和强度高等优点，所以近年来微塑性成形技术有了很大发展。在微器件的塑性成形领域，微弯曲成形非常适合加工复杂形状以及不易加工材料的微器件，也满足批量生产的要求。但是微弯曲器件的成形不仅受到尺寸效应的影响使得宏观的成形理论已经不再适用，而且加工过程中的夹持和定位也有相当难度，微弯曲成形的工艺和方法至今仍然是国内外研究的热点。

在微尺度下(至少在两个方向上尺寸处于亚毫米量级)材料的一些力学特征表现出与传统尺度下不同的特点，某些在常规加工中与尺度无关的力学量在微尺度下却不再是与尺度无关的，而是表现出对尺寸的依赖性，这就是所谓尺度效应。微弯曲中无法避免的尺度效应使得弯曲成形困难，传统的成形理论无法继续使用，特别是在塑性加工领域提出了新的要求。

近年来国内外在微塑性成形方法和微成形系统上进行了一些研究。如日本Gunma大学学者Yasunoir Saotome(Journal of Materials Processing Technology.2001，113：636-640)设计和制造了一种三维渐进微成形系统，采用无模具技术，以箔为材料成功成形了一个长600微米的微型汽车覆盖件，Hee-Won Jeong等人(Journal of Micro Electro Mechanical Systems.2003，VOL.12，NO.1)提出了一种激光加热微成形系统，利用纯激光对一种玻璃合金材料局部加热的方法实现了对微悬臂梁的扭转，上海交通大学的蒋振新等(电子工艺技术，2003，5)提出了一种借助二次熔胶工艺实现微弯曲面成型的新工艺制作了微弯曲镍梁。经检索国内外在微塑性成形及微弯曲成形方面的专利技术为数不多，特别是专门针对塑性成形领域的微弯曲成形技术几乎没有。在微塑性成形领域，美国的Rajiv S.Mishra学者采用摩擦生热的方法将被加工材料加热到超塑性温度范围，同时完成微塑性成形，专利号为US6655575，日本学者Tsuyoshi Masumoto应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形，专利号为US5324368。中国专利03132554.8报道了利用电热棒加热模具的方法从而间接加热工件后进行微塑性成形，中国专利200510010099.4报道了采用电加热圈加热的方式的微型模具加工出微型双齿轮。

目前报道的关于微弯曲研究大多集中在利用材料的温度梯度效应、电化学方法以及超塑性微弯曲方面，但存在以下问题：

1.纯粹利用材料的温度梯度效应实现微弯曲，可控制性差，只能成形简单形状的微型件，而且成形工件的精度不高。

2.由于尺寸效应的影响，冷成形工艺在微塑性成形领域受到限制，材料种类、晶粒尺寸等方面的影响使得微成形的变形过程中材料流动不均匀。

3.超塑性微成形对微器件的材料有着特殊的要求，需要材料具有超塑性的能力，应用范围较小。

4.目前微塑性成形系统中的加热大多采用间接加热或者接触加热的方式，如加热模具从而使工件达到所需温度，不仅使得模具结构复杂，且温度不易控制，加热时间较长，效率低。

5.采用电化学的方法只能成形结构相对简单的微器件，成形周期长，成本高，不适合批量化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光辅助加热的微器件弯曲成形方法及装置，能克服以上缺点。