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365bet官网在脉冲激光高速微细加工方面取得进展
编辑:365bet体育在线投注,日期:2014-07-03

  激光微加工技术具有非接触、加工材料范围广、精度高、重复率高、热影响区域小、形状与尺寸加工柔性高等优点,广泛应用于微机械,微电子器件,医疗器械,航空精密制造等领域。目前,研究超短脉冲激光的微加工,大多数使用的是低功率激光(P<30W)。与低功率激光相比,高功率超短脉冲激光有更高的加工能力,但目前关于高功率超短脉冲激光材料去除加工的研究较少,特别是高于100W的激光功率。 

  中科院365bet官网先进制造所张文武带领的激光与智能能量场制造工程团队,在自主研发的开放式五轴联动数控系统基础上,与二轴扫描振镜结合,开发出五轴联动300W皮秒激光加工和40W纳秒激光加工系统。利用300W皮秒激光加工系统,团队在铜,铝,石英等材料上加工微槽,分析了不同加工参数条件对微槽宽度及深度的影响。该成果为焦俊科、阮亮、张天润、张文武共同完成,并在美国底特律ASME 2014 Manufacturing Science andEngineering Conference上能量场制造论坛作为主题报告加以报道,引起与会学者广泛兴趣。 

  该研究推动了高速微纳米加工技术的发展和应用。由于将微细加工的速度相对于常规系统提高5-10倍,又很好地控制了热影响,结合自主研发的五轴平台和App界面,为大尺度复杂形体的激光精密加工奠定了基础。实验条件在2-20MHz时,最大的激光功率为300W,波长为1064nm,频率调整范围为400KHz-20MHz。激光束反射到扫描振镜中,聚焦光斑约为40-75um。微加工路径由扫描振镜控制,最大速度为10m/s。研究表明,高功率皮秒激光是一种微加工的有效工具,不同的扫描层,激光功率,扫描速度下,材料去除效率不同。研究对比了纳秒激光和皮秒激光的加工效率,发现皮秒激光要高于纳秒激光的加工效率,如图所示,皮秒激光的单位能量的材料去除率在一定深度范围内是对比纳秒激光的两倍以上。团队利用共聚焦显微镜对微槽加工结果进行精确测量(图3)。测量精度XY方向达到140纳米以下,Z向达到小于10纳米。沟槽的粗糙度、加工的三维形状和去除体积得以高可靠性测量。 

  论文进一步揭示了激光脉冲能量、平均功率等对材料去除率的影响,并指出单脉冲能量与加工的深度能力密切相关。超短脉冲激光器的深度能力适合于小于3毫米的微细加工,高效率的大深度微细加工需要进一步的工艺突破。团队下一步将探索水助激光加工,进一步提高脉冲激光的加工深度能力。

 

五轴联动高功率皮秒激光加工系统

 

皮秒激光与纳秒激光加工材料去除效率对比

 

 共聚焦激光扫描显微镜测试的微槽尺寸

                                                        (先进制造所)

 

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