近日，廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院周偉教授團隊與香港理工大學超精密加工技術全國重點實驗室Chi Fai Cheung（張志輝）教授、王春錦助理教授合作，在透明聚合物材料高精度三維微結構激光加工技術方面取得重要突破。團隊提出并實證驗證了一種“模型驅動三維動態(tài)聚焦激光加工”（3D-DFL）新工藝，通過實時調控激光焦點，實現復雜微結構的高保真、高一致性制造。研究成果以題為“Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers”發(fā)表在機械制造領域國際頂級期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture。
研究背景 透明柔性聚合物因其優(yōu)異的光學透明性、柔韌性和生物相容性，廣泛應用于微流控芯片、柔性電子、功能表面和生物醫(yī)學等前沿領域。三維微結構的引入可以顯著提升其機械性能、光學特性和流體動力學性能，從而賦予材料一系列新功能。但由于其柔軟、易變形、導熱性差等特性，導致加工過程中常發(fā)生彈性回彈、熱積聚、工具粘附和結構坍塌，嚴重影響成型質量和重復性。由此可見，在聚合物材料表面構建高精度三維微結構始終面臨巨大挑戰(zhàn)。 目前主流的模板復制法雖精度高，但流程復雜、成本高、周期長，難以滿足定制化和快速迭代的需求；3D打印和雙光子聚合等新興方法則在分辨率、適配材料范圍等方面仍存在權衡；傳統2D激光加工工藝焦平面固定，難以應對因加工過程中焦點失配導致的能量沉積不準確的問題。因此，亟需一種兼顧精度、效率與材料兼容性的微結構加工技術，以滿足透明柔性聚合物器件快速發(fā)展的迫切需求。 圖1 關鍵的科學問題與解決方案 研究內容 針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種通用的三維動態(tài)聚焦激光（3D-DFL）微結構制造策略。該策略通過實時調整激光焦點深度，動態(tài)補償加工過程中因結構起伏產生的聚焦偏移，從而實現透明聚合物中高一致性、高保真度的三維能量沉積與微結構制造。為支撐3D-DFL策略的實施，建立了激光燒蝕深度預測模型，適用于不同類型的激光與材料。此外，還系統性研究了動態(tài)聚焦條件下的激光-材料相互作用機制，揭示了在透明介質中焦點偏移對表面質量、加工精度的影響。研究團隊以聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）為代表性材料案例開展相關研究。具體內容如下： （1）三維動態(tài)聚焦激光加工系統 本研究構建了一套三維動態(tài)聚焦激光加工系統（見圖2），采用1064?nm紅外皮秒激光，先經擴束準直，再由凹-凸透鏡組在線調節(jié)束散角，通過可調Z軸聚焦模塊實現±10?mm范圍內的焦點實時調整。系統結合XY高速振鏡與F-Theta鏡頭，實現非接觸式、高精度三維微結構加工，具備優(yōu)異的聚焦穩(wěn)定性與加工一致性。 圖2 3D動態(tài)聚焦激光加工系統與原理：(a)系統設置示意圖；(b)動態(tài)調焦的工作原理；(c)基于擬議激光制造裝置的三軸激光掃描系統的光路模擬結果 （2）傳統二維激光和三維動態(tài)聚焦激光制造方法 在透明聚合物微結構加工中，傳統2D激光工藝采用固定焦點，通過局部能量調控實現不同區(qū)域、不同深度的材料去除。這種方式能量分布不均，常導致邊緣呈階梯狀、結構粗糙。研究團隊對比實驗發(fā)現，盡管2D激光能實現一定的三維形貌，但需復雜能量控制，且難以避免加工瑕疵。而新提出的3D-DFL技術則通過同步調節(jié)激光焦點高度，實現每一層精準加工，保證激光能量均勻分布。與2D激光相比，3D-DFL在構建錐形等復雜結構時展現出更高的光滑度與幾何精度，顯微鏡圖像也證實其邊緣清晰、無缺陷，展現出顯著的加工優(yōu)勢。 圖3 傳統2D激光和3D-DFL工藝對比：（a）固定焦平面2D激光制造工藝示意圖；（b）2D激光加工的錐形微結構的軌跡示意圖（左）、3D視圖（右）和（c）SEM圖像；（d）3D動態(tài)聚焦激光焦平面偏移過程示意圖；（e）3D激光制造錐形微結構軌跡（左）、3D視圖（右）和（f）SEM圖像 （3）理論模型預測精度與制造精度 理論預測模型如式（1）所示： 式中，ω為束腰半徑、f為激光頻率、v為掃描速度、d_line為掃描線間距、P為激光功率、F_th為燒蝕閾值、α為材料吸收系數、ξ為修正系數。通過實驗獲取材料燒蝕閾值與材料吸收系數，即可實現精準預測燒蝕深度。利用該預測模型在代表性聚合物材料PDMS和PET上進行了驗證，預測結果的平均絕對百分比誤差（MAPE）分別為5.99%和2.68%（見圖4）。 團隊通過設計不同尺寸的金字塔結構，評估了3D動態(tài)聚焦激光加工的精度。結果表明結構高度增加會帶來絕對誤差累積，但歸一化后，峰谷（PV值）誤差均低于8%、均方根（RMS）誤差低于3%，展現出優(yōu)異的加工精度（見圖5）。 圖4 理論模型預測精度分析：(a-c) PDMS材料實驗結果與預測值對比；(d-f) PET材料實驗結果與預測值對比 圖5 制造精度誤差分析 （4）微結構制造及應用 為驗證3D-DFL技術的靈活性與通用性，研究團隊在具有不同材料屬性（如燒蝕閾值、吸收系數等）的聚合物基底PDMS和PET上，加工了多種類型的三維微結構，包括凸起與凹陷結構（見圖6–8）。該實驗不僅展示了3D-DFL在多材料體系中的適應能力，也對工藝穩(wěn)定性與理論模型的可遷移性進行了驗證。 圖6 PDMS基底上加工凸起和凹陷的不同類型的棱錐和棱臺微結構 圖7 PDMS基地上加工復雜三維微結構 圖8 PET基地上加工復雜三維微結構 為了進一步證明所提出方法的實際可行性，展示了多個典型微結構應用實例，涵蓋柔性傳感器、微流控與功能表面等領域（如圖9所示）。這些示例體現了方法在實際工程場景中的可擴展性與適應性，凸顯其產業(yè)應用潛力。 圖9 使用3D-DFL方法制造的微結構應用：(a-c) 壓阻式壓力傳感器應用；(d-f) 微流控芯片應用；(g-h) 液滴操控應用 本研究提出的3D-DFL技術為解決透明材料激光制造中的關鍵挑戰(zhàn)提供了一種通用解決方案。不僅突破了柔性透明器件高質量、定制化加工的技術瓶頸，還具備拓展至半透明陶瓷、生物材料等難加工材料的潛力。該制造技術有望廣泛應用于下一代可穿戴設備、智能傳感器和生物醫(yī)療等前沿領域。
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