飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发_陈小亮

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结束语
虚拟数控车削加工技术是先进制造系统研究的热
点之一， 本文依据 [.&\O@*#> 数控系统， 开发了数控
机械制造 @@ 卷 第 @AB 期
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现状・趋势・战略
和一定频率下的加工脉冲数是一致的。 ! 个方向上的运 动 和 激 光 束 的 通 断 状 态 与 通 断 时 间 都 受 "#$ % "#& 软件控制。 成形系统的加工原理图如图’ 所示。 平面扫描结合光束作逐点加工， 直到同一高度加 工完毕， 而后再纵向进给加工下一层面。 逐层累计， 即 利用这种 “ 积分 ” 式的加工形式最终可以得到三维的微 型结构， 实现复杂形状固体自由微型制造。 从设计到立体结构加工完毕， 该系统完全依靠 其原理和 ()# 相类似： 先设计 "#$ % "#& 技术来实现。 三维立体结构模型， 再对其进行层切处理， 转化为一系 列层状平面， 每一层面含有立体结构对应高度截面上 的轮廓信息。 结构设计信息和加工信息都包含在系统 的 "#$ % "#& 软件之内 * ’ + 。
!"#$%&’$( #34 5678975:4 ;< => ?796;@6A57B 56;C;CD578E C4938;:;ED A8B FDFC4? G7C3 <4?C;F49;8B :AF46 CG; 0 53;C;8 78BH94B 5;:D?467IAC7;8 7F 564F48C4BJ #34 CG; C4938;:;E79A: FH5467;67C74F ;< C34 C4938;:;EDK 93A6A9C46F ;< CG; 0 53;C;8 ALF;65C7;8K 56;94FF ;< CG; 0 53;C;8 5;:D?467IAC7;8K 93A6A9C46F ;< ?AC467A: A8B CG;@53;C;8 787C7AC;6F A64 A8A:DI4B 78 B4CA7:J #34 4<<49C ;< C4938;:;E79A: 5A@ 6A?4C46F A8B C34 5A6A?4C46 ;5C7?7IAC7;8 9;?L78AC7;8 A64 A8A:DI4B A8B C34 4M5467?48CA: 64FH:CF E7N48J #34 <HCH64 B4N4:;5?48C B7649@ C7;8 7F 56;5;F4BJ )*+ ,-%.#( /*0$-#*’-1. 2&#*% >&68. 9%-$-$+681? 微快速原型是当今制造领域微细加工技术和快速 原型技术 （ 两大热点的完美结合， 飞秒激光双光 Y$#） 子聚合三维零件微快速原型技术是利用先进设备飞秒 激 光 " [4?C;F49;8BF :AF46 % 双 光 子 聚合 #$$ " #G;@$3;C;8 $;:D?467IAC7;8 % 的光制造技术融合逐层 " bAD46@LD@bAD46 % 的方式 “ 重建 ” 物体组件几何模型的思想进行微细加工 以达到数十纳米的高制造精度。 它是机械工程学科中 微器件成形与材料科学、 计算机科学、 激光技术、 聚合 技术的交叉融合， 是当今高精尖技术之一。 34-567-$- !"#-%6$8-1 97-$-6-:+0*%8;&$8-1 <8’%-5=&"%8’&$8-1
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!"" 三维零件微快速成形系统搭建
成形系统的加工过程是通过 ! " # 平面内的光束
扫描， $ 方向的进给和不同位置对应的光束加工状态 （ 光束通断状态和通断时间 ） 来实现。 光束在 ! " # 平 面的扫描和 $ 方向的进给是由压电式工作台实现， 精 激光通断则靠声光调制器实现， 而加工时间 度 ’* 8?，
现状・趋势・战略
飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发
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摘
陈小亮
!
任乃飞
!
王
群
要 ! 阐述了飞秒激光双光子聚合 " #$$ % 制造三维零件微快速原型技术和成形系统的搭建及其实现的理论基础，
分析该技术的两大显著技术优势以及双光子吸收特性、 双光子聚合工艺流程、 成形材料及双光子触媒的特性， 并在此基础 上进行工艺参数影响分析和优化组合， 给出初步实验结果， 提出系统未来发展提升空间。 关键词： 飞秒激光 双光子吸收 光聚合 微细加工 快速成形 文章编号： /*** 0 ())1 " ’**- % *’ 0 **’2 0 *( 中图分类号： #&’() ； #&’*+ ； #,--+ 文献标识码： .
参考文献
宋天麟 K 王春秀 K 倪俊芳编著J 数控机床及使用与维护 ] S ^ J 南京： 东南大学出版社 K ’**= 胡伦骏 K 徐兰芳 K 刘建农编著J 编译原理 ] S ^ J 北京： 电子工业 出版社 K ’**’ 李现勇编著J _7FHA: O ‘ ‘ 串口通信技术与工程实践 （ 第二 ] S ^ J 北京： 版） 人民邮电出版社 K ’**( 龚建伟 K 熊光明编著J _7FHA: O ‘ ‘ a #H6L; O 串口通信编程实 践 ] S ^ J 北京： 电子工业出版社 K ’**( " 编辑 作者单位： 苏州大学机电工程学院 邮政编码： 江苏・’/+*’/ 收稿日期： ’**+年)月 !""# $ ! 禾 # 禾%
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根据 # 通过 0*> 充分有效激发化学效能的机理， 强的电子给体可以使共轭体系电 $LGKM65< 等的理论， 子态比较富裕， 当分子吸收 " 个光子后， 可将电子传给 较弱的电子受体， 通过分子内电荷转移， 使整个分子呈 现富电子态， 电荷转移到一定程度以后， 就可以向周围 的受电子单体 “ 抛” 出 ! 个电子， 从而引发聚合反应。 即 利用光化学的方法产生的自由基或离子， 引发聚合。 通过 27;N7 的 电 化学 和 光 学 研究 ， &C&C& 结 构 的 触发剂 O2OC2" 具有足够的电子供应能力， 以及一级激 发态电子具有足够的能量触使电子迁移， 生成 P A 。 其自由能： *%3 $ %$/P A 副产品， ’ & ’ ( ( &5< A 1 &5< , J ( ( )** 1 )** J , J (;H8Q@。 $ 降低聚合能域值 +64， +64 和触媒的聚集度成反 使得激光能量的选择远 比， 触媒浓度越高， +64 值越低， 低于材料破坏极限 + & ， 增大 +64 1 +& ， 表 ! 是不同触媒 的光敏树脂光敏度对比。 ( 0** 工艺参数优化 ! , 0** 工艺参数 — %64 、 "材料配比及触发剂的选择—— %@ 、 &" 。 — ,@ 、 #激光参数特性选择—— ’、 -K 、 #、 .)。 — /M， 曝光时间 0 D " 1@ 1 /M， 有效作 $ 扫描速度—— 用时间 0;RR;869N; D -K ’0。 参数符号： %64 为自由基浓度域值； %@ 为触媒初始； &" 为 有效双光子吸收截面； ,@ 为光强峰值； ’ 为脉冲周 期； -K 为脉冲频率； # 为波长； .) 为透镜数值孔径。 "） 0** 工艺优化 建立参数优化理论模型： 双光 子吸收过程中， 单位时间内吸收的光子数与触媒浓度 故自由基双光子 2 成正比和光子流量 . 平方成正比， 触媒实时浓度 2 为触媒初始 引发速率为 3 D 2&" ." 。 浓度 %@ 减去反应耗去的触媒 （ 数值上等于生成自由基 )% ( 即 2 ’ %@ J %； 的浓度 %） . ’ , # ( %$ , 所以 D %@ J % , )0 &" ( , ," ， 由 0 D @时活性自由基 % D @， 对等式积分得： %$ % D %@ . ! J ;HK ( J &" ( , ," 0;RR;869N; , / %$
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对 OP467A:$;6C 类的部分实现函数进行了改造。 ! 改 造写 串 口 函数 OP467A:$;6C! ! Q67C4#;$;6C " % 及 实 OP467A:$;6C! ! Q67C4O3A6 " % K 通过指定要发送的长度， 现 .PORR 文本和二进制数据发送方式兼容； 增加 " 修 改 OP467A:$;6C! ! R87C$;6C " % 函 数 的 实 现 ， 对流程控制方式及传输模式设定的处理。 发送文件时通过对话框选定文件， 先读入缓冲区， 再通过写串口函数进行发送， 文件发送是否完成则通 过 OP467A:$;6C 类 的 QSTOUSST#VWS$#XT>W#WO#W> 消息来判断。 启动串口 OP467A:$;6C 类是基于多线程的， 通信监测线程后， 即开始监测各种串口事件， 接收串口 收到字符通过编写 QSTOUSSTYVOZ.Y 消息处理函 数完成， 并在函数实现中对是否接收进行了控制。 ( = ’ / 程序编译及通信技术主要模块， 并已在实践中得到应 用， 在此基础上实现虚拟现实的数控车削加工系统是 今后研究工作的重点。
*!+ *B+
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南京理工大学制作了国内第一台微小机械光成形 实验系统， 采用光源为紫外激光器， 成形精度可以达 零件最小长度在’/ !; 左 到： 总体尺寸约为 ’ C;! 以下， 右 *D +。 北京大学物理系的中型物理国家实验室对双光 子聚合微制造， 成形直线在不同的聚焦高度、 激光能量 波动、 扫描速度下相应保持平直、 发生弯曲起皱、 漂移 现象的机理以及对双光子聚合微制造成形的影响展开 研究 * > + 。 - , . 技术优势 " 飞秒激光超快特性克服传统激光微加工技术热 其 影响区限制加工精度的缺陷。 热影响区 ! " !"E’ % , ， 中 ! 为材料传热系数， 飞秒光聚合反应过 "E 为脉宽。 程小于 ’ 3F， 热传导距离小， 即在极短时间内注入的能
ห้องสมุดไป่ตู้
量难以通过扩散途径逸出辐照区， 激光与物质相互作用 的范围被严格界定， 故热影响区小， 实现精密加工 * < + 。 达到 # 飞秒激光超强特性提供极高的瞬间功率， 触发双光子吸收 （ 。 G4 级， H8I9EJI:I3 #KFI1E:LI3， H@#） 双光子吸收使得利用低能量长波长的近红外光 - 0? . 成 为可能， 通常在 M// 3; 左右， 线性 吸收及 ?5NO2L6J 散 射都比较小， 激光在介质中的穿透性好， 对大部分介质 都是透明的， 光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部 的聚焦点， 从而实现材料内部三维空间上任意部位的 深层次超精细加工。 同等光子密度条件下双光子 $ 聚合反应速度快， 的聚合成形速度是单光子激光聚合速度的平方。 双光 子聚合反应的引发速率、 增长速率与光强平方成正比， 连续光源 （ 或单光子 ） 聚合反应则仅是线性增长 * M + 。 可 % 双光子非线性吸收激发的有效作用体积小， 以完成物质体内的定点操作， 空间分辨率高。 双光子吸 收几率与入射光强的平方成正比， 每层的净激发与该 层距离焦点的平方成反比。 如图 , 所示， 双光子加工有 效光斑区远小于激光波长衍射的尺寸， 具有空间选择 “ 点” 聚合能力， 使成形精度达到衍射极限的 !DP 约几 而单光子聚合在光线通过的地方都会发 十纳米级 * Q + 。 生聚合反应， 是整体或面上的聚合。 借鉴快速成形制造技术思 & 基于快速成形技术， 路。 将三维实体分解成二维， 逐层加工、 堆积成形可以 制作出中空截面相连通的零件和结构， 直接从 !$ "#$ 模型得到物理实体模型。 - ! . 双光子聚合工艺 " H@@ 工艺流程 及相应聚合 原理 主要 有两种 方式： 双光子吸收触媒触发催化低聚体聚 ’ . 负胶工艺， 合或聚合链交接耦合， 未曝光的部分通过显影除去， 即为所需实体结构； H@# 曝光部分留下， , . 正胶工艺， 双光子吸收光酸发生器产生酸分子使聚合侧链脱离和 断裂的无规 则降解， 分子量变低， 曝光部分材料将会 在溶液显影时被除去， 留下中空结构 * ’/ + 。 两者的工艺 流程示意图如图!所示。 # H@@ 加工工艺的主要影响因素 成形分辨率与固化单元， 单元微机械加工中的 ’）
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!"" 三维零件微快速成形技术
- ’ . 发展现状 ,//, 年法国 01232 4536 实现了雕
日本大阪大学 75859 刻分辨率为纳米级的’ 欧元硬币。 :5 研究小组雕 刻出一个 红细胞大 小 - ’/ !; 长 、 < !; 高 . 的公牛像， 并在三维微流道的直接刻写成形技术独 具优势 = 采用>光子近红外激光源以获得更高的加工精 韩国开发了应用纳米复印 - 3?@ . 和真空压力差分 度*,+。 技术进行聚二甲硅氧烷模复制的制程， 是微制造领域 中的快速原型与快速制模技术。 并在 3?@ 技术的轮廓 偏移算法 （ 上展开研究， 以提高成形精度 "A#）
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机械制造 !! 卷 第 !"# 期
现状・趋势・战略
一个重要指标是分辨率。 在快速成形制造中， 把它区分 为扫描分辨率及成形分辨率。 成形分辨率是指成形的 最小单位； 扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。 在微光成形系统中引入光固化单元的概念： 光固化单 元是指一个激光斑点照射在光敏树脂上所固化的树脂 体积， 固化单元越小， 成形分辨率越高。 光束扫描， 光 "） 栅扫描是点成形， 使激光束按一组平行光进行扫描， 光 束按开闭方式控制， 以此来得到任意的二维形状， 分辨 率较高； 矢量扫描， 沿成形特征轮廓进行扫描。 切片 #） 方式， 减少切片误差。 液面控制 $%& 模型直接切片， ’） 方式， 液面控制分自由液面式 ( 一般的 )*+ 系统采用 自由液面式 , 和约束液面式两种。 约束液面由于排除了 液面表面张力的影响 - 有利于垂直分辨率的提高 - 适合 于微小器件、 结构的制作