Сямэньский университет добился прорыва в области лазерного прецизионного производства
2025-09-10
Недавно команда профессора Чжоу Вэя из Института микро- и нанонаук и технологий им. Ся Бэндуна при Сямэньском университете в сотрудничестве с профессором Чжан Чжихуэй (Chi Fai Cheung) и ассистент-профессором Ван Чуньцзинь из Государственной ключевой лаборатории сверхточной обработки при Политехническом университете Гонконга достигла важного прогресса в технологии лазерной обработки прозрачных полимерных материалов с формированием высокоточных трёхмерных микроструктур.
Команда предложила и экспериментально подтвердила новый метод «моделируемой трёхмерной динамической фокусировки лазера» (3D-DFL). Он позволяет в реальном времени регулировать положение лазерного фокуса, обеспечивая высокую точность и согласованность при изготовлении сложных микроструктур.
Результаты исследования опубликованы в международном ведущем журнале в области станкостроения и производства International Journal of Machine Tools and Manufacture под названием «Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers».
Исследовательский фон
Прозрачные гибкие полимеры благодаря своей высокой оптической прозрачности, гибкости и биосовместимости находят широкое применение в таких передовых областях, как микрофлюидные чипы, гибкая электроника, функциональные поверхности и биомедицина. Введение трёхмерных микроструктур позволяет значительно улучшить их механические свойства, оптические характеристики и гидродинамические параметры, наделяя материал новыми функциями.
Однако мягкость, склонность к деформациям и низкая теплопроводность таких полимеров приводят к серьёзным проблемам в процессе обработки — к упругому отскоку, тепловой аккумуляции, прилипанию инструмента и коллапсу структуры, что существенно снижает качество формовки и воспроизводимость. Следовательно, создание высокоточных 3D-микроструктур на поверхности полимерных материалов остаётся сложнейшей задачей.
На сегодняшний день основная технология — метод шаблонного копирования — хотя и обеспечивает высокую точность, но отличается сложностью процесса, высокой стоимостью и длительным циклом, что затрудняет удовлетворение потребностей в индивидуализации и быстрой итерации. Новые методы, такие как 3D-печать и двухфотонная полимеризация, всё ещё сталкиваются с компромиссами в области разрешения и совместимости с материалами. Традиционная 2D-лазерная обработка также имеет ограничения: фиксированная фокальная плоскость не позволяет компенсировать смещение фокуса во время обработки, что приводит к неточному распределению энергии.
Таким образом, возникает острая необходимость в технологии микроструктурной обработки, которая совмещает высокую точность, эффективность и широкую совместимость с материалами, чтобы удовлетворить стремительное развитие устройств на основе прозрачных гибких полимеров.
Ключевые научные задачи и пути их решения
Содержание исследования
В ответ на вышеуказанные вызовы исследовательская группа предложила универсальную стратегию трёхмерной динамической фокусировки лазера (3D-DFL) для изготовления микроструктур. Данная стратегия предусматривает оперативную регулировку глубины фокусировки лазера с целью динамической компенсации смещения фокуса, возникающего из-за неровностей структуры в процессе обработки. Это обеспечивает высокую согласованность и высокую точность трёхмерного осаждения энергии и формирования микроструктур в прозрачных полимерах.
Для реализации стратегии 3D-DFL была разработана предсказательная модель лазерного абляционного проникновения, применимая к различным типам лазеров и материалов. Кроме того, проведено систематическое исследование механизмов взаимодействия лазера и материала в условиях динамической фокусировки, что позволило выявить влияние смещения фокуса в прозрачной среде на качество поверхности и точность обработки.
В качестве типичных материалов для исследования были выбраны полидиметилсилоксан (Polydimethylsiloxane, PDMS) и полиэтилентерефталат (Polyethylene terephthalate, PET).
Конкретное содержание работы следующее:
(1) Трёхмерная система динамической фокусировки лазера
В данной работе была создана трёхмерная система динамической фокусировки лазера (см. рис. 2). В системе используется инфракрасный пикосекундный лазер с длиной волны 1064 нм. Луч сначала проходит через расширитель для коллимации, затем угол расходимости пучка регулируется в реальном времени при помощи системы вогнуто-выпуклых линз. С помощью регулируемого фокусирующего модуля по оси Z обеспечивается оперативная настройка фокуса в диапазоне ±10 мм.
Система, в комбинации с высокоскоростными XY-сканирующими зеркалами и объективом F-Theta, позволяет реализовать бесконтактную высокоточную обработку трёхмерных микроструктур, обладая превосходной стабильностью фокусировки и высокой согласованностью обработки.
Система и принцип работы 3D-динамической фокусировки лазера:
1.схематическая диаграмма настройки системы;
2.принцип работы динамической фокусировки;
3.результаты моделирования оптического тракта трёхосной лазерной сканирующей системы на основе предложенной установки для лазерного изготовления.
(2) Традиционный метод двумерной лазерной обработки и метод трёхмерной динамической фокусировки лазера
При обработке микроструктур в прозрачных полимерах традиционная 2D-лазерная технология использует фиксированное фокусное положение, осуществляя локальное удаление материала на разных участках и глубинах за счёт регулирования энергии. Такой подход приводит к неравномерному распределению энергии, что часто вызывает ступенчатые края и шероховатость структуры. Сравнительные эксперименты показали, что хотя 2D-лазер способен формировать определённый трёхмерный рельеф, он требует сложного контроля энергии и не позволяет избежать дефектов.
Предложенная же технология 3D-DFL регулирует высоту фокуса лазера синхронно с процессом, обеспечивая точную обработку каждого слоя и равномерное распределение энергии. По сравнению с 2D-лазером, 3D-DFL демонстрирует значительно более высокую гладкость и геометрическую точность при создании сложных структур, например конических. Микроскопические изображения подтверждают чёткие, бездефектные края, что подчёркивает значительные преимущества метода.
Сравнение традиционной 2D-лазерной и 3D-DFL технологий:
1.схема процесса изготовления с фиксированным фокусным положением (2D-лазер);
2.схема траектории конической микроструктуры при 2D-лазерной обработке (слева), 3D-визуализация (справа) и (c) изображение СЭМ;
3.схема процесса смещения фокальной плоскости при 3D-динамической фокусировке лазера;
4.траектория изготовления конической микроструктуры при 3D-лазере (слева), 3D-визуализация (справа) и (f) изображение СЭМ.
(3) Точность теоретического моделирования и точность изготовления
Теоретическая модель предсказания представлена в уравнении (1):
В уравнении: ω — радиус пучка в фокусе, f — частота лазера, v — скорость сканирования, d_line — расстояние между линиями сканирования, P — мощность лазера, F_th — порог абляции, α — коэффициент поглощения материала, ξ — поправочный коэффициент.
Путём экспериментального определения порога абляции материала и коэффициента поглощения можно точно прогнозировать глубину абляции. Модель была проверена на типичных полимерных материалах PDMS и PET, при этом средняя абсолютная процентная ошибка (MAPE) составила 5,99% и 2,68% соответственно (см. рисунок 4).
Команда также спроектировала пирамидальные структуры различных размеров для оценки точности 3D-лазерной обработки с динамическим фокусом. Результаты показали, что увеличение высоты структуры приводит к накоплению абсолютной ошибки, но после нормализации значения пиковых и долин (PV) остаются ниже 8%, а среднеквадратичная ошибка (RMS) — ниже 3%, что демонстрирует высокую точность обработки (см. рисунок 5).
Рисунок 4. Анализ точности прогнозирования теоретической модели: (a–c) Сравнение экспериментальных и прогнозируемых значений для материала PDMS; (d–f) Сравнение экспериментальных и прогнозируемых значений для материала PET.
Анализ ошибок точности изготовления.
(4) Производство микроструктур и их применение
Для проверки гибкости и универсальности технологии 3D-DFL исследовательская группа обработала различные типы полимерных подложек с различными свойствами материалов (например, порог абляции, коэффициент поглощения), включая PDMS и PET, с целью создания различных типов трехмерных микроструктур, таких как выступающие и впадинные структуры (см. Рис. 6–8). Этот эксперимент продемонстрировал как адаптивность 3D-DFL к многоматериальным системам, так и проверил стабильность процесса и переносимость теоретической модели.
Обработка сложных трёхмерных микроструктур на подложке из PDMS
Обработка сложных трёхмерных микроструктур на подложке из PET
Для дальнейшего подтверждения практической применимости предложенного метода представлены несколько типичных примеров использования микроструктур, охватывающих области гибких сенсоров, микрофлюидики и функциональных поверхностей (см. рис. 9). Эти примеры демонстрируют масштабируемость и адаптивность метода в реальных инженерных сценариях, подчёркивая его потенциал для промышленного применения.
Применение микроструктур, изготовленных методом 3D-DFL: (a–c) применение в пьезорезистивных датчиках давления; (d–f) применение в микрофлюидных чипах; (g–h) управление каплями.
Предложенная технология 3D-DFL предоставляет универсальное решение ключевых задач лазерной обработки прозрачных материалов. Она не только преодолевает технические барьеры высококачественной и индивидуализированной обработки гибких прозрачных устройств, но и обладает потенциалом расширения на труднообрабатываемые материалы, такие как полупрозрачная керамика и биоматериалы. Эта технология производства может быть широко применена в следующем поколении носимых устройств, интеллектуальных сенсорах и передовых биомедицинских областях.
