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 。