Micro－DLOM制备三维微模具以及注塑的工艺过程包括：（1）采用电火花线切割工艺对铜箔进行切割获得二维微结构；（2）通过真空压力热扩散焊连接多层二维微结构从而叠加拟合出三维微模具 。

首先，通过CAD切片软件将微模具设计模型进行离散切片从而获得叠层微模具模型。切片软件还需对叠层微模具模型进行后处理，从而获得铜箔层数、层厚及每层铜箔二维微结构轨迹等数据 。

然后将已确定的各层铜箔的一端夹紧固定。铜箔分已加工铜箔、正加工铜箔和待加工铜箔。待加工铜箔的另一端需要向上弹性弯曲并用挡块挡住，正加工铜箔的另一端通过钢块与磁铁夹具固定，并由线切割加工该层的二维微结构，已加工铜箔需要向下弹性弯曲并用挡块挡住。重复上述过程，直至完成各层二维微结构的线切割加工，从而获得初步叠层的三维微模具。然而初步叠层的三维微模具的各层二维微结构并没有真正连接，因此需其一端仍保持夹紧状态并放入真空炉中进行真空压力热扩散焊，从而完成各层铜箔二维微结构的完全连接，形成整体式微模具 。

最后，运用超声模压粉末成型方法（Micro－UPM）就可获得三维微结构零件 。

1.铜箔的电火花线切割

三维微模具是由多层二维微结构叠加焊接而成，因此每层二维微结构的切割质量对三维微模具的表面质量和尺寸精度具有重要影响。电火花线切割加工是一个多参数输入、输出的复杂过程，影响其加工指标的因素有很多。为了获得较佳的线切割工艺参数，本文通过单因素实验，重点研究线切割放电电压Ve、放电电流Ie以及脉冲宽度Ton对线切割切缝宽度及切缝表面粗糙度的影响规律 。

线切割放电电压对切割质量的影响

为了获取合适的线切割放电电压Ve，在其它工艺参数确定的情况下，依次施加不同的放电电压Ve对铜箔进行切割。实验所采用的工艺参数为：脉冲宽度10μs，脉冲间隔40μs，线切割电流0．28A；电极丝为钼丝（直径为180μm）。当Ve=60V时，铜箔的线切割边缘质量较好，随着放电电压Ve的增加，铜箔的线切割边缘出现不太明显的锯齿状结构，铜箔的切割边缘逐渐变粗糙。为了考察放电电压对二维微结构尺寸精度的影响，本文使用大景深显微镜测量线切割的切缝尺寸。测量结果显示：随着电压的逐渐升高，切缝尺寸由60V时的201μm逐渐增加至90V时的210μm。放电电压Ve会影响铜箔的切割边缘质量和二维微结构的尺寸精度。当放电电压逐渐增加时，会引起电极丝与工件之间平均放电能量的增加，进而增大放电间隙，铜箔材料的蚀除量逐渐加大，因此铜箔的线切割边缘质量逐渐变差，铜箔的切缝尺寸逐渐增加。因此，综合考虑三维微模具单层微结构的边缘质量和尺寸精度，选用的放电电压Ve为60V 。

线切割电流对切割质量的影响

线切割电流是指在脉冲电源的作用下，电极丝切割铜箔时所施加的电流。为了获取合适的线切割电流，在其它工艺参数确定的情况下，依次施加不同的电流切割铜箔。根据线切割机的参数可调范围确定实验所采用的工艺参数为：线切割电流1#～6#（0．28A～1．68A），电压60V，放电脉宽10μs，脉冲间隔40μs 。

当电流为1#（0．28A）时，铜箔的线切割边缘质量较好；随着线切割电流的逐渐增大，铜箔的线切割边缘出现锯齿状结构，铜箔的线切割边缘质量逐渐变差。为了考察线切割电流对二维微结构尺寸精度的影响，使用大景深显微镜测量铜箔的切缝尺寸。由测量结果可知，随着线切割电流的逐渐增加，切缝尺寸由0．28A时的201μm逐渐增加至1．68A时的212μm 。

上述实验结果表明，线切割电流不仅对铜箔切割边缘的切割质量有较大影响，也对二维微结构的尺寸精度产生了一定的影响。线切割电流的增大会增大平均放电能量，同时放电能量的增加也增大了单脉冲材料的去除量，使单脉冲电蚀坑变深、变大，而线切割加工表面由大量电蚀坑组成，因此加工表面粗糙度会大幅增加。在线切割电流较大时，铜箔的线切割边缘易出现锯齿状结构，铜箔的切缝尺寸也稍变大。因此，综合考虑三维微模具单层微结构的边缘质量和尺寸精度，选用的线切割电流为1#（0．28A） 。

脉冲宽度对切割质量的影响

为了获取合适的线切割脉冲宽度Ton，在其它工艺参数确定的情况下，依次施加不同的脉冲宽度Ton对铜箔进行切割。实验所采用的工艺参数为：脉冲宽度10～60μs，线切割电压80V，电流0．42A，脉冲间隔40μs。Ton对切割质量的影响与Ve和Ie相同，因此本文选择Ton=10μs 。

3.三维微模具的真空热扩散焊

通过上述工艺获得的多层铜箔二维微结构组成了初步叠层的三维微模具。但其各层二维结构之间并未真正连接，因此需要将初步叠层的三维微模具进行真空压力热扩散焊，从而完成各层二维结构的真正连接，形成一个整体式模具。各层二维微结构之间的焊接质量会对三维微模具整体的机械性能产生重要影响 。

真空压力热扩散焊是指在真空条件以及一定的压力和温度作用下，通过原子扩散使焊接件相互联接的焊接方法。真空热扩散焊的温度一般设为材料熔点的0．5～0．8倍，因铜的熔点为1083℃，所以其热扩散温度为542～867℃。在真空压力热扩散焊中，热扩散时间以及热扩散压力对三维微模具焊接质量的影响至关重要。

为了获得合适的热扩散时间，依次在不同的热扩散时间下对三维微模具进行了热扩散焊接。实验所采用的工艺参数如下：热扩散时间t为2～10h，热扩散温度为850℃，压力为1．0μPa。热扩散后的试样经过打磨抛光后，使用硝酸铁酒精溶液进行腐蚀，然后观测试样连接处的形貌。当热扩散时间t为2h时，铜箔之间的缝隙较明显；随着热扩散时间t增加到10h，铜箔之间的缝隙逐渐减小，直至消失。为了获得合适的热扩散压力，依次使用不同的热扩散压力对10层铜箔（每层厚为100μm）的三维叠层微模具进行热扩散焊接。实验所采用的工艺参数如下：热扩散压力F为0．5～1．0μPa，热扩散温度为850℃，热扩散时间t为10h 。

热扩散后的试样经过打磨抛光后，使用硝酸铁酒精溶液进行腐蚀，观测试样连接处的形貌。由实验结果可知：当热扩散压力为0．5μPa时，铜箔之间的缝隙较明显；随着热扩散压力的增加，铜箔之间的缝隙逐渐减小，直至消失 。

三维微模具的尺寸精度主要包括每层二维微结构的尺寸精度和三维微模具在厚度方向上的尺寸精度。每层二维微结构的尺寸精度主要由线切割保证，而三维微模具在厚度方向上的尺寸精度则主要由真空热扩散保证。为了考察热扩散时间对三维微模具在厚度方向上精度的影响，使用大景深显微镜测量了图6所示试样的厚度。由测量结果可知，随着热扩散时间的逐渐增加，试样在厚度方向上的尺寸由2h时的209．7μm逐渐减低至10h时的199．6μm，越来越接近理想尺寸。当热扩散时间较短时，各层铜箔在接触面上的原子扩散不够充分，此时铜箔之间存在缝隙，三维微模具在厚度方向上的尺寸精度较差；随着热扩散时间的增加，各层铜箔在接触面上的原子扩散越来越充分，铜箔之间的缝隙逐渐消失，直至近似消失，此时三维微模具在厚度方向上的尺寸精度较好 。

3.微型级联齿轮模具的制备

为了验证该工艺的可行性，分别设计了六棱台、二阶级联齿轮以及三阶级联齿轮微型腔模具。其中，六棱台正六边形外接圆的直径分别为2．5，3，3．5，4mm；齿轮的第一级齿轮分度圆直径为3mm，第二级齿轮分度圆直径为5mm；三级阶梯齿轮的第一级齿轮分度圆直径为3mm，第二级齿轮分度圆直径为4mm；第三级齿轮分度圆直径为5mm。上述两种齿轮的齿数均为6，每一级齿轮的高度均为0．5mm。根据上述三维微模具几何形状与尺寸构建微模具设计模型，使用CAD切片软件将微模具设计模型进行离散切片从而获得叠层微模具模型，并得到每层铜箔的二维微结构以及层厚等数据 。

以100μm的铜箔为原材料，使用线切割对铜箔进行切割从而获得各层的二维微结构。线切割的工艺参数如下：线切割电流为0．28A，电压为60V，放电脉宽为10μs，脉宽间隔为40μs，电极丝为钼丝（直径为180μm）。通过真空热扩散对上述各层二维微结构进行焊接从而获得三维微模具。使用大景深显微镜观测三维微模具。从观测结果可知，三维微模具表面形貌较好，制作结果较理想，与设计模型基本相符 。

为了验证上述模具的使用性能，采 用 超声模压粉 末 成 型 方 法（ Mic ro －UPM） 制 备 微 成 形塑件。主要工艺参数包括超声波功率、 超声波作用时间以及超声波压强。超声波功率是指实验中所施加的超声波能量， 超声波作用时间是实验中保持施加超声波的时间， 超声波压强则是实验中超声波焊接 头 的 压 强。使 用 PP 塑 料 粉 末，在2475 W、 2s以及0．1 MPa的超声波作用下，制备了 PP微型二阶级联齿轮塑件； 使用 EVA 塑料粉末，在24 75 W、0．6s以及0．1MPa的超声波作用下， 制备了 EVA 微型三阶级联齿轮塑件。PP 和 EVA 微型级联齿轮塑件的表面质量良好， 与对应的微型腔一致， 从而进一步验证了基于线切割与热扩散焊的三维微模具叠层制备工艺的可行性 。

微注塑成形是热塑性塑料成形的一种重要工艺方法，与目前在微机械领域广泛应用的硅基材料微小构件成形工艺相比，具有制造成本低、生产周期短、工艺简单、成形质量高、便于实现批量和自动化生产等优点。微模具作为微塑件的重要工艺装备，其制造水平直接影响着微塑件的成形质量 。

微模具的制造依赖于微细加工技术。随着微机电系统（Micro－Electronic－MechanicalSystem，MEMS）技术的发展，微制件的需求日益增加，微细加工技术也日新月异，从传统微细切削加工到微细特种加工，如电化学、电火花、激光、超声波、离子束等，再到UV－LIGA技术和深反应离子蚀刻技术（DRIE）。这些特种技术中，微细光加工技术在微模具制造中的应用更具优势，而UV－LIGA技术最有代表性和应用前景。UV－LIGA技术主要由曝光、显影、电铸和去胶组成，其特定的曝光方式使得该技术通常情况下只能制作含有直壁特征的2．5D微结构，而不易制作含有复杂结构特征的微结构 。

为获得三维微结构，大连理工大学的杜立群等提出基于UV－LIGA技术的新工艺制备三维微结构，并研究了UV－LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用。Pfeiffer等人利用飞秒激光分层平面扫描烧蚀工艺，在硬质合金和不锈钢板上蚀刻出了深度为100μm的三维微结构。江苏大学张朝阳等构建了纳秒脉冲激光电化学加工系统，实现了线宽在140μm左右、深度较大的微细刻蚀加工，获得了较好的加工质量和成形精度。Li等以微超声加工和微细电火花加工为基础制备了球形微结构。Park和Chu等提出了线切割和电解抛光相结合的方法，制备了表面质量较好的透镜样式模具。为了提高微结构的表面质量和加工精度，Nguyen等提出通过微细电火花加工结合微细电解加工来制备微结构。大连理工大学的宋满仓等研究了利用常规电火花线切割技术加工薄镍板微小结构的方法，该技术可为电火花线切割加工其他材料的薄板微小零件提供支持与参考。清华大学佟浩、李勇等以放电间隙伺服控制实时补偿电极损耗技术为基础，提出三维微细电火花伺服扫描加工方法，制备出了各种复杂的三维微结构。但是微细电火花加工所用的微细电极制作困难，加工后模具的表面粗糙度难以达到要求，需要进行后续研抛加工，从而降低了生产效率，并且由于在电火花加工的过程中始终存在微细电极损耗，因此该技术难以获得大深宽比的微结构 。

近年来，为了制备三维微模具，徐斌等人提出了微型双工位叠层成形方法（MicroDouble－stagedLaminatedObjectManufacturing，Micro－DLOM）。Micro－DLOM以分层实体制造工艺（LOM）为基础，通过多层二维微结构的叠加拟合来获得三维微模具。凌世全等人采用飞秒激光切割结合微细电阻滑焊制备了2阶、3阶级联齿轮微型腔模具，，并通过铜箔对上述齿轮腔进行胀形复制得到了微成形件，从而验证了该工艺方法的可行性。但限于飞秒激光的功率，切割的单层不锈钢箔厚度不能超过20μm，所以叠层成形的微模具深度受到一定的限制 。

热扩散率是指在一定的热量得失情况下，物体温度变化快慢的一个物理量，它的大小与物体的热导率λ成正比与物体的热容量Cv成反比，单位是m2/s.可用下式表示：

式中，K为热扩散率；γ为热导率；Cv为容积热容量。

物体的热扩散率越大，表明热量由物体表面向深层或者由深层向物体表面的扩散的能力越强，温度变化所及深度越深，各深度的温度差消除越快，物体的热扩散率越小，则反之。

α=λ/ρc

α称为热扩散率或热扩散系数（thermal diffusivity），单位为m²/s。

式中：

λ：导热系数，单位W/(m·K)；

ρ：密度，单位Kg/m³；

c：比热容，单位J/(Kg·K)。

主要用于同质及异质难焊材料的连接，可以实现真空钎焊和真空扩散焊两种主要功能。 2100433B