维告试hp/ www Cyvip com 恐狀碧鹨^成畇 光路开关 单光子吸收 双光子吸收 佐宝石激光器 光强有效聚合区(单) 光强 衰减器 透镜滤光镜 分光镜〖计算机 显微物镜 可 成形试样 压电式XYZ扫描工作台匹 工作台控制卡 位置 口光源 聚合光强域值|as 聚合光强域值l山mA ▲图1飞秒激光双光子聚合制作三维零件微快速原型系统原理图 ▲图2双光子吸收和单光子吸收示意图 和一定频率下的加工脉冲数是一致的。3个方向上的运量难以通过扩散途径逸出辐照区,激光与物质相互作 动和激光束的通断状态与通断时间都受CAD/CAM的范围被严格界定,故热影响区小,实现精密加工 软件控制。成形系统的加工原理图如图1所示。 ②飞秒激光超强特性提供极高的瞬间功率,达到 平面扫描结合光束作逐点加工,直到同一高度加GW级,触发双光子吸收(Two- photon Absorption,TPA)。 工完毕,而后再纵向进给加工下一层面逐层累计,即双光子吸收使得利用低能量长波长的近红外光(1R)成 利用这种“积分”式的加工形式最终可以得到三维的微为可能,通常在800mm左右,线性吸收及 Rayleigh散 型结构,实现复杂形状固体自由微型制造, 射都比较小,激光在介质中的穿透性好,对大部分介质 从设计到立体结构加工完毕,该系统完全依靠都是透明的,光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部 CAD/CAM技术来实现其原理和SLA相类似:先设计的聚焦点,从而实现材料内部三维空间上任意部位的 三维立体结构模型,再对其进行层切处理,转化为一系深层次超精细加工。 列层状平面,每一层面含有立体结构对应高度截面上 ③聚合反应速度快,同等光子密度条件下双光子 的轮廓信息。结构设计信息和加工信息都包含在系统的聚合成形速度是单光子激光聚合速度的平方。双光 的CAD/CAM软件之 子聚合反应的引发速率、增长速率与光强平方成正比 2TPP三维零件微快速成形技术 连续光源(或单光子)聚合反应则仅是线性增长。 ④双光子非线性吸收激发的有效作用体积小,可 (1)发展现状2002年法国 Irene Wang实现了雕以完成物质体内的定点操作,空间分辨率高。双光子吸 刻分辨率为纳米级的1欧元硬币。日本大阪大学Kawa-收几率与入射光强的平方成正比,每层的净激发与该 a研究小组雕刻出一个红细胞大小(10m长、7um层距离焦点的平方成反比。如图2所示,双光子加工有 高)的公牛像,并在三维微流道的直接刻写成形技术独效光斑区远小于激光波长衍射的尺寸,具有空间选择 具优势,采用6光子近红外激光派以获得更高的加工精“点”聚合能力,使成形精度达到衍射极限的35%约几 度韩国开发了应用纳米复印(nRP)和真空压力差分纳米级191。而单光子聚合在光线通过的地方都会发 技术进行聚二甲硅氧烷模复制的制程,是微制造领域生聚合反应,是整体或面上的聚合。 中的快速原型与快速制模技术并在nRP技术的轮廓 ⑤基于快速成形技术,借鉴快速成形制造技术思 偏移算法(COA)上展开研究,以提高成形精度1314。 路。将三维实体分解成二维,逐层加工、堆积成形可以 南京理工大学制作了国内第一台微小机械光成形制作出中空截面相连通的零件和结构,直接从3DCAD 实验系统,采用光源为紫外激光器,成形精度可以达模型得到物理实体模型。 到:总体尺寸约为1cm以下,零件最小长度在10μm左 (3)双光子聚合工艺 右s。北京大学物理系的中型物理国家实验室对双光 ①TPP工艺流程及相应聚合原理主要有两种 子聚合微制造,成形直线在不同的聚焦高度、激光能量方式:1)负胶工艺,双光子吸收触媒触发催化低聚体聚 波动、扫描速度下相应保持平直、发生弯曲起皱、漂移合或聚合链交接耦合,未曝光的部分通过显影除去, 现象的机理以及对双光子聚合微制造成形的影响展开TPA曝光部分留下,即为所需实体结构;2)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 (2)技术优势 断裂的无规则降解,分子量变低,曝光部分材料将会 ①飞秒激光超快特性克服传统激光微加工技术热在溶液显影时被除去,留下中空结构两者的工艺 影响区限制加工精度的缺陷。热影响区D=κp2,其流程示意图如图3所示。 中K为材料传热系数,T为脉宽。飞秒光聚合反应过 ②TPP加工工艺的主要影响因素 程小于1n,热传导距离小,即在极短时间内注入的能 1)成形分辨率与固化单元,单元微机械加工中的 2006/2 机械制造44卷第498期战和 一 定 频 率 下 的加 工 脉 冲 数 是 一 致 的 。3个 方 向 上 的 运 动 和激 光 束 的通 断状 态 与 通 断 时 间 都 受 CAD／CAM 软件 控制 。成形 系统 的加 工 原理 图如 图 1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 CAD／CAM技 术来 实 现 。其 原 理 和 SLA相类 似 ：先设 计 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 CAD／CAM 软 件 之 内 11。 目 TPP三维零件微快速成形技术 (1)发 展 现 状 2002年 法 国 IreneWang实 现 了雕 刻分辨率 为 纳米级 的 1欧 元硬 币 。日本 大阪 大学 Kawa． ta研 究 小 组 雕 刻 出 一 个 红 细 胞 大 小 (10 m 长 、7 m 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 6光子 近红 外激 光 源 以获得 更高 的加 工精 度 n】。韩 国开 发 了应用 纳米 复 印 (nRP)和真空 压力 差分 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 nRP技术 的轮廓 偏 移算法 (COA)上 展开 研究 ，以提高 成形 精度 ……。 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 到 ：总 体 尺 寸 约 为 1cm 以 下 ，零 件 最 小 长 度 在 10 m 左 右 I 。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 ‘。 (2)技 术 优 势 ① 飞秒 激光 超快 特性 克 服传 统 激光 微加 工技 术热 影 响 区限制 加 工 精 度 的缺 陷 。热影 响 区 D= ，其 中 ，c为材料 传 热 系 数 ，．r为 脉 宽 。飞 秒 光 聚 合 反应 过 程小 于 1ns，热传 导距 离 小 ，即在极 短 时 问 内注 入 的能 100~／2 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 [71。 ② 飞 秒 激 光 超 强 特 性 提 供 极 高 的 瞬 间 功 率 ，达 到 GW 级 ，触 发 双 光 子 吸 Ilk(TwophotonAbsorption，TPA)。 双 光 子 吸 收 使 得 利 用 低 能 量 长 波 长 的 近 红 外 光 (IR)成 为 可 能 ，通 常 在 800nm左 右 ，线 性 吸 收 及 Rayleish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 。 ③ 聚 合 反应 速 度 快 ，同等 光 子 密 度 条件 下 双光 子 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 ¨】。 ④ 双 光 子非 线 性 吸收 激 发 的 有 效作 用 体 积 小 ，可 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 2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35％ 约 几 十纳 米 级 I9。而单 光 子 聚合 在 光 线 通 过 的地 方 都 会 发 生 聚合 反应 ，是整 体 或 面上 的聚合 。 ⑤ 基 于 快 速成 形 技术 ，借 鉴 快 速成 形 制 造 技术 思 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 )A3DCAD 模 型得 到物 理实 体模 型 。 (3)双 光 子 聚 合 工 艺 ① TPP工艺 流 程 及 相 应 聚 合 原理 主 要 有 两 种 方 式 ：1)负 胶 工 艺 ，双 光 子 吸 收 触 媒 触 发 催 化 低 聚 体 聚 合 或 聚 合 链 交 接 耦 合 ，未 曝 光 的 部 5-2"通 过 显 影 除 去 ， TPA 曝光 部 分 留下 ，即 为所 需 实 体 结 构 ；2)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 ~ ／d-~e)t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 3所 示 。 ⑦ TPP加 工工 艺 的主要 影 响 因素 1)成 形 分 辨率 与 固化 单 元 ，单 元微 机 械 加 工 中的 机械制造44卷 第498期 维普资讯 http://www.cqvip.com