工程解读

微流控中的 CNC 加工技术

铣削和车削刀具如何将通道、孔和歧管加工到 50–500 μm。面向需要判断微流控设计应选择机加工、注塑还是铸造的工程师。

±0.005 mm 公差Ra 0.2–0.8 μm 表面粗糙度无 MOQ12 小时 DFM

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原理

CNC 加工技术是减材工艺。旋转刀具或单点刀具进入实心块体，沿编程路径去除材料。在微流控中，块体通常是聚合物或金属板，去除的材料形成通道网络。没有任何材料被堆积，因此通道由刀具刃口定义，而不是由掩膜或模具定义。

这种差异在小尺度上很重要。光刻和软光刻通过让聚合物在母模上固化来构建通道，因此新设计需要新母模。铣削直接从 CAD 文件切出新几何形状。你可以在两个零件之间改变一个通道宽度，并在同一天切出两者。

代价是表面质量。铣削底面带有刀具痕迹，而注塑或光刻通道没有。这些痕迹会改变流阻并可能滞留气泡。因此问题很少是 CNC 能否切出微流控特征，而是你获得的表面质量是否足以满足所需的流体行为。

对大多数芯片来说，答案是肯定的。200–500 μm 宽、Ra 0.8–1.6 μm 的通道在试剂输送、混合和液滴生成中表现可预测。低于 100 μm 时，表面质量和毛刺成为限制因素，而不是机床定位。

机床配置

通道宽度决定刀具。200 μm 通道需要小于 200 μm 的刀具，通常为 100–150 μm，以便刀具通过时不摩擦两侧壁。如此小的刀具会偏让。切削力必须降低，这意味着浅轴向切深和轻径向接触。

高速主轴在这里发挥作用。在 30,000–60,000 rpm 下，0.5 mm 刀具保持合理的每齿进给，同时表面速度保持较高。主轴慢会迫使你缓慢进给，而小每齿进给下的慢进给会摩擦材料而不是切削材料。

对于这项工作，刚性、热稳定的机床比单纯的轴数更重要。我们用于微特征的框架是 500 × 500 × 450 mm 和 500 × 310 × 200 mm 的紧凑行程，因为较小的包络在主轴热影响下保持位置更好。对于较大的歧管，750 × 1,150 × 550 mm 行程采用相同的刀具策略。

切削液选择并非中性。 flood 切削液清除切屑，但可能掀起薄壁。空气吹扫加轻雾适合 PMMA 和 POM 中 0.2–0.5 mm 的壁。在金属上，高压内冷 flood 切削液可防止深窄槽积屑。

公差

我们在关键特征上保持 ±0.005 mm（±0.0002 in）。该数值涵盖通道宽度、壁厚以及端口相对于通道的位置。这并不意味着零件上的每个表面都保持该精度。非功能面上的更紧公差只会增加成本和时间。

深宽比才是真正的约束。300 μm 宽、1,000 μm 深的通道是 3:1 的槽。刀具需要到达底部而不折断，同时仍能排屑。在塑料中超过约 5:1 后，刀具破损和锥度开始占主导，底面变得比入口更宽。

通道之间的壁厚表现相同。两个 300 μm 通道之间 250 μm 的壁在切削载荷下会弯曲。如果壁是承重的或必须保持光学透明，应设计得更厚，或接受更慢、更轻的走刀顺序并加入中间应力释放步骤。

底面深度控制是表面质量与平面度交汇之处。在 50 mm 芯片上 20 μm 的深度误差会使长通道的液阻变化几个百分点。如果你的检测依赖精确停留时间，应分别规定底面深度和底面平面度，而不仅仅是通道宽度。

材料

PMMA 是通常的起点。它切削干净、光学透明，并可通过溶剂或热方法键合。如果采用重切削，它也会划伤和应力开裂。保持浅切深并使用锋利的两刃刀具。

COC 和 COP 对某些溶剂耐受性更好，吸水率更低。它们更容易在切削边缘产生龟裂，因此刀具锋利度比速度更重要。PEEK 加工性能好且能承受高压灭菌循环，但价格昂贵且对刀具磨蚀性强。

当芯片是模具镶件或金属歧管时，金属进入考虑范围。6061 铝和 316L 不锈钢都能加工到上述公差。不锈钢会加工硬化，因此避免在切削中停留。TC4 钛（Ti-6Al-4V）和 Inconel 只有在腐蚀或温度要求时才值得使用。

对于模具镶件，硬度决定选择。工具钢和 17-4PH 比铝提供更长的镶件寿命，但成本更高、交期更长。如果你只需要几百个零件，铝镶件通常就足够了。

后处理和键合

机加工通道在顶部边缘有毛刺。在 300 μm 通道中，该毛刺可能桥接三分之一宽度。去毛刺必须受控，不能激进。低压喷砂、细介质滚磨和受控化学抛光都可行；每种都会去除一些材料，因此要留出余量。

键合决定芯片能否正常工作。热键合需要平整、清洁的表面和匹配的热膨胀系数。溶剂键合会软化表面，如果溶剂到达通道，可能使通道边缘变圆。等离子活化后再热键合，键合强度最高，通道变形最小。

表面粗糙度对键合强度的影响不亚于对流动的影响。Ra 0.2–0.8 μm 比加工态 Ra 1.6–3.2 μm 的表面接触面积更大，但如果清洗不彻底，也会残留更多污染物。键合前冲洗并干燥，用接触角检查验证。

泄漏测试完成闭环验证。1–2 bar 压力衰减测试可发现大多数键合失效。染料渗透可发现仅靠压力可能漏掉的通道间泄漏。我们出货的每个零件在发货前都做 100% 检验，可按要求提供报告。

选材

按特征尺寸、产量和材料选择。

方法	最佳特征尺寸	适用	注意事项
CNC 铣削	200–1,000 μm 通道	原型、过渡模具、小批量	底面刀痕，深宽比受限
微车削	0.5 mm 起的圆内孔	喷嘴、连接器、毛细管接头	仅限旋转对称形状
注塑	50–500 μm，大批量	10,000+ 相同芯片	模具成本，薄壁缩痕与翘曲
热压印	50–300 μm	批量生产的 PMMA 和 COC 芯片	母模磨损，多次运行后边缘变圆
压铸	1 mm 以上特征	金属歧管和壳体	气孔，最小壁厚约 1 mm
3D 打印	150–400 μm 通道	概念件、内部通道	层纹，通道内残留树脂