專(zhuān)利名稱(chēng)：一種玻璃材質(zhì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在玻璃基板內(nèi)部制造過(guò)濾微結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，許多地方都需要應(yīng)用到過(guò)濾微結(jié)構(gòu)，過(guò)濾粉塵、泡沫等物質(zhì)，而玻璃在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用同樣非常廣泛。將兩者進(jìn)行融合，利用激光在玻璃內(nèi)部織構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，并使其在玻璃上下表面通透，水分子可以通過(guò)這種微結(jié)構(gòu)，但泡沫、雜質(zhì)顆粒無(wú)法通過(guò)，完成過(guò)濾。目前，用來(lái)進(jìn)行過(guò)濾的裝置多是其他材料，而利用玻璃制作過(guò)濾結(jié)構(gòu)有制備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，過(guò)濾效果好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)玻璃材質(zhì)的過(guò)濾結(jié)構(gòu)宏觀形狀可控，面積可控。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上內(nèi)容，有必要提出一種制作簡(jiǎn)單、高可靠的過(guò)濾微結(jié)構(gòu)制作方法，用來(lái)過(guò)濾液體中的雜質(zhì)微粒、泡沫等。本發(fā)明可以制作O. 7mm至8mm厚度的玻璃過(guò)濾裝置,隨著厚度增大,玻璃內(nèi)部過(guò)濾通道增多，因此過(guò)濾效果提高。制作過(guò)濾器使用的材料可以是普通鈉鈣玻璃、超白玻璃、電子玻璃甚至是液晶基板玻璃。本發(fā)明中，制作玻璃過(guò)濾結(jié)構(gòu)所使用的裝置包括計(jì)算機(jī)、激光器、計(jì)算機(jī)與激光器連接的數(shù)據(jù)線、激光運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、工作臺(tái)等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，材料為上文中提到的各種玻璃一種玻璃材質(zhì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括如下步驟( I)在計(jì)算機(jī)中用3D建模軟件建立濾網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型；(2)提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建點(diǎn)云模型，此時(shí)豎直方向兩點(diǎn)間距離應(yīng)為水平方向距離的1. 8^2.1倍；點(diǎn)云模型高度需大于玻璃厚度2mnT4mm ;點(diǎn)云密度在13(Tl60(點(diǎn)/mm2)范圍內(nèi)變化；(3)利用激光器配合加工平臺(tái)以及振鏡系統(tǒng)，按照生成的點(diǎn)云模型在玻璃材料內(nèi)部進(jìn)行刻點(diǎn)形成裂痕，點(diǎn)與點(diǎn)之間會(huì)因?yàn)閼?yīng)力作用形成微通道，使點(diǎn)點(diǎn)之間相連接，形成具有過(guò)濾功能的微結(jié)構(gòu)；綠光激光器功率在300imT750mW之間變化，紫外激光器功率在400mw",900mw之間變化；低能量對(duì)應(yīng)的過(guò)濾通道直徑更小。所述的3D 建模軟件可以是3D MAX、Pro/E、solidworks、AUTO CAD 等所述的點(diǎn)云模型是指點(diǎn)陣列，激光按照點(diǎn)陣模型，在有點(diǎn)的位置出光進(jìn)行加工。所述的點(diǎn)云密度是指調(diào)整點(diǎn)與點(diǎn)之間距離，在激光功率一定的情況下，點(diǎn)與點(diǎn)之間距離過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致兩點(diǎn)之間無(wú)通道連接，從而無(wú)法連通不能起到過(guò)濾作用，距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致兩點(diǎn)之間通道直徑過(guò)大，造成過(guò)濾效果不佳。隨著玻璃材料密度和光透過(guò)率的增加，點(diǎn)云密度和功率也要隨之增加。因?yàn)榧す馄鞴獍咦饔糜诓Ａ?nèi)部時(shí)產(chǎn)生的裂紋并非完全對(duì)稱(chēng)，其在豎直方向尺寸大于水平方向尺寸，因此在豎直方向裂紋更容易擴(kuò)展，為保證濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)均勻，通常豎直方向的點(diǎn)與點(diǎn)之間距離為水平方向距離的1. 8^2.1倍。所述的微米級(jí)通道是指玻璃內(nèi)部激光雕刻的兩點(diǎn)之間，當(dāng)玻璃材料冷卻后，在拉伸應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的直徑可以用激光功率和點(diǎn)云密度控制。所述的激光器是綠光激光器或者紫外激光器。綠光激光器功率可調(diào)，平均功率300mw 750mw。紫外激光器平均功率為400mw 900mw。所述的加工平臺(tái)是指一個(gè)能在豎直方向進(jìn)行精確移動(dòng)的平臺(tái)，用來(lái)在豎直方向定位待加工材料。振鏡系統(tǒng)用來(lái)將激光束在二維平面內(nèi)定位。所述的點(diǎn)云加工指的是，按照第(2)和(3)步中生成并調(diào)整好密度的點(diǎn)云模型，將激光在需要打點(diǎn)的位置聚焦，聚焦點(diǎn)的能量密度將大于玻璃的破裂閾值，在聚焦點(diǎn)出產(chǎn)生一個(gè)微小裂痕，而在聚焦點(diǎn)以外的位置，能量密度低，不會(huì)對(duì)玻璃造成破壞。本發(fā)明的工作原理是根據(jù)玻璃材料類(lèi)型與想要的過(guò)濾通道直徑，調(diào)整點(diǎn)與點(diǎn)之間距離和功率對(duì)于普通鈉鈣玻璃，最佳點(diǎn)云密度為13(Γ140 (點(diǎn)/mm2)，最佳激光器功率為72(T755mw，此時(shí)，激光刻點(diǎn)處直徑為20 μ m，點(diǎn)之間通道直徑為5 μ m左右；對(duì)于超白玻璃，其密度和硬度均高于普通玻璃，最佳點(diǎn)云密度為14(Γ155 (點(diǎn)/mm2)，最佳激光器功率為770mw左右，此時(shí)，激光刻點(diǎn)處直徑為20 μ m,通道直徑5 μ m左右。想要得到更加細(xì)小的通道以提高過(guò)濾精度，則可以通過(guò)增加點(diǎn)云密度，同時(shí)降低激光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)化定位過(guò)程，建立點(diǎn)云模型時(shí)，模型高度應(yīng)比玻璃基板厚度大2 4mm，以保證過(guò)濾結(jié)構(gòu)在玻璃的上下表面通透。控制振鏡、平臺(tái)和激光器，按照預(yù)先設(shè)定的路徑在玻璃內(nèi)部刻點(diǎn)，可點(diǎn)完成后材料自然冷卻，點(diǎn)與點(diǎn)之間形成微通道，這些通道允許液體通過(guò)，會(huì)過(guò)濾掉尺寸大于直徑的雜質(zhì)微粒。其他類(lèi)型的玻璃材料，根 據(jù)其密度、彈性模量，以及對(duì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)性能的要求決定點(diǎn)云密度和激光功率。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在玻璃基板中行直接制備具有過(guò)濾功能的微結(jié)構(gòu)，且過(guò)濾裝置的過(guò)濾區(qū)域形狀可以人為設(shè)計(jì)，如圓形、三角形、四邊形等。本發(fā)明的特點(diǎn)是1.利用激光進(jìn)行過(guò)濾結(jié)構(gòu)的制備，屬于非接觸加工。精度高，速度快。2.過(guò)濾裝置的材料為玻璃，污染小，成本低。3.本發(fā)明使用的是半導(dǎo)體泵浦綠光激光器或者紫外脈沖激光器。4.過(guò)濾通道由應(yīng)力自然產(chǎn)生，平整光滑。5.過(guò)濾區(qū)域形狀控制簡(jiǎn)單?？梢允侨切?、圓形、四邊形或者閉合曲線。


圖1本發(fā)明所使用的玻璃過(guò)濾結(jié)構(gòu)制作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意中1，振鏡掃描系統(tǒng)，2，激光光束，3，過(guò)濾結(jié)構(gòu)，4，過(guò)濾結(jié)構(gòu)玻璃基板，5，加工平臺(tái)，6,激光器,7,計(jì)算機(jī)。圖2過(guò)濾結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型圖，a, 3D點(diǎn)云模型示意圖，b，3D點(diǎn)云模型俯視圖，c，3D點(diǎn)云模型側(cè)視圖。圖3厚度為5_的普通玻璃圓形過(guò)濾結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，過(guò)濾通道直徑約為5μηι。圖4厚度為5_的超白玻璃方形過(guò)濾結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，過(guò)濾通道直徑約為5 μ m。
具體實(shí)施例方式首先有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)例I本發(fā)明選用體積小，加工方便的532nm半導(dǎo)體泵浦綠光激光器，激光運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用掃描振鏡；選用厚度為1.1mm的普通玻璃作為材料；選用圓形為過(guò)濾結(jié)構(gòu)的形狀。過(guò)濾通道直徑為10 μ m,本實(shí)例屬于普通玻璃圓形過(guò)濾結(jié)構(gòu)制備。本實(shí)例按以下方法進(jìn)行將玻璃清洗干凈，置于加工平臺(tái)上；利用3Dmax制作模型，模型高度為4mm，保存為OBJ格式；將文件導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)軟件生成點(diǎn)云模型；將點(diǎn)云密度調(diào)整為130(點(diǎn)/mm2)，保存點(diǎn)云模型為dxf格式，模型圖見(jiàn)圖2 ;將點(diǎn)云模型dxf文件導(dǎo)入激光振鏡控制軟件；設(shè)定激光器功率為745mw，激光器重頻為1. 81kHz，單脈沖打點(diǎn)；打開(kāi)激光器，使激光器按照預(yù)先設(shè)定的加工參數(shù)開(kāi)始掃描；掃描完畢后，取出玻璃，用輔助氣體將表面吹凈。實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

此外，對(duì)于上述1.1mm厚度普通鈉鈣玻璃，如果將點(diǎn)云密度改為140點(diǎn)/mm2，激光功率改為725mw，其他參數(shù)保持不變，則可以實(shí)現(xiàn)通道直徑為5μπι的過(guò)濾結(jié)構(gòu)制備。
權(quán)利要求
1.一種玻璃材質(zhì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在計(jì)算機(jī)中用3D建模軟件建立濾網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型； (2)提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建點(diǎn)云模型，此時(shí)豎直方向兩點(diǎn)間距離應(yīng)為水平方向距離的1. 8^2.1倍；點(diǎn)云模型高度需大于玻璃厚度2mnT4mm ;點(diǎn)云密度在13(Tl60點(diǎn)/mm2范圍內(nèi)變化； (3)利用激光器配合加工平臺(tái)以及振鏡系統(tǒng)，按照生成的點(diǎn)云模型在玻璃材料內(nèi)部進(jìn)行刻點(diǎn)形成裂痕，點(diǎn)與點(diǎn)之間會(huì)因?yàn)閼?yīng)力作用形成微通道，使點(diǎn)點(diǎn)之間相連接，形成具有過(guò)濾功能的微結(jié)構(gòu)；綠光激光器功率在300imT750mW之間變化，紫外激光器功率在400mw 900mw之間變化。
全文摘要
一種玻璃材質(zhì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)的制作方法屬于激光加工領(lǐng)域。本發(fā)明步驟在計(jì)算機(jī)中用3D建模軟件建立濾網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型；提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建點(diǎn)云模型，此時(shí)豎直方向兩點(diǎn)間距離應(yīng)為水平方向距離的1.8~2.1倍；點(diǎn)云模型高度需大于玻璃厚度2mm~4mm；點(diǎn)云密度在130~160點(diǎn)/mm2范圍內(nèi)變化；利用激光器配合加工平臺(tái)以及振鏡系統(tǒng)，按照生成的點(diǎn)云模型在玻璃材料內(nèi)部進(jìn)行刻點(diǎn)形成裂痕，點(diǎn)與點(diǎn)之間會(huì)因?yàn)閼?yīng)力作用形成微通道，使點(diǎn)點(diǎn)之間相連接，形成具有過(guò)濾功能的微結(jié)構(gòu)；綠光激光器功率在300mw~750mw之間變化，紫外激光器功率在400mw~900mw之間變化。本發(fā)明適用于多種玻璃材料的濾網(wǎng)微結(jié)構(gòu)制備，可制作多種形狀的濾網(wǎng)微結(jié)構(gòu)，使用激光功率低，玻璃作為濾網(wǎng)制備材料價(jià)格低廉。
文檔編號(hào)C03B19/00GK103058502SQ20121053780
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者劉富榮, 黃超, 陳繼民, 袁建文 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)