[發(fā)明專利]一種通過(guò)激光多次掃描燒蝕在工件表面加工可控微溝槽的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010416857.7
• 申請(qǐng)日: 2020-05-15
• 公開（公告）號(hào): CN111438443B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 康正陽(yáng);楊宇驕;蘇小平;李智;周大雙;劉銳;鹿盈盈;繆小冬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/362
• 分類號(hào): B23K26/362;B23K26/08;B23K26/082
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針對(duì)現(xiàn)有激光燒蝕工藝難以精準(zhǔn)控制加工三維形貌的問題，本發(fā)明提出一種通過(guò)激光多次掃描燒蝕在工件表面加工可控微溝槽的方法，在工件表面加工出橫截面形狀精準(zhǔn)可控，形貌底部平滑的表面特征，屬于高能束特種加工領(lǐng)域。首先，根據(jù)目標(biāo)三維形貌，計(jì)算激光掃描路徑；然后，對(duì)待加工平整工件表面，以規(guī)劃的激光掃描路徑完成激光燒蝕加工。本發(fā)明適用于諸如超構(gòu)表面、微模具制造、生物芯片、柔性電子電路等對(duì)表面形貌或性能具有特殊要求的場(chǎng)景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種通過(guò)激光多次掃描燒蝕在工件表面加工可控微溝槽的方法，屬于特種制造以及高能束制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

激光燒蝕是一種現(xiàn)代精密加工方法，它是通過(guò)聚焦后激光束的高能量密度特性，配合高精度工件或光學(xué)元器件運(yùn)動(dòng)控制，按照預(yù)定路徑軌跡去除工件表層材料，以實(shí)現(xiàn)特定圖案紋理或表面形貌。與機(jī)加工方法相比，激光燒蝕加工沒有刀具損耗，而且加工尺度更小，精度更高；并且，經(jīng)過(guò)光學(xué)聚焦的激光束具有很高的功率密度，特別適用于在高硬度、高脆性材料表面加工出微小特征，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、金剛石等。

激光打標(biāo)是激光燒蝕的代表性應(yīng)用之一，與之類似的還有激光雕刻和激光直寫技術(shù)。這些技術(shù)運(yùn)用激光束與材料的相互作用，使材料表層或內(nèi)部發(fā)生顏色、形貌和性質(zhì)變化。近年來(lái)，激光燒蝕在超構(gòu)表面加工、表面微織構(gòu)化、微模具制造、生物芯片、柔性電子電路等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。例如：中國(guó)專利：CN201810832783，激光加工相互連通交匯的矩形截面微溝槽通道結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)液體在通道內(nèi)的混合反應(yīng)效率。又如：中國(guó)專利：CN201610926875，加工具有三階毛細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)液的輔助驅(qū)動(dòng)。再如：文獻(xiàn)-《聲學(xué)超構(gòu)材料》，物理，41卷，2012年第10期，闡述了通過(guò)亞波長(zhǎng)聲學(xué)單元結(jié)構(gòu)來(lái)控制聲場(chǎng)的相位及強(qiáng)度等分布，實(shí)現(xiàn)諸如聚焦、負(fù)折射、隱身地毯等功能，同時(shí)避免了體塊超構(gòu)材料內(nèi)部傳播的巨大損耗。

上述應(yīng)用對(duì)激光燒蝕加工提出新的工藝要求，例如：要求燒蝕表面沒有微觀裂紋，燒蝕尺度和精度達(dá)到微米或納米級(jí)，燒蝕形貌三維可控等。為滿足上述要求，也出現(xiàn)了一些激光燒蝕新工藝，如引用專利1至引用專利3所述。

引用專利1。中國(guó)專利：CN200910060866.0，一種測(cè)量加工一體化的激光三維打標(biāo)方法及裝置，公開了一種激光三維打標(biāo)方法；將目標(biāo)燒蝕形貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)化，通過(guò)CNC軟硬件系統(tǒng)控制激光束掃描軌跡，通過(guò)調(diào)控激光功率，在加工表面加工出不同的灰度值效果。

引用專利2。中國(guó)專利：201810699401.9，公開了一種三維曲面激光燒蝕方法；根據(jù)各分割區(qū)域的中心點(diǎn)法矢坐標(biāo)確定五軸機(jī)床的加工軌跡，完成曲面零件的激光燒蝕加工。

引用專利3。中國(guó)專利：201810237778.2，公開了一種圖案可控的激光剝離金屬薄膜的方法，它是利用激光器按照指定圖形對(duì)銀膜層進(jìn)行燒蝕，使得燒蝕后的銀膜層在玻璃基片上發(fā)生剝離形成銀模板。

上述文獻(xiàn)采用調(diào)整激光參數(shù)和激光掃描路徑的方法，實(shí)現(xiàn)不同輪廓、形狀和尺寸形貌的可控激光燒蝕加工。相較于調(diào)整激光參數(shù)，調(diào)控激光掃描路徑更為直接，后者通常包括分層法或搭接法。分層法是利用微小的激光光斑，分層剝離工件材料，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形貌在深度方向上的加工。搭接法是將激光光斑在加工表面搭接，實(shí)現(xiàn)工件表面復(fù)雜形貌紋理的加工。

本發(fā)明提出一種通過(guò)激光多次掃描燒蝕在工件表面加工可控微溝槽的方法，該方法的核心是以特定深度、寬度和橫截面輪廓的微溝槽形貌為目標(biāo)，運(yùn)用特定算法-燒蝕函數(shù)擬合法，確定優(yōu)化的激光掃描路徑；操控激光束按照激光掃描路徑進(jìn)行加工，在工件表面加工出目標(biāo)微溝槽形貌。

相較于未使用本發(fā)明方法加工的激光燒蝕微溝槽，本發(fā)明所加工微溝槽的橫截面形狀精準(zhǔn)可控，包括輪廓函數(shù)、微溝槽寬度、微溝槽深度，并且能夠顯著提升微溝槽底部平滑度。上述特性能夠極大擴(kuò)展激光燒蝕加工的應(yīng)用范圍及應(yīng)用效果。例如引用專利4的情形，就可以通過(guò)激光加工替代放電加工，提升加工效率，降低加工成本。