專利名稱：一種基于衍射微光學(xué)元件的強(qiáng)激光無(wú)模成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微器件制造及微塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于衍射微光學(xué)元件的 微器件的微塑性成形方法及裝置，其適用于微金屬器件的微塑性成形，特別適合于形狀較 為復(fù)雜的微器件成形，可以實(shí)現(xiàn)微器件的無(wú)模成形和批量化生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)產(chǎn)品的微型化程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造 業(yè)水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。面向MEMS的微機(jī)械加工技術(shù)和工藝目前大多是借用微電子的集成電 路工藝，主要依賴于深反應(yīng)離子蝕刻、光刻、LIGA等微細(xì)加工技術(shù)，限制了加工材料的多樣 性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，設(shè)備投資大，而且成形的 硅基材料和金屬相比在機(jī)械性能方面相對(duì)遜色?？梢?jiàn)研究適用于微器件成形的新材料和新 技術(shù)非常迫切。而微塑性成形技術(shù)具有高效率、高精度、無(wú)污染、凈成形、低成本批量制造零 件的特點(diǎn)，為此，微塑性成形技術(shù)在微器件制造領(lǐng)域得到了很大發(fā)展，拓寬了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng) 用范圍。國(guó)內(nèi)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、微沖壓、微 鍛、微軋制和微無(wú)模成形工藝，并對(duì)微塑性成形系統(tǒng)也進(jìn)行了研究。日本學(xué)者Y. Saotome(J. Mater. Process. Tech. 2000，119 :307_311)設(shè)計(jì)和制造了具有一定實(shí)用意義的反擠壓微 成形機(jī)械系統(tǒng)，并利用微反擠成形技術(shù)制造出了齒高為ΙΟμπι的微齒輪(Microsystem Technologies. 2000,126-129)。經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)外已有不少的關(guān)于微塑性成形的專利技術(shù)報(bào) 道，專利SuperplasticForming of Micro Components (微器件的超塑性成形方法)，批準(zhǔn)號(hào) 為US6655575，其原理是采用摩擦生熱的方法將加工材料加熱到超塑性溫度范圍，與此同時(shí) 完成微成形過(guò)禾呈。專利Forming process of amorphous alloy material (非晶合金材料 的成形工藝)，批準(zhǔn)號(hào)為US5324368，其原理是應(yīng)用油浴或者加熱爐對(duì)材料加熱，并以靜水 壓力作為成形力對(duì)非結(jié)晶材料進(jìn)行微成形。中國(guó)專利200510010099. 4、03132554. 8報(bào)導(dǎo)了 利用電加熱方式實(shí)行對(duì)微小工件的間接加熱后進(jìn)行微塑性成形?；趥鹘y(tǒng)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(fā)展起 來(lái)，但成形后脫模問(wèn)題一直是個(gè)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(shí)很容易損傷工件與模具，已經(jīng)難以適用；而微成形中常用的脫模劑脫模方法由于難以 精確控制脫模劑厚度，對(duì)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(jī) 溶劑的脫模方法，不但脫模時(shí)間長(zhǎng)還會(huì)在工件和模具表面殘留有機(jī)溶劑；加熱模具和工件 到一定溫度，利用兩者間熱應(yīng)力脫模的方法脫模還沒(méi)有形成實(shí)質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)。江蘇大學(xué)張永康 等人在金屬板料的激光沖擊成形實(shí)驗(yàn)中取得成功，證明激光的照射能對(duì)金屬產(chǎn)生沖擊力使 金屬產(chǎn)生塑性變形，并且沖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。 為激光沖擊成形的無(wú)模成形技術(shù)提供了很多的理論依據(jù)，但這些研究局限在宏觀的金屬板 料無(wú)模成形，同時(shí)無(wú)法滿足形狀較為復(fù)雜件的加工要求。專利CN101249588A報(bào)導(dǎo)了采用大 功率脈沖激光器，由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)分兩路分別傳輸?shù)桨惭b在夾具中 的工件正反表面，通過(guò)改變激光工藝參數(shù)來(lái)調(diào)制沖擊壓力的大小，對(duì)雙面帶能量吸收層和
3約束層的工件正反表面進(jìn)行照射，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的沖擊波作用使工件成形。但所使用的光 斑形狀無(wú)法改變，無(wú)法滿足形狀復(fù)雜工件的加工要求。專利CN100999038A報(bào)導(dǎo)了利用液晶 顯示屏作為掩膜，由激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束照射在液晶屏上，液晶屏上顯示圖象阻斷激光 通過(guò)，從而獲得不同空間分布的激光能量分布，實(shí)現(xiàn)了金屬薄板的無(wú)模微塑性成形。但所使 用的液晶屏作為掩膜時(shí)，激光能量受到液晶屏損壞閥值(2W/cm2，連續(xù)光波)的限制，并且當(dāng) 激光束透過(guò)液晶屏后，光能損耗很大，效率在25%左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(wú)模成形的 方法和裝置，即一種基于衍射微光學(xué)元件的強(qiáng)激光無(wú)模成形方法和裝置。能夠獲得既定形 狀的精確成形，并改善待加工工件的機(jī)械性能。本發(fā)明的特征在于根據(jù)需成形零件形狀，設(shè)計(jì)制作衍射微光學(xué)元件(DOE)，并將其 作為激光束調(diào)制整形元件，激光器發(fā)出的一束激光通過(guò)分光鏡后形成了兩束激光，兩束激 光分別通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形元件、聚焦系統(tǒng)，使得同時(shí)照射到待加工工件上、下表面的 激光束光斑形狀類似于傳統(tǒng)模具上下模形狀，并與預(yù)知的成形零件形狀相適應(yīng)，在激光的 沖擊與熱作用下，對(duì)待加工區(qū)域進(jìn)行加工，因加工過(guò)程中無(wú)需模具，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)模成形。 如圖4所示，a圖為擬加工工件形狀，b圖為所需的激光束光斑形狀。本發(fā)明還提供一種基于衍射微光學(xué)元件的強(qiáng)激光無(wú)模成形方法的裝置，是包括 激光器、分光鏡、擴(kuò)束系統(tǒng)A、B，調(diào)制整形元件A、B、聚焦系統(tǒng)A、B、反光鏡和夾緊裝置。上述所說(shuō)的擴(kuò)束系統(tǒng)A、B，聚焦系統(tǒng)A、B分別由不同焦距的凸透鏡和凹透鏡組成。 根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)中，透鏡之間的距離由所需的成形形狀尺寸決 定，調(diào)節(jié)透鏡之間的距離，確保激光束通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)以后得到與預(yù)知成形形狀相 適應(yīng)的光斑形狀。本發(fā)明中，調(diào)制整形元件為衍射微光學(xué)元件(DOE)，衍射微光學(xué)元件(DOE)是根據(jù) 惠更斯-菲涅耳原理波陣面上任一點(diǎn)均可視為能向外發(fā)射子波的子波源，波面前方空間 某一點(diǎn)的振動(dòng)就是到達(dá)該點(diǎn)的所有子波的相干疊加。而衍射微光學(xué)元件(DOE)的表面具 有刻蝕的浮雕結(jié)構(gòu)如圖5所示，浮雕結(jié)構(gòu)表面的子波源發(fā)出的光波具有波程差導(dǎo)致各子波 的干涉，從而形成所需的光斑形狀。設(shè)計(jì)與制作衍射微光學(xué)元件的方法可見(jiàn)相關(guān)文章或書(shū) 籍如論文衍射型激光透射塑料焊接的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)與分析(中國(guó)激光，2009，36 (si) 161-165)，本發(fā)明不再詳細(xì)敘述。本發(fā)明中，激光光束、擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形元件、聚焦系統(tǒng)的軸心需保持在同一條 中心線上，避免激光束在傳輸過(guò)程中發(fā)生偏移，保證得到預(yù)期想要形成的光斑形狀。激光束 通過(guò)分光鏡后形成的兩束激光的功率需保證一致性，以保證得到預(yù)期的成形結(jié)果。本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1)激光能量不受所采用的衍射光學(xué)元件(DOE)的限制，激光通過(guò)DOE后，光能損 耗很小，效率可達(dá)98%以上，這樣便克服了上述專利中使用液晶屏所帶來(lái)的不足；(2)利用兩束調(diào)制整形后的激光束，同時(shí)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(yīng)不同形狀無(wú)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觸式的，塑性變形超快，成本低，效率高；
(4)激光微塑性成形后，成形穩(wěn)定無(wú)回彈，工件的機(jī)械性能得到了大幅度的提高。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的基于衍射光學(xué)元件的激光強(qiáng)無(wú)模成形的裝置示意圖。其 中1.激光器；2.分光鏡；3.擴(kuò)束系統(tǒng)A;4.調(diào)制整形元件A ;5.聚焦系統(tǒng)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(tǒng)B;ll.調(diào)制整形B;12.擴(kuò)束系統(tǒng) B ；13.反光鏡B圖2是根據(jù)本發(fā)明提出的基于衍射光學(xué)元件的激光強(qiáng)無(wú)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(hù)膜；17.水介質(zhì)約束層；18.上夾板；19.光學(xué)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(xué)元件(DOE)表面浮雕結(jié)構(gòu)圖。其中a.表面浮雕結(jié)構(gòu)的二維形 貌圖；b.表面浮雕結(jié)構(gòu)的三維輪廓圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的一種基于衍射微光學(xué)元件的激光強(qiáng)無(wú)模成形裝置如圖1所示。由激 光器、擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和夾緊裝置組成。參照?qǐng)D1、圖2、圖4實(shí)施過(guò)程具體如下(1)制作符合預(yù)期要求的一對(duì)衍射微光學(xué)元件(DOE)。根據(jù)預(yù)知圖形和激光光束 波長(zhǎng)采用合適的算法，如=Gerchberg-Saxton(GS)算法或楊-顧(YG)算法、爬山-模擬退火 混合優(yōu)化算法設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件(DOE)。通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(Reactive ion etching, RIE)、UV光刻技術(shù)(UV Photolithography)技術(shù)或激光束直寫技術(shù)在對(duì)激光束透明的片基 材料表面上進(jìn)行刻蝕，產(chǎn)生多臺(tái)階微浮雕結(jié)構(gòu)，形成所需的衍射微光學(xué)元件(DOE)，如圖5 所示。(2)將貼有激光吸收保護(hù)膜的待加工工件裝夾在夾緊裝置上，激光器發(fā)出的一束 激光通過(guò)分光鏡后形成了兩束激光，兩束激光分別通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形系統(tǒng)、聚焦系 統(tǒng)，最終形成了兩束激光束光斑形狀類似于傳統(tǒng)模具上、下模形狀。(3)根據(jù)待加工工件的加工區(qū)域的尺寸、厚度、深度、選擇光斑直徑、激光能量、沖 擊次數(shù)等工藝參數(shù)，將兩束激光束同時(shí)照射到待加工工件的上、下表面。在激光束的沖擊與 熱作用下，對(duì)待加工區(qū)域進(jìn)行加工，加工過(guò)程中無(wú)需模具，實(shí)現(xiàn)了無(wú)模成型。圖3是用于裝夾待加工工件的夾緊裝置，包括上、下夾板，光學(xué)玻璃，水介質(zhì)約束 層，壓板、水槽等。其中上、下夾板需對(duì)齊，保證開(kāi)設(shè)的水槽能夠暢通；為防止水泄漏，在 上、下夾板連接處需添加密封圈。綜上所述，本發(fā)明將衍射微光學(xué)元件(DOE)的激光光束整形技術(shù)融入到激光成形 工藝，可以適應(yīng)不同形狀成形要求，實(shí)現(xiàn)了微器件的無(wú)模成形和大批量，工藝簡(jiǎn)單，一致性 好，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)，結(jié)合精密移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)大面積陣列結(jié)構(gòu)。因?qū)⒄{(diào)制整形后兩束激 光束同時(shí)作用在待加工工件上、下表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待加工工件的無(wú)模成形，成形質(zhì)量好，大 大降低了生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
一種基于衍射微光學(xué)元件的強(qiáng)激光無(wú)模成形方法，其特征在于；根據(jù)需成形零件形狀，設(shè)計(jì)制作衍射微光學(xué)元件(DOE)，將衍射光學(xué)元件作為激光束調(diào)制整形元件，激光器發(fā)出的一束激光通過(guò)分光鏡后形成了兩束激光，兩束激光分別通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形元件、聚焦系統(tǒng)，使得同時(shí)照射到待加工工件上、下表面的激光束光斑形狀與傳統(tǒng)模具上下模形狀相似，并與待成形零件形狀相適應(yīng)，在激光的沖擊與熱作用下，對(duì)待加工區(qū)域進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)無(wú)模成形。
2.一種基于衍射微光學(xué)元件的強(qiáng)激光無(wú)模成形的裝置，其特征在于包括激光器(1)、 分光鏡(2)、反光鏡A (6)、反光鏡B (13)、反光鏡C (9)、擴(kuò)束系統(tǒng)A、B(3) (12)，調(diào)制整形元件 A、B(4) (11)、聚焦系統(tǒng)A、B(5) (10)和夾緊裝置(7)，并且分光鏡(2)、擴(kuò)束系統(tǒng)A(3)、調(diào)制整 形元件A(4)、聚焦系統(tǒng)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(kuò)束系統(tǒng)B(12)、調(diào)制整形元件B(Il)、聚焦系統(tǒng)B(IO)和反光鏡C(9)的軸心需保證在同一 中心線上，避免激光束在傳輸過(guò)程中發(fā)生偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于；所述夾緊裝置(7)包括上夾板(18)，下夾 板(15)、光學(xué)玻璃(19)，水介質(zhì)約束層(17)，壓板(20)、待加工工件(8)和水槽(21)；待加 工工件(8)位于水槽(21)中，并用壓板(20)固定，上壓板(18)之下和下壓板(15)之上都 設(shè)有光學(xué)玻璃(19)，保證上下激光束能夠通過(guò)光學(xué)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護(hù)膜(16)，水槽(21)中注入水作為約束層 (17)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微器件制造及微塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于衍射微光學(xué)元件的微器件的微塑性成形方法及裝置。其特征在于根據(jù)需成形零件形狀，設(shè)計(jì)制作衍射微光學(xué)元件(DOE)，并將其作為激光束調(diào)制整形元件，激光器發(fā)出的一束激光通過(guò)分光鏡后形成了兩束激光，兩束激光分別通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)、調(diào)制整形元件、聚焦系統(tǒng)，使得同時(shí)照射到待加工工件上、下表面的激光束光斑形狀類似于傳統(tǒng)模具上下模形狀，并與預(yù)知的成形零件形狀相適應(yīng)，在激光的沖擊與熱作用下，對(duì)待加工區(qū)域進(jìn)行加工，因加工過(guò)程中無(wú)需模具，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)模成形。本發(fā)明適用于微金屬器件的微塑性成形，特別適合于形狀較為復(fù)雜的微器件成形，可以實(shí)現(xiàn)微器件的無(wú)模成形和批量化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/42GK101920397SQ20101014995
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者劉會(huì)霞, 宋新華, 李品, 沈宗寶, 王霄, 王鶴軍, 許貞凱, 陳成, 陶茂科 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)