CN110253134A - 微纳加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微纳加工方法，涉及增材制造技术领域。所述微纳加工方法包括以下步骤：获取加工区域的形状；提供基底、基础薄膜以及与所述基础薄膜配合的掩膜版，所述基础薄膜具有所述加工区域，所述掩膜版具有与所述加工区域相同形状的透光区；在所述基底上叠置一所述基础薄膜，并在所述基础薄膜背对所述基底的一侧平行且间隔设置与所述基础薄膜配合的所述掩膜版；将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上；切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分。本发明旨在解决传统的微纳加工方法精度低的问题。

Description

微纳加工方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种微纳加工方法。

背景技术

高能束加工是指利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称，具有偏转扫描柔性好、无惯性的特点，能实现全方位加工，是近几年发展起来的先进技术。在计算机中将三维的零件模型图片划分为一系列的二维薄片，再通过控制高能束的运动轨迹，对材料进行加热、相变和融化，并逐层叠加，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。

传统的微纳加工中，多是利用激光逐步的扫描运动来对材料进行逐步的加工以完成对材料的微刻、加热等过程。但目前激光都是通过振镜来实现扫描的，而振镜作为机械部件运动有惯性和精度的影响，因而，在利用激光进行微纳加工时，常常会因为振镜的影响而降低加工精度。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种微纳加工方法，旨在解决传统的微纳加工方法精度低的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种微纳加工方法，所述微纳加工方法包括以下步骤：

获取加工区域的形状；

提供基底、基础薄膜以及与所述基础薄膜配合的掩膜版，所述基础薄膜具有所述加工区域，所述掩膜版具有与所述加工区域相同形状的透光区；

在所述基底上叠置一所述基础薄膜，并在所述基础薄膜背对所述基底的一侧平行且间隔设置与所述基础薄膜配合的所述掩膜版；

将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上；

切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分。

可选地，所述基础薄膜的厚度为10nm～50μm。

可选地，所述透光区的厚度为10nm～50μm。

可选地，所述基础薄膜的孔隙率不大于50％。

可选地，所述基础薄膜的材料包括PE、BOPP、PVA、PET、石墨烯材料以及金属材料中的一种或多种。

可选地，所述将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上的步骤中，所述激光束照射的频率为10^-3～10^-2S。

可选地，所述将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上的步骤中，所述激光束的直径不小于所述加工区域的最大直径。

可选地，所述获取加工区域的形状的步骤包括：

获取待加工零件的三维模型并确定所述三维模型的成形生长方向；

在所述成形生长方向上，将所述三维模型分层，获得多个顺序排列的虚拟层；

根据所述虚拟层的平面形状获取所述加工区域的形状。

可选地，所述在所述成形生长方向上，将所述三维模型分层，获得多个顺序排列的虚拟层的步骤中，所述虚拟层的厚度等于多个所述基础薄膜的叠加厚度，且所述多个所述基础薄膜均具有与所述虚拟层相同形状的所述加工区域。

可选地，所述切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分的步骤之后还包括：

在上一层所述基础薄膜上继续叠置下一层所述基础薄膜，并在所述下一层所述基础薄膜背对所述上一层所述基础薄膜的一侧平行且间隔设置与所述下一层所述基础薄膜配合的所述掩膜版；

将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述下一层所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述上一层所述基础薄膜上；

控制激光切除所述下一层所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分；

重复上述步骤至形成完整的待加工零件。

本发明技术方案中，通过将具有与加工区域相同形状透光区的掩膜版与激光束配合使用，使得激光束可以透过透光区直接照射到基础薄板上，并对基础薄板的加工区域同时进行加工，从而有效提高了加工效率；同时，利用这种方式将传统加工方法中因振镜等结构带来的误差因素转移到具有高精度的掩膜版上，从而提高了加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提出的微纳加工方法的一实施例的流程示意图；

图2为图1的结构示意图；

图3为本发明提出的微纳加工方法的另一实施例的流程示意图；

图4为三维模型与掩膜版的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	基底	4	激光发生器
2	基础薄膜	5	激光束
				21	加工区域	10	上圆柱
22	非加工区域	20	中圆柱
				3	掩膜版	30	下圆柱
31	透光区	301	第一掩膜版
				32	非透光区	302	第二掩膜版

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用材料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在计算机中将三维的零件模型图片划分为一系列的二维薄片，再通过控制高能束的运动轨迹，对材料进行加热、相变和融化，并逐层叠加，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。传统的微纳加工中，多是利用激光逐步的扫描运动来对材料进行逐步的加工以完成对材料的微刻、加热等过程。但目前激光都是通过振镜来实现扫描的，而振镜作为机械部件运动有惯性和精度的影响，因而，在利用激光进行微纳加工时，常常会因为振镜的影响而降低加工精度。

鉴于此，本发明提出微纳加工方法，采用该方法可以提高微纳加工的效率和精度。图1为本发明提出微纳加工方法的一实施例的流程示意图，请参阅图1，所述微纳加工方法的制备方法包括以下步骤：

步骤S10、获取加工区域的形状。

步骤S20、提供基底、基础薄膜以及与所述基础薄膜配合的掩膜版，所述基础薄膜具有所述加工区域，所述掩膜版具有与所述加工区域相同形状的透光区。

步骤S30、在所述基底上叠置一所述基础薄膜，并在所述基础薄膜背对所述基底的一侧平行且间隔设置与所述基础薄膜配合的所述掩膜版。

步骤S40、将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上。

步骤S50、切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分。

图2为本发明提出的微纳加工方法的一实施例的结构示意图。其中呈现了基础薄膜2、掩膜版3以及激光发生器4的相对位置关系。请参阅图2，本发明技术方案中：先在基底1上铺设一层基础薄膜2，该基础薄膜2具有加工区域21和非加工区域22，在进行加工之前先要获取加工区域21的形状并依据该加工区域21的形状设计掩膜版；掩膜版3水平放置在基础薄膜2的上方并与基础薄膜2间隔设置，该掩膜版3具有透光区31和非透光区32，所述透光区31的形状与加工区域21相同；激光发生器4设置在掩膜版3的上方，且其激光束5发射口竖直向下设置，当激光束5被发出时，激光束5与掩膜版3所在平面垂直。由于非透光区32可以阻挡激光穿过，因此只有照射在透光区31区域的激光顺利通过掩膜版3对基础薄膜2进行加工，如此，控制了激光照射范围，使激光照射范围恰好为加工区域21，从而使得激光可以同时加工基础薄板的加工区域21而无需逐步扫描，有效提高了加工效率，而且，由于加工区域21一体成型，也在一定程度上减少了零件加工时产生的内应力。此外，这样一来，就将传统加工方法中因振镜等结构带来的误差因素转移到掩膜版3上，而目前市面上的加工制造掩膜版3的技术已能精确到纳米级，从而提高了加工精度。

进一步地，为使激光照射范围恰好为加工区域21，从而使得激光可以同时加工基础薄板的加工区域21，本实施例中，采用的激光束5的直径不小于所述加工区域21的最大直径。必要时，可以在激光发生器4与掩膜版3之间增设激光扩束器以进一步增大激光束5直径。此外，所述激光束5照射的频率为10^-3～10^-2S，如此，可以进一步提高加工效率。

此外，为确保加工效果，透光区31以及基础薄膜2的厚度不宜过大，基础薄膜2的孔隙率不易过大本实施例中，所述基础薄膜2的厚度可以为10nm～50μm；而且基础薄膜2的孔隙率越低，加工的成品的致密度越高，本实施例中，所述基础薄膜2的孔隙率不大于50％。

本实施例中，采用基础薄膜2作为微纳加工的原材料，对比传统的粉末材料，采用薄膜材料可以使制成的成品的材质具有更好的均一性，质量更容易控制。其选材可以是任意一种可以由激光非接触加工的材料，本实施例中，优选PE、BOPP、PVA、PET、石墨烯材料以及金属材料中的一种或多种。

进一步地，基于图1、图2所示的实施例，提出本发明方法的另一实施例。图3为本发明方法的另一实施例的流程示意图；图4为待加工零件的三维模型以及制作该零件所需要的掩膜版。图4中，(a)为零件三维模型的主视图；(b)为零件三维模型的俯视图；(c)为第一掩膜版的俯视图；(d)为第二掩膜版的俯视图。

请参阅图3，在实施步骤S10时，可以通过如下步骤实现：

步骤S11、获取待加工零件的三维模型并确定所述三维模型的成形生长方向；

步骤S12、在所述成形生长方向上，将所述三维模型分层，获得多个顺序排列的虚拟层；

步骤S13、根据所述虚拟层的平面形状获取所述加工区域的形状。

本实施例中，对于需要加工的零件，先通过计算机建立起该零件的三维模型，再通过程序模拟将该三维模型沿成形生长方向切割分层，形成可以组成三维模型的多个虚拟层，这些虚拟层按成形生长方向排序，可以依次列为第1层虚拟层、第2层虚拟层……第n层虚拟层。为便于加工，虚拟层的厚度可以为10nm～100μm。

需要说明的是，成形生长方向可以是任意方向，以图4(a)所示的零件为例，其成形生长方向可以是竖直方向上从下到上，也可以是从上到下。

此外，虚拟层的平面形状决定了加工区域21的形状。图4中，零件高H为400μm，包括上圆柱10、中圆柱20和下圆柱30。上圆柱10和下圆柱30的直径R1均为300μm，柱高H1、H2为100μm，中圆柱20的直径R2为100μm，柱高200μm。在分层时，可以沿从下至上的方向，将该零件切成厚度为10μm的40个虚拟层，也可以切成厚度不同的多个虚拟层。以厚度为10μm的40个虚拟层为例进一步说明，第1层虚拟层至第10层虚拟层以及第31层虚拟层至第40虚拟层的平面形状均为直径为300μm的圆形，其加工区域21同样为直径为300μm的圆形，基于此其对应的掩膜版为图4(c)所示的第一掩膜版301；第11层虚拟层至第30层虚拟层的平面形状均为直径为100μm的圆形，其加工区域21同样为直径为100μm的圆形，基于此其对应的掩膜版为图4(d)所示的第二掩膜版302。

本实施例中，虚拟层的厚度等于多个所述基础薄膜的叠加厚度，且所述多个所述基础薄膜均具有与所述虚拟层相同形状的所述加工区域。

在具体实施时，基于上述40个虚拟层，可以建立40个厚度同样为10μm的基础薄膜2，每个基础薄膜2对应一个虚拟层，当将这40个基础薄膜2按照虚拟层的层叠顺序依次层叠熔接、并切除掉多余的部分后，即可以获得图4(a)所示的零件；也可以建立多于40个的基础薄膜2，使其中至少存在一个虚拟层能够对应多个基础薄膜2，例如可以建立1μm的基础薄膜2，这些基础薄膜2的加工区域21均为直径为100μm的圆形，那么10个这种基础薄膜2叠置即可获得一个直径为100μm的虚拟层。

进一步地，在步骤S50之后还包括：

步骤S60、在上一层所述基础薄膜上继续叠置下一层所述基础薄膜，并在所述下一层所述基础薄膜背对所述上一层所述基础薄膜的一侧平行且间隔设置与所述下一层所述基础薄膜配合的所述掩膜版；

步骤S70、将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述下一层所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述上一层所述基础薄膜上；

步骤S80、控制激光切除所述下一层所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分；

步骤S90、重复上述步骤至形成完整的待加工零件。

具体地，结合图4，本发明提出的微纳加工方法可以包括：

(1)建立待加工零件的三维模型并导入计算机，对三维模型从下往上进行逐层划分，获得每层厚度为20μm的虚拟层；

(2)根据(1)中得到的具有不同平面形状的虚拟层确定不同的加工区域21，共包括直径为300μm的圆形以及直径为100μm的圆形；据此制作与两种加工区域分别对应的第一掩膜版301和第二掩膜版302，第一掩膜版301和第二掩膜版302的透光区31厚度均为2μm，将第一掩膜版301和第二掩膜版302按对应的虚拟层顺序整理备用，其从下往上的顺序为第一掩膜版301-第二掩膜版302-第一掩膜版301；

(3)准备若40层厚度为10μm的基础薄膜2；

(4)在真空条件下，先在基底1上平铺一层基础薄膜2作为底层膜，开启激光发生器4使激光束5透过第一掩膜版301对底层膜进行10^-3S的照射，加工完毕后，底层膜的加工区域21熔接在基底上，再控制激光切除非加工区域22；

(5)在底层膜的基础上，叠置下一层基础薄膜2，根据该基础薄膜2对应的虚拟层选择对应的掩膜版3，激光照射后，切除该基础薄膜2的非加工区域22；

(6)在上一层基础薄膜的基础上，再覆盖下一层基础薄膜，根据该下一层基础薄膜对应的虚拟层选择对应的掩膜版3，激光照射后，切除该下一层基础薄膜的非加工区域22；

(7)重复步骤(6)，直到最后一层基础薄膜2加工完毕，获得如图4(a)所示的零件。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微纳加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取加工区域的形状；

提供基底、基础薄膜以及与所述基础薄膜配合的掩膜版，所述基础薄膜具有所述加工区域，所述掩膜版具有与所述加工区域相同形状的透光区；

在所述基底上叠置一所述基础薄膜，并在所述基础薄膜背对所述基底的一侧平行且间隔设置与所述基础薄膜配合的所述掩膜版；

将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上；

切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分。

2.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述基础薄膜的厚度为10nm～50μm。

3.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述透光区的厚度为10nm～50μm。

4.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述基础薄膜的孔隙率不大于50％。

5.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述基础薄膜的材料包括PE、BOPP、PVA、PET、石墨烯材料以及金属材料中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上的步骤中，所述激光束照射的频率为10^-3～10^-2S。

7.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述基底上的步骤中，所述激光束的直径不小于所述加工区域的最大直径。

8.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述获取加工区域的形状的步骤包括：

获取待加工零件的三维模型并确定所述三维模型的成形生长方向；

在所述成形生长方向上，将所述三维模型分层，获得多个顺序排列的虚拟层；

根据所述虚拟层的平面形状获取所述加工区域的形状。

9.如权利要求8所述的微纳加工方法，其特征在于，所述在所述成形生长方向上，将所述三维模型分层，获得多个顺序排列的虚拟层的步骤中，所述虚拟层的厚度等于多个所述基础薄膜的叠加厚度，且所述多个所述基础薄膜均具有与所述虚拟层相同形状的所述加工区域。

10.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述切除所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分的步骤之后还包括：

在上一层所述基础薄膜上继续叠置下一层所述基础薄膜，并在所述下一层所述基础薄膜背对所述上一层所述基础薄膜的一侧平行且间隔设置与所述下一层所述基础薄膜配合的所述掩膜版；

将激光束垂直照射所述掩膜版以使得所述下一层所述基础薄膜的所述加工区域熔接在所述上一层所述基础薄膜上；

控制激光切除所述下一层所述基础薄膜上所述加工区域以外的部分；

重复上述步骤至形成完整的待加工零件。