微机械的快速成型微细加工技术

　　1　微机械的设计和制造要求

　　微机械的定义有多种[1],本文采用的微机械定义要求总体尺寸约1 cm3以下,零件最小长度在10μm左右、结构高度集成化,由计算机进行智能控制的机械[2]。微机械的设计和制造要求一般为零件有复杂形状,以便在较小体积中具有较多功能;可实现复杂的运动;减小零件数目,以提高可靠性;能传递和承受一定的力;体积小、重量轻;适于大量生产、单件成本低;开发阶段的周期短、成本低等。

　　2　几种制造技术用于微机械的分析

　　2.1　半导体工艺

　　半导体工艺用于加工尺寸数量级为0.1 mm的平面形零部件,成品常被称为微机电系统(micro electro mechanic systems,简称MEMS),用途主要为传感器及信息处理器。半导体工艺不能做复杂立体的微机械,也不能做实用的微执行机构(半导体工艺的驱动力为静电力,驱动力太小),这就限制了其应用范围。

　　2.2　普通机械制造技术

　　用普通机械制造技术制作的微机械零件数目较多,不能满足提高可靠性的关键要求。

　　并且,普通机械制造技术很难将单个零件尺寸减小到1 mm以下,这势必造成微机械整机体积、重量减不下来。

　　2.3　通用快速成型技术

　　快速成型(rapid prototyping,简称RP)技术是用材料一层层地堆积,最终得到一个三维实体的造型技术[3]。快速成型工艺流程如图1所示。

　　快速成型技术在现阶段有3个主要用途:(1)帮助设计:设计验证,装配验证,运动空间和运动轨迹验证,应力分析和功能测试等;(2)直接可用物品的小批量制作;(3)快速模具制造与快速铸造。快速成型技术的显著特点是可快速制作复杂立体零件,但通用的快速成型设备的尺寸加工范围大于10 cm数量级,不能做mm~cm级的微机械。同时,微机械的快速成型制作需要特殊的成型工艺,通用的快速成型设备及工艺无法实现微机械制造。

　　3　快速成型微细加工技术

　　3.1　微机械光成型微细加工的可能性

　　快速成型的几种典型工艺中,液料树脂光固化(又称光成型)法的分辨率最高。与表1所示的常用微细加工法相比较,由于光成型法的分辨率可达2μm左右,且具有加工自由度大,零件可为任意复杂形状等特点,适合于微机械的加工[4]。本文讨论光成型工艺在微机械的微细加工中的应用。将常用微细加工技术的分辨率、可加工形状及存在的主要问题等归纳为表1。

　　加工方法分辨率/μm可加工形状存在的主要问题硅加工技术0.2主要为平面采用数种加工装置,并需空气净化设备LIGA 1纵横比大的柱状加工设备极其昂贵,因而加工成本高微放电加工50限于从外部加工的形状制造复杂的工件时需用专门的加工设备激光CVD 20任意形状利用热能的加工,加工分辨率难以提高