CN101920397B

CN101920397B - 一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法及装置

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Publication number: CN101920397B
Application number: CN 201010149952
Authority: CN
Inventors: 刘会霞; 李品; 沈宗宝; 许贞凯; 王鹤军; 宋新华; 陶茂科; 陈成; 王霄
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101920397A

Abstract

本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于衍射微光学元件的微器件的微塑性成形方法及装置。其特征在于根据需成形零件形状，设计制作衍射微光学元件(DOE)，并将其作为激光束调制整形元件，激光器发出的一束激光通过分光镜后形成了两束激光，两束激光分别通过扩束系统、调制整形元件、聚焦系统，使得同时照射到待加工工件上、下表面的激光束光斑形状类似于传统模具上下模形状，并与预知的成形零件形状相适应，在激光的冲击与热作用下，对待加工区域进行加工，因加工过程中无需模具，最终实现了无模成形。本发明适用于微金属器件的微塑性成形，特别适合于形状较为复杂的微器件成形，可以实现微器件的无模成形和批量化生产。

Description

一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法及装置

技术领域

本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于衍射微光学元件的微器件的微塑性成形方法及装置，其适用于微金属器件的微塑性成形，特别适合于形状较为复杂的微器件成形，可以实现微器件的无模成形和批量化生产。

发明背景

在科学技术飞速发展的今天，工业产品的微型化程度已经成为衡量一个国家制造业水平的标准之一。面向MEMS的微机械加工技术和工艺目前大多是借用微电子的集成电路工艺，主要依赖于深反应离子蚀刻、光刻、LIGA等微细加工技术，限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的硅基材料和金属相比在机械性能方面相对逊色。可见研究适用于微器件成形的新材料和新技术非常迫切。而微塑性成形技术具有高效率、高精度、无污染、净成形、低成本批量制造零件的特点，为此，微塑性成形技术在微器件制造领域得到了很大发展，拓宽了该项技术的应用范围。

国内外在微塑性成形方面研究较多有微挤压、微压印、微弯曲、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺，并对微塑性成形系统也进行了研究。日本学者Y.Saotome(J.Mater.Process.Tech.2000，119：307-311)设计和制造了具有一定实用意义的反挤压微成形机械系统，并利用微反挤成形技术制造出了齿高为10μm的微齿轮(Microsystem Technologies.2000，126-129)。经检索国内外已有不少的关于微塑性成形的专利技术报道，专利SuperplasticForming of Micro Components(微器件的超塑性成形方法)，批准号为US6655575，其原理是采用摩擦生热的方法将加工材料加热到超塑性温度范围，与此同时完成微成形过程。专利Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形。

基于传统的塑性成形工艺的微弯曲、微拉伸、微挤压、微拉延等新工艺迅速发展起来，但成形后脱模问题一直是个难题。在宏观尺度下的脱模方法如顶出、气吹等在微器件脱模时很容易损伤工件与模具，已经难以适用；而微成形中常用的脱模剂脱模方法由于难以精确控制脱模剂厚度，对微成形的精度有一定影响；而将成形工件和模具一起浸泡在有机溶剂的脱模方法，不但脱模时间长还会在工件和模具表面残留有机溶剂；加热模具和工件到一定温度，利用两者间热应力脱模的方法脱模还没有形成实质性标准。江苏大学张永康等人在金属板料的激光冲击成形实验中取得成功，证明激光的照射能对金属产生冲击力使金属产生塑性变形，并且冲击力的能量是可控的，从而使得成形精度与成形形状得到控制。为激光冲击成形的无模成形技术提供了很多的理论依据，但这些研究局限在宏观的金属板料无模成形，同时无法满足形状较为复杂件的加工要求。专利CN101249588A报导了采用大功率脉冲激光器，由激光器发出的激光束通过外光路系统分两路分别传输到安装在夹具中的工件正反表面，通过改变激光工艺参数来调制冲击压力的大小，对双面带能量吸收层和约束层的工件正反表面进行照射，产生激光诱导的冲击波作用使工件成形。但所使用的光斑形状无法改变，无法满足形状复杂工件的加工要求。专利CN100999038A报导了利用液晶显示屏作为掩膜，由激光发生器产生激光束照射在液晶屏上，液晶屏上显示图象阻断激光通过，从而获得不同空间分布的激光能量分布，实现了金属薄板的无模微塑性成形。但所使用的液晶屏作为掩膜时，激光能量受到液晶屏损坏阀值(2W/cm²，连续光波)的限制，并且当激光束透过液晶屏后，光能损耗很大，效率在25％左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服上述专利的不足，快速而精密的微塑性无模成形的方法和装置，即一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法和装置。能够获得既定形状的精确成形，并改善待加工工件的机械性能。

本发明的特征在于根据需成形零件形状，设计制作衍射微光学元件(DOE)，并将其作为激光束调制整形元件，激光器发出的一束激光通过分光镜后形成了两束激光，两束激光分别通过扩束系统、调制整形元件、聚焦系统，使得同时照射到待加工工件上、下表面的激光束光斑形状类似于传统模具上下模形状，并与预知的成形零件形状相适应，在激光的冲击与热作用下，对待加工区域进行加工，因加工过程中无需模具，最终实现了无模成形。如图4所示，a图为拟加工工件形状，b图为所需的激光束光斑形状。

本发明还提供一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法的装置，是：包括激光器、分光镜、扩束系统A、B，调制整形元件A、B、聚焦系统A、B、反光镜和夹紧装置。

上述所说的扩束系统A、B，聚焦系统A、B分别由不同焦距的凸透镜和凹透镜组成。根据设计的功能需要，扩束系统、聚焦系统中，透镜之间的距离由所需的成形形状尺寸决定，调节透镜之间的距离，确保激光束通过扩束系统、聚焦系统以后得到与预知成形形状相适应的光斑形状。

本发明中，调制整形元件为衍射微光学元件(DOE)，衍射微光学元件(DOE)是根据惠更斯-菲涅耳原理：波阵面上任一点均可视为能向外发射子波的子波源，波面前方空间某一点的振动就是到达该点的所有子波的相干叠加。而衍射微光学元件(DOE)的表面具有刻蚀的浮雕结构如图5所示，浮雕结构表面的子波源发出的光波具有波程差导致各子波的干涉，从而形成所需的光斑形状。设计与制作衍射微光学元件的方法可见相关文章或书籍如论文衍射型激光透射塑料焊接的衍射光学元件设计与分析(中国激光，2009，36(s1)：161-165)，本发明不再详细叙述。

本发明中，激光光束、扩束系统、调制整形元件、聚焦系统的轴心需保持在同一条中心线上，避免激光束在传输过程中发生偏移，保证得到预期想要形成的光斑形状。激光束通过分光镜后形成的两束激光的功率需保证一致性，以保证得到预期的成形结果。

本发明具有如下技术优势：

(1)激光能量不受所采用的衍射光学元件(DOE)的限制，激光通过DOE后，光能损耗很小，效率可达98％以上，这样便克服了上述专利中使用液晶屏所带来的不足；

(2)利用两束调制整形后的激光束，同时作用在待加工工件上、下表面，可获得更加精密的成形，可适应不同形状无模成形的要求，大大降低了制模成本；

(3)激光微塑性成形是非接触式的，塑性变形超快，成本低，效率高；

(4)激光微塑性成形后，成形稳定无回弹，工件的机械性能得到了大幅度的提高。

附图说明：

图1是根据本发明提出的基于衍射光学元件的激光强无模成形的装置示意图。其中：1.激光器；2.分光镜；3.扩束系统A；4.调制整形元件A；5.聚焦系统A；6反光镜A；7.夹紧装置；8.待加工工件；9.反光镜C；10.聚焦系统B；11.调制整形B；12.扩束系统B；13.反光镜B

图2是根据本发明提出的基于衍射光学元件的激光强无模成形流程图

图3是夹紧装置示意图。其中：8.待加工工件；14.锁紧螺栓；15.下夹板；16.激光吸收保护膜；17.水介质约束层；18.上夹板；19.光学玻璃；20.压板；21.水槽

图4是拟加工工件形状和所需的光斑形状示意图。其中：a.拟加工工件形状；b.所需的光斑形状

图5是衍射微光学元件(DOE)表面浮雕结构图。其中：a.表面浮雕结构的二维形貌图；b.表面浮雕结构的三维轮廓图

具体实施方式：

本发明提出的一种基于衍射微光学元件的激光强无模成形装置如图1所示。由激光器、扩束系统、调制整形系统、聚焦系统和夹紧装置组成。

参照图1、图2、图4实施过程具体如下：

(1)制作符合预期要求的一对衍射微光学元件(DOE)。根据预知图形和激光光束波长采用合适的算法，如：Gerchberg-Saxton(GS)算法或杨-顾(YG)算法、爬山-模拟退火混合优化算法设计衍射光学元件(DOE)。通过反应离子刻蚀技术(Reactive ion etching，RIE)、UV光刻技术(UV Photolithography)技术或激光束直写技术在对激光束透明的片基材料表面上进行刻蚀，产生多台阶微浮雕结构，形成所需的衍射微光学元件(DOE)，如图5所示。

(2)将贴有激光吸收保护膜的待加工工件装夹在夹紧装置上，激光器发出的一束激光通过分光镜后形成了两束激光，两束激光分别通过扩束系统、调制整形系统、聚焦系统，最终形成了两束激光束光斑形状类似于传统模具上、下模形状。

(3)根据待加工工件的加工区域的尺寸、厚度、深度、选择光斑直径、激光能量、冲击次数等工艺参数，将两束激光束同时照射到待加工工件的上、下表面。在激光束的冲击与热作用下，对待加工区域进行加工，加工过程中无需模具，实现了无模成型。

图3是用于装夹待加工工件的夹紧装置，包括上、下夹板，光学玻璃，水介质约束层，压板、水槽等。其中：上、下夹板需对齐，保证开设的水槽能够畅通；为防止水泄漏，在上、下夹板连接处需添加密封圈。

综上所述，本发明将衍射微光学元件(DOE)的激光光束整形技术融入到激光成形工艺，可以适应不同形状成形要求，实现了微器件的无模成形和大批量，工艺简单，一致性好，适用于自动化生产，结合精密移动平台可实现大面积阵列结构。因将调制整形后两束激光束同时作用在待加工工件上、下表面，实现了对待加工工件的无模成形，成形质量好，大大降低了生产成本。

Claims

1.一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形的装置，其特征在于：包括激光器(1)、分光镜(2)、反光镜A(6)、反光镜B(13)、反光镜C(9)、扩束系统A、B(3)(12)，调制整形元件A、B(4)(11)、聚焦系统A、B(5)(10)和夹紧装置(7)，并且分光镜(2)、扩束系统A(3)、调制整形元件A(4)、聚焦系统A(5)和反光镜A(6)的轴心需保证在同一中心线上，反光镜B(13)、扩束系统B(12)、调制整形元件B(11)、聚焦系统B(10)和反光镜C(9)的轴心需保证在同一中心线上，避免激光束在传输过程中发生偏移；所述调制整形元件A(3)和调制整形元件B(11)为根据需成形零件形状设计制作的衍射微光学元件(DOE)，激光器(1)发出的一束激光通过分光镜(2)后形成了两束激光，一束激光分别通过扩束系统A(3)、调制整形元件A(4)、聚焦系统A(5)和反光镜A(6)照射到位于夹紧装置(7)中待加工工件(8)的下表面，另一束激光分别通过反光镜B(13)、扩束系统B(12)、调制整形元件B(11)、聚焦系统B(10)和反光镜C(9)照射到位于夹紧装置(7)中待加工工件(8)的上表面，激光束光斑形状与传统模具上下模形状相似，并与待加工工件(8)形状相适应，在激光的冲击与热作用下，对待加工区域进行加工，实现无模成形；所述夹紧装置(7)包括上夹板(18)，下夹板(15)、光学玻璃(19)，水介质约束层(17)，压板(20)、待加工工件(8)和水槽(21)；待加工工件(8)位于水槽(21)中，并用压板(20)固定，上压板(18)之下和下压板(15)之上都设有光学玻璃(19)，保证上下激光束能够通过光学玻璃(19)照射在待加工工件(8)上，待加工工件(8)上表面和下表面涂有激光吸收保护膜(16)，水槽(21)中注入水作为约束层(17)。