CN111069779B - 一种激光冲击成形超疏水微零件的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击成形超疏水微零件的装置及其方法，属于激光微加工及金属材料表面加工技术领域，通过在模具表面预先加工出微凹织构，在激光冲击波的作用下，工件在微成形的同时能够精确制备出表面微凸起织构用于调控微零件的润湿性。这些微凸起特征是通过冲击压力诱导的塑性变形得到的，所以这些微织构的晶粒得到了细化，其力学性能得到了增强提高了微织构表面的耐用性。掩模系统可对工件的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，分别完成微成形和微裁剪操作，从而在一次装夹下可直接制造微零件。本发明可以直接制造具有可控润湿性的微零件,加工过程具有效率高和精度高的特点，而且加工出的表面微凸起特征具有很好的耐用性。

Description

一种激光冲击成形超疏水微零件的装置及其方法

技术领域

本发明属于激光微加工与金属材料表面加工技术领域，具体涉及到一种激光冲击成形超疏水微零件的方法及其装置。

背景技术

超疏水表面在自清洁、防雾、抗结冰结霜、耐腐蚀、响应开关、油水分离、液体无损转移、液体运输、血液相容材料等方面具有广泛的应用价值。材料表面的超疏水性能主要由材料的表面能和材料表面微观结构决定，材料表面微观结构的影响远大于材料的表面能。目前工程金属材料的超疏水表面的加工方法可分为物理法和化学法。物理法包括电火花线切割法、激光刻蚀法、微切削法等。化学法包括电化学溶解法、阳极氧化法、电化学沉积法、化学溶解法、化学沉积法、热氧化法等。化学方法存在着原料昂贵、加工复杂、难以控制等缺点，同时通过物理法或化学法得到的超疏水表面(或者涂层)长期暴露在空气中或受到流体的粘附作用，其表面结构的疏水性能会变差甚至丧失，所以超疏水表面(或者涂层)的微观形貌的耐用性和稳定性影响着其在实际生产和生活的应用。制备耐用性超疏水表面是目前亟待解决的重要问题。

发明内容

目前，超疏水表面的制备精度、超疏水表面的制备耐用性及效率存在很多问题，为了解决上述技术问题，本发明将激光冲击微成形技术引入极端润湿性表面制备领域，在微成形的同时制备超疏水表面。具体的，通过设计微模具精确制备出表面微凸起织构用于调控微零件的润湿性；通过设计掩模系统，对工件原材的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，分别完成微成形和微裁剪操作，从而实现了在一次装夹下直接制造微零件，提高制备的效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种实现激光冲击成形超疏水微零件的装置，包括激光加载系统、掩模系统和成形系统；所述激光加载系统包括激光器控制器、纳秒激光器和聚焦透镜；所述纳秒激光器发出的激光光束经过聚焦透镜聚焦后进入掩模系统整形，整形后的激光束辐射在成形系统上对待加工工件进行加工。

进一步的，所述成形系统从上至下包括环形光学介质、吸收层薄膜、聚氨酯软膜、橡皮泥和隔离层薄膜；所述隔离层薄膜下方设置有微模具，所述微模具上设置有工件原材；所述微模具设置在三维移动平台上。

进一步的，所述微模具包括中心的成形区与两边的裁剪区，其中，成形区为凸字形结构，裁剪区为凹形结构。

进一步的，所述微模具成形区表面有预加工出的微凹结构。

进一步的，所述微模具外侧壁上套装有隔离垫圈。

进一步的，所述掩模系统包括掩模支架、第一掩模托盘和第二掩模托盘；所述第一掩模托盘和第二掩模托盘均可在掩模支架上滑动至成形系统正上方。

进一步的，所述第一掩模托盘和第二掩模托盘上分别设置有第一掩模板和第二掩模板；在激光加工过程中，所述第一掩模板和第二掩模板分别对应微模具的成形区与剪裁区，第一掩模板和第二掩模板用于整形要辐照到成形区与裁剪区的激光束。

进一步的，所述隔离层薄膜为聚乙烯薄膜，厚度0.05mm-0.1mm，用于将工件废料和成形工件与橡皮泥分开。

一种激光冲击成形超疏水微零件的制备方法，包括如下步骤：

S1:在微模具上先加工出成形区和裁剪区，即成形特征和裁剪特征，然后在成形区的表面加工出微凹织构；

S2:将光学介质、吸收层薄膜、聚氨酯软膜、橡皮泥、隔离层薄膜、工件原材、隔离垫圈、微模具按照从上到下的顺序组装在三维移动平台上；

S3:设置运动控制器将第一掩模托盘和第一掩模板沿着掩模支架运动到成形系统上方，接着激光器控制器控制纳秒激光器发出激光束，激光束经过第一掩模板后作用在工件的成形特征区域；

S4:设置运动控制器将第一掩模托盘和第一掩模板沿着掩模支架移动到其初始位置，然后将第二掩模托盘和第二掩模板沿着掩模支架运动到成形系统上方，接着激光器控制器控制纳秒激光器发出激光束，激光束经过第二掩模板后作用在工件的裁剪特征区域；

S5:设置运动控制器将第二掩模托盘和第二掩模板沿着掩模支架移动到其初始位置，将成形工件从成形系统中取出。

有益效果：

1.通过在微模具表面预先加工出微凹织构，在激光冲击波的作用下，工件在微成形的同时能够精确制备出表面微凸起织构用于调控微零件的润湿性，微凸起特征是通过冲击压力诱导的塑性变形得到的，所以这些微织构的晶粒得到了细化，其力学性能得到了增强，从而提高了微织构表面的耐用性。本发明中的掩模系统可对工件的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，分别完成微成形和微裁剪操作，从而在一次装夹下可直接制造微零件。本发明可以直接制造具有可控润湿性的微零件，加工过程具有效率高和精度高的特点，而且加工出的表面微凸起特征具有很好的耐用性。

2.本发明将激光冲击成形技术引入极端润湿性表面制备领域，通过激光冲击的方法在零件表面形成微凸起织构，与目前现有的工程金属材料极端润湿性表面的加工方法相比具有以下有益效果：(1)效率高：将微零件成形和极端润湿性表面制备集成在一起加工；(2)精度高：零件表面的微观结构可以通过在微模具表面预先加工的微凹织构得到精确控制；(3)耐用性好：金属零件表面高应变率塑性变形使得金属表层的晶粒得到细化，提高了零件表面微观结构的力学性能(硬度和强度等)，从而增加了超疏水表面的耐用性。

3.隔离层薄膜为聚乙烯薄膜，厚度0.05mm-0.1mm,其功能是便于工件废料和成形工件与橡皮泥分开。

4.橡皮泥厚度为0.05mm-0.5mm，在激光冲击波的作用下，橡皮泥和隔离层薄膜会紧贴着工件变形，可以有效地防止工件原材高速碰撞微模具后产生反弹变形缺陷。

5.聚氨酯软膜厚度为0.1mm-0.5mm，聚氨酯软膜用来均化激光冲击波压力。

6.掩模系统中的第一掩模板和第二掩模板可以改变激光光束的作用区域，可对工件的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，从而分别完成微成形和微裁剪操作。

7.微模具外侧壁上套装的隔离垫圈用来支撑成形系统。

附图说明

图1为本发明涉及到的一种激光冲击成形超疏水微零件的装置的结构示意图；

图2为图1涉及到的微模具的微特征分布的示意图；

图3为图1涉及到的掩模系统俯视方向的示意图；

图4为图1涉及到的加工超疏水微零件后的成形系统示意图。

附图标记如下：

1-三维移动平台；2-微模具；3-隔离垫圈；4-工件原材；4-1-工件废料；4-2-成形工件；5-隔离层薄膜；6-橡皮泥；7-聚氨酯软膜；8-吸收层薄膜；9-光学介质；10-聚焦透镜；11-纳秒激光器；12-激光器控制器；13-运动控制器；14-掩模支架；15-第一掩模托盘；16-第一掩模板；17-第二掩模托盘；18-第二掩模板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合附图1，2，3，4所示为本发明所述的实现激光冲击成形超疏水微零件的装置及其方法的一种实施方式，所述装置包括激光加载系统、掩模系统、成形系统；

结合附图1所示，所述激光加载系统包括激光器控制器12、纳秒激光器11和聚焦透镜10，由纳秒激光器11发出的激光光束经过聚焦透镜10后进入掩模系统；所述成形系统包括环形光学介质9、吸收层薄膜8、聚氨酯软膜7、橡皮泥6、隔离层薄膜5、工件原材4、隔离垫圈3、微模具2和三维移动平台1。

结合附图3所示，所述掩模系统包括掩模支架14、第一掩模托盘15、第一掩模板16、第二掩模托盘17和第二掩模板18；第一掩模托盘15和第二掩模托盘17可在掩模支架14上前后移动。掩模系统中的第一掩模板和第二掩模板改变激光光束的作用区域，可对工件的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，从而分别完成微成形和微裁剪操作。

结合附图1，2，3，4所示，所述的掩模系统中的第一掩模板16和第二掩模板18可以改变激光光束的作用区域，进入掩模系统整形后的激光束辐射在成形系统上，可对工件的成形区域和裁剪区域分别施加不同的激光能量，从而分别完成微成形和微裁剪操作。所述三维移动平台1、第一掩模托盘15和第二掩模托盘17的运动由运动控制器13进行控制。

结合附图1，2，4所示，所述的微模具2成形特征表面预先加工出微凹织构，在激光冲击波的作用下，工件原材4在微成形的同时能够精确制备出表面微凸起织构用于调控微零件的润湿性。

结合附图1，4所示，所述的聚氨酯软膜7厚度为0.1mm-0.5mm，其功能是均化激光冲击波压力。所述的隔离层薄膜5为聚乙烯薄膜，厚度0.05mm-0.1mm,其功能是便于工件废料4-1和成形工件4-2与橡皮泥6分开。所述的橡皮泥6厚度为0.05mm-0.5mm，在激光冲击波的作用下，橡皮泥6和隔离层薄膜5会紧贴着工件变形，可以有效地防止工件原材4高速碰撞微模具2后产生反弹变形缺陷。

本发明还提供了一种激光冲击成形超疏水微零件的方法，包括如下步骤：

S1：在微模具2上先加工出成形特征和裁剪特征，然后在成形特征的表面加工出微凹织构；

S2：将光学介质9、吸收层薄膜8、聚氨酯软膜7、橡皮泥6、隔离层薄膜5、工件原材4、隔离垫圈3、微模具2按照从上到下的顺序组装在三维移动平台1上；

S3：设置运动控制器13将第一掩模托盘15和第一掩模板16沿着掩模支架14运动到成形系统上方，接着激光器控制器12控制纳秒激光器11发出激光束，激光束经过第一掩模板16后作用在工件的成形特征区域；

S4：设置运动控制器13将第一掩模托盘15和第一掩模板16沿着掩模支架14移动到其初始位置，然后将第二掩模托盘17和第二掩模板18沿着掩模支架14运动到成形系统上方，接着激光器控制器12控制纳秒激光器11发出激光束，激光束经过第二掩模板18后作用在工件的裁剪特征区域；

S5：设置运动控制器13将第二掩模托盘17和第二掩模板18沿着掩模支架14移动到其初始位置，将成形工件4-2从成形系统中取出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种实现激光冲击成形超疏水微零件的装置，其特征在于，包括激光加载系统、掩模系统和成形系统；所述激光加载系统包括激光器控制器(12)、纳秒激光器(11)和聚焦透镜(10)；所述纳秒激光器(11)发出的激光光束经过聚焦透镜(10)聚焦后进入掩模系统整形，整形后的激光束辐射在成形系统上对待加工工件进行加工；

所述成形系统从上至下包括环形光学介质(9)、吸收层薄膜(8)、聚氨酯软膜(7)、橡皮泥(6)和隔离层薄膜(5)；所述隔离层薄膜(5)下方设置有微模具(2)，所述微模具(2)上设置有工件原材(4)；所述微模具(2)设置在三维移动平台(1)上；所述微模具(2)包括中心的成形区与两边的裁剪区，其中，成形区为凸字形结构，裁剪区为凹形结构；所述掩模系统包括掩模支架(14)、第一掩模托盘(15)和第二掩模托盘(17)；所述第一掩模托盘(15)和第二掩模托盘(17)均可在掩模支架(14)上滑动至成形系统正上方；

所述第一掩模托盘(15)和第二掩模托盘(17)上分别设置有第一掩模板(16)和第二掩模板(18)；在激光加工过程中，所述第一掩模板(16)和第二掩模板(18)分别对应微模具(2)的成形区与剪裁区，第一掩模板(16)和第二掩模板(18)用于整形要辐照到成形区与裁剪区的激光束。

2.根据权利要求1所述的实现激光冲击成形超疏水微零件的装置，其特征在于，所述微模具(2)成形区表面有预加工出的微凹结构。

3.根据权利要求1所述的实现激光冲击成形超疏水微零件的装置，其特征在于，所述微模具(2)外侧壁上套装有隔离垫圈(3)。

4.根据权利要求1所述的实现激光冲击成形超疏水微零件的装置，其特征在于，所述隔离层薄膜(5)为聚乙烯薄膜，厚度0.05mm-0.1mm，用于将工件废料(4-1)和成形工件(4-2)与橡皮泥(6)分开；橡皮泥(6)厚度为0.05mm-0.5mm。

5.一种激光冲击成形超疏水微零件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:在微模具(2)上先加工出成形区和裁剪区，即成形特征和裁剪特征，然后在成形区的表面加工出微凹织构；

S2:将光学介质(9)、吸收层薄膜(8)、聚氨酯软膜(7)、橡皮泥(6)、隔离层薄膜(5)、工件原材(4)、隔离垫圈(3)、微模具(2)按照从上到下的顺序组装在三维移动平台(1)上；

S3:设置运动控制器(13)将第一掩模托盘(15)和第一掩模板(16)沿着掩模支架(14)运动到成形系统上方，接着激光器控制器(12)控制纳秒激光器(11)发出激光束，激光束经过第一掩模板(16)后作用在工件的成形特征区域；

S4:设置运动控制器(13)将第一掩模托盘(15)和第一掩模板(16)沿着掩模支架(14)移动到其初始位置，然后将第二掩模托盘(17)和第二掩模板(18)沿着掩模支架(14)运动到成形系统上方，接着激光器控制器(12)控制纳秒激光器(11)发出激光束，激光束经过第二掩模板(18)后作用在工件的裁剪特征区域；

S5:设置运动控制器(13)将第二掩模托盘(17)和第二掩模板(18)沿着掩模支架(14)移动到其初始位置，将成形工件(4-2)从成形系统中取出。

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