一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形方法及裝置的製作方法

2023-10-29 05:18:02

專利名稱：一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微器件製造及微塑性成形技術領域，特指一種基於衍射微光學元件的 微器件的微塑性成形方法及裝置，其適用於微金屬器件的微塑性成形，特別適合於形狀較 為複雜的微器件成形，可以實現微器件的無模成形和批量化生產。
背景技術：
在科學技術飛速發展的今天，工業產品的微型化程度已經成為衡量一個國家製造 業水平的標準之一。面向MEMS的微機械加工技術和工藝目前大多是借用微電子的集成電 路工藝，主要依賴於深反應離子蝕刻、光刻、LIGA等微細加工技術，限制了加工材料的多樣 性。另外，由於採用矽基材料製作的微器件成形工藝複雜，周期長，設備投資大，而且成形的 矽基材料和金屬相比在機械性能方面相對遜色。可見研究適用於微器件成形的新材料和新 技術非常迫切。而微塑性成形技術具有高效率、高精度、無汙染、淨成形、低成本批量製造零 件的特點，為此，微塑性成形技術在微器件製造領域得到了很大發展，拓寬了該項技術的應 用範圍。國內外在微塑性成形方面研究較多有微擠壓、微壓印、微彎曲、微拉深、微衝壓、微 鍛、微軋制和微無模成形工藝，並對微塑性成形系統也進行了研究。日本學者Y. Saotome(J. Mater. Process. Tech. 2000，119 :307_311)設計和製造了具有一定實用意義的反擠壓微 成形機械系統，並利用微反擠成形技術製造出了齒高為ΙΟμπι的微齒輪(Microsystem Technologies. 2000,126-129)。經檢索國內外已有不少的關於微塑性成形的專利技術報 道，專利SuperplasticForming of Micro Components (微器件的超塑性成形方法)，批准號 為US6655575，其原理是採用摩擦生熱的方法將加工材料加熱到超塑性溫度範圍，與此同時 完成微成形過禾呈。專利Forming process of amorphous alloy material (非晶合金材料 的成形工藝)，批准號為US5324368，其原理是應用油浴或者加熱爐對材料加熱，並以靜水 壓力作為成形力對非結晶材料進行微成形。中國專利200510010099. 4、03132554. 8報導了 利用電加熱方式實行對微小工件的間接加熱後進行微塑性成形。基於傳統的塑性成形工藝的微彎曲、微拉伸、微擠壓、微拉延等新工藝迅速發展起 來，但成形後脫模問題一直是個難題。在宏觀尺度下的脫模方法如頂出、氣吹等在微器件脫 模時很容易損傷工件與模具，已經難以適用；而微成形中常用的脫模劑脫模方法由於難以 精確控制脫模劑厚度，對微成形的精度有一定影響；而將成形工件和模具一起浸泡在有機 溶劑的脫模方法，不但脫模時間長還會在工件和模具表面殘留有機溶劑；加熱模具和工件 到一定溫度，利用兩者間熱應力脫模的方法脫模還沒有形成實質性標準。江蘇大學張永康 等人在金屬板料的雷射衝擊成形實驗中取得成功，證明雷射的照射能對金屬產生衝擊力使 金屬產生塑性變形，並且衝擊力的能量是可控的，從而使得成形精度與成形形狀得到控制。 為雷射衝擊成形的無模成形技術提供了很多的理論依據，但這些研究局限在宏觀的金屬板 料無模成形，同時無法滿足形狀較為複雜件的加工要求。專利CN101249588A報導了採用大 功率脈衝雷射器，由雷射器發出的雷射束通過外光路系統分兩路分別傳輸到安裝在夾具中 的工件正反表面，通過改變雷射工藝參數來調製衝擊壓力的大小，對雙面帶能量吸收層和
3約束層的工件正反表面進行照射，產生雷射誘導的衝擊波作用使工件成形。但所使用的光 斑形狀無法改變，無法滿足形狀複雜工件的加工要求。專利CN100999038A報導了利用液晶 顯示屏作為掩膜，由雷射發生器產生雷射束照射在液晶屏上，液晶屏上顯示圖象阻斷雷射 通過，從而獲得不同空間分布的雷射能量分布，實現了金屬薄板的無模微塑性成形。但所使 用的液晶屏作為掩膜時，雷射能量受到液晶屏損壞閥值(2W/cm2，連續光波)的限制，並且當 雷射束透過液晶屏後，光能損耗很大，效率在25%左右。

發明內容
本發明的目的是提供一種克服上述專利的不足，快速而精密的微塑性無模成形的 方法和裝置，即一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形方法和裝置。能夠獲得既定形 狀的精確成形，並改善待加工工件的機械性能。本發明的特徵在於根據需成形零件形狀，設計製作衍射微光學元件(DOE)，並將其 作為雷射束調製整形元件，雷射器發出的一束雷射通過分光鏡後形成了兩束雷射，兩束激 光分別通過擴束系統、調製整形元件、聚焦系統，使得同時照射到待加工工件上、下表面的 雷射束光斑形狀類似於傳統模具上下模形狀，並與預知的成形零件形狀相適應，在雷射的 衝擊與熱作用下，對待加工區域進行加工，因加工過程中無需模具，最終實現了無模成形。 如圖4所示，a圖為擬加工工件形狀，b圖為所需的雷射束光斑形狀。本發明還提供一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形方法的裝置，是包括 雷射器、分光鏡、擴束系統A、B，調製整形元件A、B、聚焦系統A、B、反光鏡和夾緊裝置。上述所說的擴束系統A、B，聚焦系統A、B分別由不同焦距的凸透鏡和凹透鏡組成。 根據設計的功能需要，擴束系統、聚焦系統中，透鏡之間的距離由所需的成形形狀尺寸決 定，調節透鏡之間的距離，確保雷射束通過擴束系統、聚焦系統以後得到與預知成形形狀相 適應的光斑形狀。本發明中，調製整形元件為衍射微光學元件(DOE)，衍射微光學元件(DOE)是根據 惠更斯-菲涅耳原理波陣面上任一點均可視為能向外發射子波的子波源，波面前方空間 某一點的振動就是到達該點的所有子波的相干疊加。而衍射微光學元件(DOE)的表面具 有刻蝕的浮雕結構如圖5所示，浮雕結構表面的子波源發出的光波具有波程差導致各子波 的幹涉，從而形成所需的光斑形狀。設計與製作衍射微光學元件的方法可見相關文章或書 籍如論文衍射型雷射透射塑料焊接的衍射光學元件設計與分析(中國雷射，2009，36 (si) 161-165)，本發明不再詳細敘述。本發明中，雷射光束、擴束系統、調製整形元件、聚焦系統的軸心需保持在同一條 中心線上，避免雷射束在傳輸過程中發生偏移，保證得到預期想要形成的光斑形狀。雷射束 通過分光鏡後形成的兩束雷射的功率需保證一致性，以保證得到預期的成形結果。本發明具有如下技術優勢(1)雷射能量不受所採用的衍射光學元件(DOE)的限制，雷射通過DOE後，光能損 耗很小，效率可達98%以上，這樣便克服了上述專利中使用液晶屏所帶來的不足；(2)利用兩束調製整形後的雷射束，同時作用在待加工工件上、下表面，可獲得更 加精密的成形，可適應不同形狀無模成形的要求，大大降低了制模成本；(3)雷射微塑性成形是非接觸式的，塑性變形超快，成本低，效率高；
(4)雷射微塑性成形後，成形穩定無回彈，工件的機械性能得到了大幅度的提高。


圖1是根據本發明提出的基於衍射光學元件的雷射強無模成形的裝置示意圖。其 中1.雷射器；2.分光鏡；3.擴束系統A;4.調製整形元件A ;5.聚焦系統A ;6反光鏡A; 7.夾緊裝置；8.待加工工件；9.反光鏡C;10.聚焦系統B;ll.調製整形B;12.擴束系統 B ；13.反光鏡B圖2是根據本發明提出的基於衍射光學元件的雷射強無模成形流程3是夾緊裝置示意圖。其中8.待加工工件；14.鎖緊螺栓；15.下夾板；16.激 光吸收保護膜；17.水介質約束層；18.上夾板；19.光學玻璃；20.壓板；21.水槽圖4是擬加工工件形狀和所需的光斑形狀示意圖。其中a.擬加工工件形狀； b.所需的光斑形狀圖5是衍射微光學元件(DOE)表面浮雕結構圖。其中a.表面浮雕結構的二維形 貌圖；b.表面浮雕結構的三維輪廓圖
具體實施例方式本發明提出的一種基於衍射微光學元件的雷射強無模成形裝置如圖1所示。由激 光器、擴束系統、調製整形系統、聚焦系統和夾緊裝置組成。參照圖1、圖2、圖4實施過程具體如下(1)製作符合預期要求的一對衍射微光學元件(DOE)。根據預知圖形和雷射光束 波長採用合適的算法，如=Gerchberg-Saxton(GS)算法或楊-顧(YG)算法、爬山-模擬退火 混合優化算法設計衍射光學元件(DOE)。通過反應離子刻蝕技術(Reactive ion etching, RIE)、UV光刻技術(UV Photolithography)技術或雷射束直寫技術在對雷射束透明的片基 材料表面上進行刻蝕，產生多臺階微浮雕結構，形成所需的衍射微光學元件(DOE)，如圖5 所示。(2)將貼有雷射吸收保護膜的待加工工件裝夾在夾緊裝置上，雷射器發出的一束 雷射通過分光鏡後形成了兩束雷射，兩束雷射分別通過擴束系統、調製整形系統、聚焦系 統，最終形成了兩束雷射束光斑形狀類似於傳統模具上、下模形狀。(3)根據待加工工件的加工區域的尺寸、厚度、深度、選擇光斑直徑、雷射能量、衝 擊次數等工藝參數，將兩束雷射束同時照射到待加工工件的上、下表面。在雷射束的衝擊與 熱作用下，對待加工區域進行加工，加工過程中無需模具，實現了無模成型。圖3是用於裝夾待加工工件的夾緊裝置，包括上、下夾板，光學玻璃，水介質約束 層，壓板、水槽等。其中上、下夾板需對齊，保證開設的水槽能夠暢通；為防止水洩漏，在 上、下夾板連接處需添加密封圈。綜上所述，本發明將衍射微光學元件(DOE)的雷射光束整形技術融入到雷射成形 工藝，可以適應不同形狀成形要求，實現了微器件的無模成形和大批量，工藝簡單，一致性 好，適用於自動化生產，結合精密移動平臺可實現大面積陣列結構。因將調製整形後兩束激 光束同時作用在待加工工件上、下表面，實現了對待加工工件的無模成形，成形質量好，大 大降低了生產成本。
權利要求
一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形方法，其特徵在於；根據需成形零件形狀，設計製作衍射微光學元件(DOE)，將衍射光學元件作為雷射束調製整形元件，雷射器發出的一束雷射通過分光鏡後形成了兩束雷射，兩束雷射分別通過擴束系統、調製整形元件、聚焦系統，使得同時照射到待加工工件上、下表面的雷射束光斑形狀與傳統模具上下模形狀相似，並與待成形零件形狀相適應，在雷射的衝擊與熱作用下，對待加工區域進行加工，實現無模成形。
2.一種基於衍射微光學元件的強雷射無模成形的裝置，其特徵在於包括雷射器(1)、 分光鏡(2)、反光鏡A (6)、反光鏡B (13)、反光鏡C (9)、擴束系統A、B(3) (12)，調製整形元件 A、B(4) (11)、聚焦系統A、B(5) (10)和夾緊裝置(7)，並且分光鏡(2)、擴束系統A(3)、調製整 形元件A(4)、聚焦系統A(5)和反光鏡A(6)的軸心需保證在同一中心線上，反光鏡B(13)、 擴束系統B(12)、調製整形元件B(Il)、聚焦系統B(IO)和反光鏡C(9)的軸心需保證在同一 中心線上，避免雷射束在傳輸過程中發生偏移。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於；所述夾緊裝置(7)包括上夾板(18)，下夾 板(15)、光學玻璃(19)，水介質約束層(17)，壓板(20)、待加工工件(8)和水槽(21)；待加 工工件(8)位於水槽(21)中，並用壓板(20)固定，上壓板(18)之下和下壓板(15)之上都 設有光學玻璃(19)，保證上下雷射束能夠通過光學玻璃(19)照射在待加工工件(8)上，待 加工工件(8)上表面和下表面塗有雷射吸收保護膜(16)，水槽(21)中注入水作為約束層 (17)。
全文摘要
本發明涉及微器件製造及微塑性成形技術領域，特指一種基於衍射微光學元件的微器件的微塑性成形方法及裝置。其特徵在於根據需成形零件形狀，設計製作衍射微光學元件(DOE)，並將其作為雷射束調製整形元件，雷射器發出的一束雷射通過分光鏡後形成了兩束雷射，兩束雷射分別通過擴束系統、調製整形元件、聚焦系統，使得同時照射到待加工工件上、下表面的雷射束光斑形狀類似於傳統模具上下模形狀，並與預知的成形零件形狀相適應，在雷射的衝擊與熱作用下，對待加工區域進行加工，因加工過程中無需模具，最終實現了無模成形。本發明適用於微金屬器件的微塑性成形，特別適合於形狀較為複雜的微器件成形，可以實現微器件的無模成形和批量化生產。
文檔編號B23K26/42GK101920397SQ20101014995
公開日2010年12月22日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者劉會霞, 宋新華, 李品, 沈宗寶, 王霄, 王鶴軍, 許貞凱, 陳成, 陶茂科 申請人:江蘇大學