中科院寧波材料所先進制造所張文武帶領(lǐng)的激光與智能能量場制造工程團隊，在自主研發(fā)的開放式五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，與二軸掃描振鏡結(jié)合，開發(fā)出五軸聯(lián)動300W皮秒激光加工和40W納秒激光加工系統(tǒng)。利用300W皮秒激光加工系統(tǒng)，團隊在銅，鋁，石英等材料上加工微槽，分析了不同加工參數(shù)條件對微槽寬度及深度的影響。該成果為焦俊科、阮亮、張?zhí)鞚?、張文武共同完成，并在美國底特律ASME 2014 Manufacturing Science andEngineering Conference上能量場制造論壇作為主題報告加以報道，引起與會學(xué)者廣泛興趣。
該研究推動了高速微納米加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。由于將微細(xì)加工的速度相對于常規(guī)系統(tǒng)提高5-10倍，又很好地控制了熱影響，結(jié)合自主研發(fā)的五軸平臺和軟件界面，為大尺度復(fù)雜形體的激光精密加工奠定了基礎(chǔ)。實驗條件在2-20MHz時，最大的激光功率為300W，波長為1064nm，頻率調(diào)整范圍為400KHz-20MHz。激光束反射到掃描振鏡中，聚焦光斑約為40-75um。微加工路徑由掃描振鏡控制，最大速度為10m/s。研究表明，高功率皮秒激光是一種微加工的有效工具，不同的掃描層，激光功率，掃描速度下，材料去除效率不同。研究對比了納秒激光和皮秒激光的加工效率，發(fā)現(xiàn)皮秒激光要高于納秒激光的加工效率，如圖所示，皮秒激光的單位能量的材料去除率在一定深度范圍內(nèi)是對比納秒激光的兩倍以上。團隊利用共聚焦顯微鏡對微槽加工結(jié)果進行精確測量（圖3）。測量精度XY方向達到140納米以下，Z向達到小于10納米。溝槽的粗糙度、加工的三維形狀和去除體積得以高可靠性測量。
論文進一步揭示了激光脈沖能量、平均功率等對材料去除率的影響，并指出單脈沖能量與加工的深度能力密切相關(guān)。超短脈沖激光器的深度能力適合于小于3毫米的微細(xì)加工，高效率的大深度微細(xì)加工需要進一步的工藝突破。團隊下一步將探索水助激光加工，進一步提高脈沖激光的加工深度能力。
五軸聯(lián)動高功率皮秒激光加工系統(tǒng)
皮秒激光與納秒激光加工材料去除效率對比
共聚焦激光掃描顯微鏡測試的微槽尺寸
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