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Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).
引用:

Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).

用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述


doi: 10.1088/2631-7990/ac1159
详细信息
  • 刊出日期: 2021-07-19
  • 综述 ● 开放获取阅读更多

    1. 文章导读

    微纳结构器件在微光学和光学工程、摩擦学和表面工程、生物和生物医学工程等领域发挥着重要作用。精密玻璃成形(PGM)技术是制造微纳结构玻璃器件的最有效方法,其前提是具有与玻璃器件微纳结构形状互补的微纳模具的制造。研究人员已经开发了许多用于制造极小尺寸和高质量的微纳结构的模具制造方法,以满足微纳结构玻璃器件在各种应用中的功能要求。此外,由于模具服役性能会极大地影响玻璃模压的精度及生产成本,提升微纳模具服役性能也是模具制造研究的重点。近期,北京理工大学先进加工研究所的周天丰教授、博士生贺裕鹏、硕士生王添星等在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述》,作者全面地总结了用于模具制造的模具材料的极端要求、非机械和机械法制造微纳米结构的技术原理、适应材料、技术特征及应用范围。此外,作者对镍化磷(Ni-P)微纳结构模具服役性能进行了进一步讨论。最后,作者对于未来微纳结构模具的特征及制造技术做了进一步地展望。

    2. 研究背景

    由于在疏水性、减摩、光学反射和衍射等方面具有重要功能,微纳结构被广泛应用于光学成像和传感、生物医学等领域。常用的微纳阵列包括透镜阵列、柱状阵列、凹槽阵列和金字塔阵列,如图1所示。微纳结构玻璃器件具有小型化、集成化、轻量化等优势,被广泛用于微系统,这些微系统的规模缩小和性能提升很大程度上取决于微纳结构玻璃器件的质量,这需要克服制造具有极小尺寸和高质量特征的微纳结构的挑战。微纳结构玻璃器件的超精密制造技术具有广阔的应用前景和小规模、高质量的极端特点,已成为许多国家的发展战略方向。

    图1 典型的微纳结构:(a) 微透镜阵列、(b) 沟槽、(c) 柱面镜阵列、(d) 金字塔阵列。

    微纳结构是通过某些方法在表面上生成的一系列微纳米尺度的几何单元。目前各种各样的微纳结构制造技术旨在提高在尺寸、精度、一致性和效率方面的极端制造能力。玻璃模压成形技术是在高温下施加适当的压力,将模具表面的微纳结构阵列复制到玻璃上,被认为是在玻璃表面制造微纳结构的最佳技术。在成形过程中,玻璃通过加热软化,然后通过退火固化。玻璃成形具有成形精度高、效率高、一致性好、加工成本低等优点,适合微纳结构阵列的批量生产。由于微纳结构完全从模具表面复制而来,因此在模具上精确制造具有小尺寸、高质量等极端特征的微纳米结构是玻璃模压成形技术的前提。最近,机械和非机械方法在微纳结构加工方面得到迅速发展,不断地突破极小尺寸、极高质量微纳结构制造的极限。

    图2 (a)模压成形装备PFLF7-60A照片及 (b) 模压成形过程示意图。

    3. 最新进展

    微纳结构模具制造技术的最新进展主要包含:新型模具材料开发、非机械制造方法、机械制造方法、模具服役性能。在每个部分中,作者依次讨论了其技术原理、分类和最新进展。除此之外特别讨论了各种技术加工的典型微纳结构以及制造能力和范围。

    模具材料

    为抑制高温变形引起的成形误差,应选择热膨胀系数小、耐高温的模具材料。用于玻璃成形的材料必须具有以下特点:(1)高温下硬度和强度高,热膨胀系数低,高温下化学性能稳定性好;(2)材料一致性好,可以加工成光学级表面要求;(3)惰性粘附和与玻璃反应。常见的模具材料主要是单晶硅、碳化硅、硬质合金等超硬难加工材料,图3展示了新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料。

    图3 (a) 新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料;(b) G-Ni-P与Ni-P的机械性能对比。

    非机械方法制造微纳结构模具

    非机械方法制造微纳结构主要是指利用化学、飞秒激光及微电火花等刻蚀技术在模具表面去除材料形成微纳单元阵列。图4展示了单点车削与离子束(IBE)刻蚀相结合制备的6H-SiC微透镜模具。图5为利用化学腐蚀辅助飞秒激光在硅表面制备的纳米线结构。

    图4 微切削-离子束刻蚀微透镜阵列模具。(a) 微透镜阵列;(b) IBE刻蚀后的微透镜形貌。

    图5 化学腐蚀辅助飞秒激光制备的纳米线。

    机械方法制造微纳结构模具

    非机械加工能够实现具有特定性能材料表面的微纳尺度的结构加工,但很难对微纳结构的几何形貌进行变化和控制。相反,机械加工的方法能够适应更多种类的材料,并且能够实现更高质量的微纳结构加工和形貌灵活控制。机械方法加工微纳结构主要有:慢刀伺服(STS)、快刀伺服(FTS)、微纳铣削、飞切加工、微磨削和超精密研磨技术。图6展示了一种将超声振动、进给运动和旋转运动相结合的旋转超声振动(RUT)加工技术以及制造的微纳结构。图7展示了轴向进给飞切加工微纳沟槽原理图以及低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。图8为3D曲面上微透镜阵列的研磨过程。

    图6 (a) 旋转超声加工技术及 (b) 在表面生成的微纳结构。

    图7 (a) 轴向进给飞切加工(ARFC)微纳沟槽与 (b) 低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。

    图8 3D微透镜阵列研磨过程。(a) 将研磨球粘在支架上的孔中并滚动以研磨弯曲基板上的微腔;(b) 在曲面上产生一个微透镜。

    微纳模具服役性能

    玻璃模压成形过程中的温度通常在500 ℃以上,因此高温下模具材料的变化将会影响微纳模具的精度,进而影响模压成形的玻璃元器件的形貌精度与表面质量。为了改善因非晶态磷化镍模具在模压过程中发生的晶态转变导致的成形精度低与模具寿命短的缺点,将非晶态磷化镍材料预先转变为晶态材料后再在其表面加工微纳结构。图9展示了非晶态磷化镍和晶态磷化镍微纳结构模具在模压后的表面。

    图9 (a) 非晶态磷化镍与 (b) 晶态磷化镍微纳结构模具模压后的表面形貌。

    4. 未来展望

    未来,针对具有极小尺寸和高质量的极端特性微纳结构的制造仍将是研究的重点。此外,对微纳器件性能的更高要求使得大面积加工成为微纳结构模具的另一个极端特征,这将激发高效率和低成本制造。同时,由于模具材料的更新换代,研究最合适的加工方法和工艺将一直是微纳模具制造的热点。此外,将蚀刻等非机械方法与微纳切削相结合的复合技术将受到更多关注。


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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述

doi: 10.1088/2631-7990/ac1159
    作者简介:

    周天丰,北京理工大学机械与车辆学院教授,国家海外高层次引进人才“青年千人计划”入选者。主要从事精密/超精密切削、模压成形、放电加工等机械加工工艺研究及其装备开发,主要包括模具材料开发,微纳模具制造,玻璃非球面/自由曲面透镜加工,微纳结构加工,微透镜阵列加工等。

摘要: 

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

微纳结构器件在微光学和光学工程、摩擦学和表面工程、生物和生物医学工程等领域发挥着重要作用。精密玻璃成形(PGM)技术是制造微纳结构玻璃器件的最有效方法,其前提是具有与玻璃器件微纳结构形状互补的微纳模具的制造。研究人员已经开发了许多用于制造极小尺寸和高质量的微纳结构的模具制造方法,以满足微纳结构玻璃器件在各种应用中的功能要求。此外,由于模具服役性能会极大地影响玻璃模压的精度及生产成本,提升微纳模具服役性能也是模具制造研究的重点。近期,北京理工大学先进加工研究所的周天丰教授、博士生贺裕鹏、硕士生王添星等在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述》,作者全面地总结了用于模具制造的模具材料的极端要求、非机械和机械法制造微纳米结构的技术原理、适应材料、技术特征及应用范围。此外,作者对镍化磷(Ni-P)微纳结构模具服役性能进行了进一步讨论。最后,作者对于未来微纳结构模具的特征及制造技术做了进一步地展望。

2. 研究背景

由于在疏水性、减摩、光学反射和衍射等方面具有重要功能,微纳结构被广泛应用于光学成像和传感、生物医学等领域。常用的微纳阵列包括透镜阵列、柱状阵列、凹槽阵列和金字塔阵列,如图1所示。微纳结构玻璃器件具有小型化、集成化、轻量化等优势,被广泛用于微系统,这些微系统的规模缩小和性能提升很大程度上取决于微纳结构玻璃器件的质量,这需要克服制造具有极小尺寸和高质量特征的微纳结构的挑战。微纳结构玻璃器件的超精密制造技术具有广阔的应用前景和小规模、高质量的极端特点,已成为许多国家的发展战略方向。

图1 典型的微纳结构:(a) 微透镜阵列、(b) 沟槽、(c) 柱面镜阵列、(d) 金字塔阵列。

微纳结构是通过某些方法在表面上生成的一系列微纳米尺度的几何单元。目前各种各样的微纳结构制造技术旨在提高在尺寸、精度、一致性和效率方面的极端制造能力。玻璃模压成形技术是在高温下施加适当的压力,将模具表面的微纳结构阵列复制到玻璃上,被认为是在玻璃表面制造微纳结构的最佳技术。在成形过程中,玻璃通过加热软化,然后通过退火固化。玻璃成形具有成形精度高、效率高、一致性好、加工成本低等优点,适合微纳结构阵列的批量生产。由于微纳结构完全从模具表面复制而来,因此在模具上精确制造具有小尺寸、高质量等极端特征的微纳米结构是玻璃模压成形技术的前提。最近,机械和非机械方法在微纳结构加工方面得到迅速发展,不断地突破极小尺寸、极高质量微纳结构制造的极限。

图2 (a)模压成形装备PFLF7-60A照片及 (b) 模压成形过程示意图。

3. 最新进展

微纳结构模具制造技术的最新进展主要包含:新型模具材料开发、非机械制造方法、机械制造方法、模具服役性能。在每个部分中,作者依次讨论了其技术原理、分类和最新进展。除此之外特别讨论了各种技术加工的典型微纳结构以及制造能力和范围。

模具材料

为抑制高温变形引起的成形误差,应选择热膨胀系数小、耐高温的模具材料。用于玻璃成形的材料必须具有以下特点:(1)高温下硬度和强度高,热膨胀系数低,高温下化学性能稳定性好;(2)材料一致性好,可以加工成光学级表面要求;(3)惰性粘附和与玻璃反应。常见的模具材料主要是单晶硅、碳化硅、硬质合金等超硬难加工材料,图3展示了新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料。

图3 (a) 新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料;(b) G-Ni-P与Ni-P的机械性能对比。

非机械方法制造微纳结构模具

非机械方法制造微纳结构主要是指利用化学、飞秒激光及微电火花等刻蚀技术在模具表面去除材料形成微纳单元阵列。图4展示了单点车削与离子束(IBE)刻蚀相结合制备的6H-SiC微透镜模具。图5为利用化学腐蚀辅助飞秒激光在硅表面制备的纳米线结构。

图4 微切削-离子束刻蚀微透镜阵列模具。(a) 微透镜阵列;(b) IBE刻蚀后的微透镜形貌。

图5 化学腐蚀辅助飞秒激光制备的纳米线。

机械方法制造微纳结构模具

非机械加工能够实现具有特定性能材料表面的微纳尺度的结构加工,但很难对微纳结构的几何形貌进行变化和控制。相反,机械加工的方法能够适应更多种类的材料,并且能够实现更高质量的微纳结构加工和形貌灵活控制。机械方法加工微纳结构主要有:慢刀伺服(STS)、快刀伺服(FTS)、微纳铣削、飞切加工、微磨削和超精密研磨技术。图6展示了一种将超声振动、进给运动和旋转运动相结合的旋转超声振动(RUT)加工技术以及制造的微纳结构。图7展示了轴向进给飞切加工微纳沟槽原理图以及低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。图8为3D曲面上微透镜阵列的研磨过程。

图6 (a) 旋转超声加工技术及 (b) 在表面生成的微纳结构。

图7 (a) 轴向进给飞切加工(ARFC)微纳沟槽与 (b) 低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。

图8 3D微透镜阵列研磨过程。(a) 将研磨球粘在支架上的孔中并滚动以研磨弯曲基板上的微腔;(b) 在曲面上产生一个微透镜。

微纳模具服役性能

玻璃模压成形过程中的温度通常在500 ℃以上,因此高温下模具材料的变化将会影响微纳模具的精度,进而影响模压成形的玻璃元器件的形貌精度与表面质量。为了改善因非晶态磷化镍模具在模压过程中发生的晶态转变导致的成形精度低与模具寿命短的缺点,将非晶态磷化镍材料预先转变为晶态材料后再在其表面加工微纳结构。图9展示了非晶态磷化镍和晶态磷化镍微纳结构模具在模压后的表面。

图9 (a) 非晶态磷化镍与 (b) 晶态磷化镍微纳结构模具模压后的表面形貌。

4. 未来展望

未来,针对具有极小尺寸和高质量的极端特性微纳结构的制造仍将是研究的重点。此外,对微纳器件性能的更高要求使得大面积加工成为微纳结构模具的另一个极端特征,这将激发高效率和低成本制造。同时,由于模具材料的更新换代,研究最合适的加工方法和工艺将一直是微纳模具制造的热点。此外,将蚀刻等非机械方法与微纳切削相结合的复合技术将受到更多关注。


English Abstract

Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).
引用本文:

Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).

Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).
Citation:

Zhou T F, He Y P, Wang T X, Zhu Z C, Xu R Z et al. A review of the techniques for the mold manufacturing of micro/nanostructures for precision glass molding. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042002(2021).

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