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当期目录

2021年 第3卷  第4期

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综述
柔软可变形传感器在曲面上的保形制造
张婉清, 张玲, 廖亚斌, 程寰宇
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac1158
摘要:

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1. 文章导读

随着人们对柔软可变形传感器及其设备需求的不断增长,3D曲面的电子系统集成开始迅速发展。其可应用于生物集成设备,结构健康监测和3D多功能电子设备等。同时,其在复杂形状或者柔软,有层次结构,甚至可动态变化表面的制作与集成问题也受到广泛关注。为解决这一问题,科研人员通过研究各种可拉伸结构将电子产品集成到3D曲线表面上。此外,对新型纳米材料及其复合材料的探索进一步扩展了所制造器件的功能性。目前,基于保形电子器件的可拉伸结构与功能纳米材料已经有了广泛且详细的讨论,然而对复杂表面上的保形制造技术的全面概括仍是非常需要的。近期,宾夕法尼亚州立大学张婉清,张玲博士生,廖亚斌教授,程寰宇教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上共同发表《柔软可变形传感器在曲面上的保形制造》的综述,对目前先进的转印技术,直接保形印刷技术和其他新颖制造技术进行了全面的分析,对保形电子产品的最新发展进行了讨论。最后,作者提出了保形制造中的现有挑战和对其未来发展做出了进一步的展望。图1展示了基于曲面的柔软可变形设备的保形制造的最新进展。

图1. 柔软可变形传感器在曲面上的保形制造, 经许可转载,版权所有71-74 17,75-77

2.研究背景

各种制造技术,例如接触印刷,纳米压印术和电子束曝光,已经被广泛应用于在2D平面基底上制造传感器和电子设备。但是由于平面制造的局限性,这些固有平面制造技术并不能直接应用在3D曲面上制造保形器件。科研人员们探索了各种可拉伸结构和新型纳米材料及其复合材料来解决这一挑战。在保形电子器件的制造过程中,常用的可拉伸结构包括波浪形几何形状,应变隔离,丝状蛇纹石形或网状设计,螺旋线圈和折纸式样。通过结合可拉伸结构与先进的转印技术,平面制造方法可以实现在复杂表面上的器件制造。广泛使用的纳米材料包括金属纳米线,碳纳米管,石墨烯,液态金属合金和有机薄膜。通过结合功能性纳米材料,各种直接印刷技术和书写方法相继提出,可用于复杂曲面上保形电子器件的制造。

3.最新进展

基于柔软可变形传感器的保形制造技术最新进展主要分为三个部分:转印技术,直接印刷技术和其他新颖技术如书写方法。在每个部分中,作者对其代表性方法和应用展开了详细讨论,对各个方法的优点和局限性进行了总结。

转印技术

转印技术通过将在平面基底上制备的微/纳米级薄膜器件集成到目标基底表面上,实现了通过使用平面制造技术在复杂3D曲面上进行保形电子器件的制造。通常来讲,这些转印技术操作简单并且具有相对较高的产率。图2,3,4,5分别展示了滚压印花,基于Cartan原理的转印,纳米转印和水转印。

图2. 使用充气的弹性气球作为保形图章的滚压印花技术,经许可转载,版权所有71.(a)示意图展示了使用充气的弹性气球作为保形图章的转印流程。(b)蛇纹石金属网状结构在不同弯曲曲面的应用。(c)Si颗粒阵列通过滚压印花被印刷在半球形外壳上

图3. 可将大面积的纹身状电极从可弯曲的布料供体基板转移到不可展曲面的Cartan转印技术,经许可转载,版权所有72.(a)Cartan转印技术原理图图及其(b)操作流程图。(c)使用Cartan转印和直接印刷术制作的图案的对比。(d)转印结果展示。

图4. 基于智能水凝胶粘合剂的纳米转印技术,经许可转载,版权所有73.(a)水凝胶示意图及其(b)可逆水合过程和脱水过程。(c)脱水过程中,水凝胶由于水和作用引起的自发弯曲和重新平展过程。(d)纳米转印技术在可穿戴电子器件上的应用及其(e)测试结果。

图5. 水转印.(a,b)使用水转印技术在弯曲电介质表面制造频率选择面,(a,b)经许可转载,版权所有74。(c,d)在基材边缘使用刚性薄膜导向装置来避免转印过程中的折叠问题,(c,d)经许可转载,版权所有106。

直接印刷技术

直接印刷技术解决了转印术由于需要多个转印步骤以及制造过程中发生不可避免的形变而导致的效率有限问题。图6,7,8展示了五轴印刷系统,实时电动直接印刷和立体光刻造型。

图6. 五轴印刷系统(a)五轴印刷设备示意图及其(b)3D表面转换至2D三角形面片的原理图。(c)具有阵列式喷嘴的五轴印刷设备示意图。(d)在印刷过程,由于气流导致的油墨漂移现象。(e)制造的天线阵列展示图,(c-e)经许可转载,版权所有75

图7. 实时电动直接印刷.(a,b)在自由移动的手上直接制造保形电子器件,(a,b)经许可转载,版权所有76。(c,d,e)在器官表面直接制造电阻抗断层扫描传感器,(c,d,e)经许可转载,版权所有128

图8. 基于立体光刻造型的直接印刷技术。(a-c)与逐层软成型工艺相结合的保形直接印刷技术,(a-c)经许可转载,版权所129。(d-f)基于投影立体光刻的保形3D打印技术,(d-f)经许可转载,版权所有77

其它先进制造方法

除转印术和直接印刷技术,还有其他可适用于复杂曲面的保形器件制造方法,比如喷涂镀膜和画写式皮肤电子产品。这些新颖的保形制造技术可以增强电子器件与目标界面的粘合力,并且易于操作。图9展示了运用书写工具如铅笔和纸完成制造的皮肤电子设备。图10展示了使用新型烧结辅助薄层在皮肤上直接制造的传感器。

图9. 皮肤电子产品的制造。(a,b)使用功能墨水制造的皮肤电子产品,(a,b)经许可转载,版权所有136。(c-e)使用纸笔制造的皮肤电子产品,(c-e)经许可转载,版权所有139

图10. 室温烧结检测人体健康的可穿戴设备的制造,经许可转载,版权所有17(a-c)柔性人体传感器网络的概念设计以及测试结果。(d)能够通过撕或温水清洗的方法方便去除。

4.未来展望

从基于复杂3D表面的保形电子产品制造技术的最新进展来看,未来的研究应关注以下几个方面。1)在转印期间,将2D表面上的设计图案与曲面上的设计图案相关联仍然具有挑战性。基于拓扑方法和共性映射理论的自由形式周期性超颖表面的计算框架值得被探索。2)尽管已经有各种油墨用于保形电子产品的直接印刷,但是目前还有尚多纳米材料未被研究。3)挑战还存在于如何实现柔软可变形传感器与弯曲表面之间的牢固粘合。此外,4)用于保形瞬态电子器件的一系列功能可降解材料也值得被探索。


用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述
周天丰, 贺裕鹏, 王添星, 朱展辰, 许汝真, 于谦, 赵斌, 赵文祥, 刘朋, 王西彬
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac1159
摘要:

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1. 文章导读

微纳结构器件在微光学和光学工程、摩擦学和表面工程、生物和生物医学工程等领域发挥着重要作用。精密玻璃成形(PGM)技术是制造微纳结构玻璃器件的最有效方法,其前提是具有与玻璃器件微纳结构形状互补的微纳模具的制造。研究人员已经开发了许多用于制造极小尺寸和高质量的微纳结构的模具制造方法,以满足微纳结构玻璃器件在各种应用中的功能要求。此外,由于模具服役性能会极大地影响玻璃模压的精度及生产成本,提升微纳模具服役性能也是模具制造研究的重点。近期,北京理工大学先进加工研究所的周天丰教授、博士生贺裕鹏、硕士生王添星等在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述》,作者全面地总结了用于模具制造的模具材料的极端要求、非机械和机械法制造微纳米结构的技术原理、适应材料、技术特征及应用范围。此外,作者对镍化磷(Ni-P)微纳结构模具服役性能进行了进一步讨论。最后,作者对于未来微纳结构模具的特征及制造技术做了进一步地展望。

2. 研究背景

由于在疏水性、减摩、光学反射和衍射等方面具有重要功能,微纳结构被广泛应用于光学成像和传感、生物医学等领域。常用的微纳阵列包括透镜阵列、柱状阵列、凹槽阵列和金字塔阵列,如图1所示。微纳结构玻璃器件具有小型化、集成化、轻量化等优势,被广泛用于微系统,这些微系统的规模缩小和性能提升很大程度上取决于微纳结构玻璃器件的质量,这需要克服制造具有极小尺寸和高质量特征的微纳结构的挑战。微纳结构玻璃器件的超精密制造技术具有广阔的应用前景和小规模、高质量的极端特点,已成为许多国家的发展战略方向。

图1 典型的微纳结构:(a) 微透镜阵列、(b) 沟槽、(c) 柱面镜阵列、(d) 金字塔阵列。

微纳结构是通过某些方法在表面上生成的一系列微纳米尺度的几何单元。目前各种各样的微纳结构制造技术旨在提高在尺寸、精度、一致性和效率方面的极端制造能力。玻璃模压成形技术是在高温下施加适当的压力,将模具表面的微纳结构阵列复制到玻璃上,被认为是在玻璃表面制造微纳结构的最佳技术。在成形过程中,玻璃通过加热软化,然后通过退火固化。玻璃成形具有成形精度高、效率高、一致性好、加工成本低等优点,适合微纳结构阵列的批量生产。由于微纳结构完全从模具表面复制而来,因此在模具上精确制造具有小尺寸、高质量等极端特征的微纳米结构是玻璃模压成形技术的前提。最近,机械和非机械方法在微纳结构加工方面得到迅速发展,不断地突破极小尺寸、极高质量微纳结构制造的极限。

图2 (a)模压成形装备PFLF7-60A照片及 (b) 模压成形过程示意图。

3. 最新进展

微纳结构模具制造技术的最新进展主要包含:新型模具材料开发、非机械制造方法、机械制造方法、模具服役性能。在每个部分中,作者依次讨论了其技术原理、分类和最新进展。除此之外特别讨论了各种技术加工的典型微纳结构以及制造能力和范围。

模具材料

为抑制高温变形引起的成形误差,应选择热膨胀系数小、耐高温的模具材料。用于玻璃成形的材料必须具有以下特点:(1)高温下硬度和强度高,热膨胀系数低,高温下化学性能稳定性好;(2)材料一致性好,可以加工成光学级表面要求;(3)惰性粘附和与玻璃反应。常见的模具材料主要是单晶硅、碳化硅、硬质合金等超硬难加工材料,图3展示了新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料。

图3 (a) 新型的石墨烯-磷化镍 (G-Ni-P) 复合模具材料;(b) G-Ni-P与Ni-P的机械性能对比。

非机械方法制造微纳结构模具

非机械方法制造微纳结构主要是指利用化学、飞秒激光及微电火花等刻蚀技术在模具表面去除材料形成微纳单元阵列。图4展示了单点车削与离子束(IBE)刻蚀相结合制备的6H-SiC微透镜模具。图5为利用化学腐蚀辅助飞秒激光在硅表面制备的纳米线结构。

图4 微切削-离子束刻蚀微透镜阵列模具。(a) 微透镜阵列;(b) IBE刻蚀后的微透镜形貌。

图5 化学腐蚀辅助飞秒激光制备的纳米线。

机械方法制造微纳结构模具

非机械加工能够实现具有特定性能材料表面的微纳尺度的结构加工,但很难对微纳结构的几何形貌进行变化和控制。相反,机械加工的方法能够适应更多种类的材料,并且能够实现更高质量的微纳结构加工和形貌灵活控制。机械方法加工微纳结构主要有:慢刀伺服(STS)、快刀伺服(FTS)、微纳铣削、飞切加工、微磨削和超精密研磨技术。图6展示了一种将超声振动、进给运动和旋转运动相结合的旋转超声振动(RUT)加工技术以及制造的微纳结构。图7展示了轴向进给飞切加工微纳沟槽原理图以及低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。图8为3D曲面上微透镜阵列的研磨过程。

图6 (a) 旋转超声加工技术及 (b) 在表面生成的微纳结构。

图7 (a) 轴向进给飞切加工(ARFC)微纳沟槽与 (b) 低频振动辅助轴向进给飞切加工两级结构的原理图。

图8 3D微透镜阵列研磨过程。(a) 将研磨球粘在支架上的孔中并滚动以研磨弯曲基板上的微腔;(b) 在曲面上产生一个微透镜。

微纳模具服役性能

玻璃模压成形过程中的温度通常在500 ℃以上,因此高温下模具材料的变化将会影响微纳模具的精度,进而影响模压成形的玻璃元器件的形貌精度与表面质量。为了改善因非晶态磷化镍模具在模压过程中发生的晶态转变导致的成形精度低与模具寿命短的缺点,将非晶态磷化镍材料预先转变为晶态材料后再在其表面加工微纳结构。图9展示了非晶态磷化镍和晶态磷化镍微纳结构模具在模压后的表面。

图9 (a) 非晶态磷化镍与 (b) 晶态磷化镍微纳结构模具模压后的表面形貌。

4. 未来展望

未来,针对具有极小尺寸和高质量的极端特性微纳结构的制造仍将是研究的重点。此外,对微纳器件性能的更高要求使得大面积加工成为微纳结构模具的另一个极端特征,这将激发高效率和低成本制造。同时,由于模具材料的更新换代,研究最合适的加工方法和工艺将一直是微纳模具制造的热点。此外,将蚀刻等非机械方法与微纳切削相结合的复合技术将受到更多关注。


GHz“脉冲串”模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?
Koji Sugioka
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac2479
摘要:

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1. 文章导读

飞秒激光脉冲的GHz“脉冲串”模式在不降低烧蚀质量的前提下可显著提高烧蚀效率。然而, GHz“脉冲串”模式中涵盖多项参数会增加其实际应用加工过程的优化难度。本文中,作者介绍了GHz“脉冲串”模式的起源、现状、挑战和未来前景,以回答“GHz脉冲串模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?”的问题。

飞秒激光以其独特的特性,如超短脉冲宽度和极高峰值强度,为材料加工开辟了新的途径,展现了比其他传统激光在多种材料加工方面更为优越的性能[1,2]。飞秒激光加工最重要的特点之一是可通过抑制热影响区(HAZs)实现超高质量超高精度微纳加工。飞秒激光已被广泛应用于商业用途,比如电子、汽车和医疗部件的微加工和整形;智能手机和显示器玻璃和蓝宝石衬底的划线和切割;硅太阳能电池抗反射表面的纳米结构,以及硒化铜铟镓(CIGS)、硒化铜铟(CIS)和无机太阳能电池的刻划和图案化;微型发光二极管(LED)显示器的缺陷修复和边缘切割;以及医用支架的制造。为进一步推动飞秒激光在商业和工业领域的应用,其生产量亟需提高。增加激光脉冲强度和/或重复率较容易提高生产量。然而,较高强度会导致等离子体屏蔽而降低烧蚀率,而且多余能量的沉积会导致热损伤[3]。数百kHz以上的重复频率会导致热积累和大的热影响区,不宜高精度或高质量微加工[4]。

2. 研究背景

Ilday研究团队近期证实GHz重复频率的飞秒激光脉冲串可提高烧蚀效率和烧蚀质量,如图1所示 [5]。他们声称,目标材料在前序脉冲沉积的余热扩散离开加工区域之前就已被烧蚀,烧蚀效率可提高一个数量级。他们进一步断言,烧蚀材料的物理去除带走烧蚀物质中包含的热量,从而引起无热效应的高质量烧蚀。此过程被称之为烧蚀冷却。这些结果颠覆了常识,在激光材料加工领域产生了重大影响。

3. 最新进展

尽管学术界对GHz脉冲串模式充满兴趣,但由于缺乏激光源,研究人员很难通过实验进一步探索。然而,一些激光制造商已经开始研发可在GHz脉冲串模式下进行操作的飞秒激光系统。一些研究团队已经进行了GHz脉冲串模式下的飞秒激光烧蚀金属(如铜、不锈钢和铝[6-12])、半导体和介电材料(如硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)的实验[6-8,13]。通常情况下,GHz脉冲串模式下的表面烧蚀质量相比传统单模更好[7、11、13]。优异的表面质量可能依赖于烧蚀冷却。因为在某些材料的烧蚀表面上可明显观测到再溶解层,可推断GHz能够以一种更可控的方式实现温和加热和熔化产生更平滑的烧蚀表面,这很可能是GHz脉冲串高质量烧蚀的机理。此外,优化参数,如帧内脉冲数、脉冲间隔(帧内脉冲重复频率)和脉冲能量(一个脉冲串所有帧内脉冲的能量),对于实现更高的烧蚀质量至关重要。另一方面,烧蚀效率很大程度上取决于材料的类型。与传统单模激光相比,GHz脉冲串模式对于半导体和电介质(包括硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)可达到更高的烧蚀效率,而对金属的烧蚀效率会更低[8、11、13]。作者推测,烧蚀效率应与材料对激光脉冲的吸收过程密切相关。对于带隙材料,激光能量首先被价带中的束缚电子吸收,在导带中产生自由电子。被激发的自由电子可以有效地吸收脉冲串中的后续脉冲,从而提高烧蚀效率。对于金属而言,自由电子总是吸收激光能量。由于先前脉冲产生的热扩散或热耗散,分散在脉冲串中的激光能量可能会抑制有效的能量沉积。等离子体屏蔽是影响烧蚀效率的另一个重要因素,因为等离子体动力学与被烧蚀材料本征特性相关。

GHz脉冲串模式加工包含多种参数,例如帧内脉冲的数量、持续时间和能量以及每个帧内脉冲的时间间隔。此外,即使对于相同的脉冲串能量,帧内脉冲不同的能量分布(例如,帧内脉冲能量的逐渐递增、递减或山形分布)也会导致不同的结果。MHz脉冲串(双脉冲串)中的GHz脉冲提供了一种独特的实用方案[10]。GHz脉冲串模式加工的研究还处于初始阶段,仍需积累大量不同参数、不同材料的数据。将全自动数据采集系统与基于大数据收集和深度学习的人工智能(AI)相结合,是加速GHz脉冲串模式加工实际应用的良好解决方案[14]。基于物理理论的理论方法同样重要;然而,庞大数量的参数将带来诸多挑战。另一个关键因素是开发可方便灵活调整GHz脉冲串各参数的高性能激光系统。

飞秒激光烧蚀较慢的加工速度是限制其工业应用的瓶颈,通过GHz脉冲串模式在不降低烧蚀质量的情况下显著提高烧蚀效率可以克服这一瓶颈。此外,GHz脉冲串可能为除烧蚀之外的加工提供新的可能性。可控的温和加热和熔化的能力使其适用于多种热反应的加工,例如微焊接、结晶和抛光。将其应用于飞秒激光多种特定加工,例如双光子聚合、内部光波导写入和高空间频率激光诱导周期结构(HSFL)的形成,可以产生显著特征。因此,作者认为GHz脉冲串模式将开辟新的飞秒激光加工途径。


图1 人类牙齿的激光烧蚀特征,a, 传统激光烧蚀 (1 kHz均匀重复频率), b, GHz脉冲串模式(1.7 GHz帧内脉冲重复频率 ), 虽然两周方案都可以在足够低的平均功率下避免热损伤,但GHz脉冲串模式在脉冲能量降低12倍的情况下可产生约为6倍的烧蚀深度。c和d, 在重复频率、平均功率和扫描速度都同时提高25倍时,传统激光烧蚀会产生热损伤,GHz脉冲串模式完全避免了热损伤,在脉冲能量比传统模式低25倍的情况下可获得更高的烧蚀效率,[5]。获Springer Nature 授权,©1996 by Springer Nature。


研究论文
具有垂直侧壁及尖锐边沿苛刻要求的毫米尺度形状的飞秒激光加工
朱秋池, 范培迅, 李楠, Timothy Carlson, 崔柏, Jean-Francois Silvain, Jerry L. Hudgins, 陆永枫
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac2961
摘要:

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1. 文章导读

作为激光制造领域最为活跃的研究方向之一,飞秒激光精密加工已经在微小尺度部件的加工制造中表现出了显著优势,并不断获得更小加工尺寸和更高加工精度。与此同时,随着飞秒激光精密加工的应用领域从微纳尺度向宏观尺度不断拓展,在宏观尺度(毫米及以上)加工中保持微米及亚微米的尺寸精度和表面质量,是一个亟待解决的难题。对于飞秒激光加工而言,由于在宏观尺度部件的制造中需要采用更为复杂的加工路径并受到光束离焦发散的影响,因此获得微米及亚微米的精度和质量会面临更大的挑战,并成为飞秒激光精密加工在更广泛领域获得应用的主要障碍。如何同时获得尖锐边沿和垂直侧壁,是在宏观尺度部件(如口径、深度≥ 1 mm)加工中实现高尺寸精度(如< 10 µm)的关键。在使用二维扫描振镜进行宏观尺度加工时,侧壁锥度和边沿缺陷会同时出现(图1a,d,g,j)。使用先进的五轴(5-axis)扫描系统进行加工,虽然可以实现对侧壁锥度的控制,获得正锥角、零锥角、及负锥角的侧壁,但边沿会呈现明显的倒角和坡口(图1b,e,h,k),且这种边沿坡口缺陷在深孔加工中会变得更为显著。飞秒激光精密加工和极端制造的实现,既需要先进的加工设备和系统,又迫切需要对复杂加工过程的理解和对新型加工技术的开发。近期,美国内布拉斯加林肯大学的朱秋池博士生、范培迅研究助理教授、李楠博士生、Timothy Carlson博士生、崔柏副教授、Jerry L. Hudgins教授、陆永枫教授,以及法国波尔多大学的Jean-Francois Silvain教授在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《具有垂直侧壁及尖锐边沿苛刻要求的毫米尺度形状的飞秒激光加工》的研究论文。其所加工对象为不同形状的宏观尺度特征(如圆形孔、异形孔、组合孔等),这些特征均具有毫米级的口径和深度,并要求微米乃至亚微米级的尺寸精度和表面质量,属于典型的跨尺度复杂加工任务。通过在实际加工过程中对飞秒激光烧蚀材料行为进行巧妙控制,该研究开发了一种飞秒激光参数补偿的加工方法,同时实现了对侧壁锥度和边沿质量的精确控制(图1c,f,i,l),为飞秒激光精密加工在宏观尺度制造中的应用提供了一种有效解决方案。

关键词:飞秒激光;极端制造;毫米尺度加工;可控锥角打孔;边沿质量控制

亮点:本研究建立了一种具有垂直侧壁及尖锐边沿苛刻要求的毫米尺度形状的飞秒激光可控加工方法:

● 通过入射角度(AOI)调控和参数补偿方法,同时实现了垂直侧壁和尖锐边沿的加工;

● 通过单一调控入射角度,可以将边沿坡口宽度(edge width)减小至10 µm以下,但侧壁锥度会增大;

● 通过同时施加扫描直径和激光功率补偿,可以获得零锥角的侧壁,同时将边沿坡口宽度保持在10 µm以下;

● 除入射角度外,本研究证明了通过参数补偿对飞秒激光烧蚀行为进行灵活调控,也可以实现对加工侧壁锥角的调控;

本研究所建立方法,提供了一种在不同形状(如圆形孔、异形孔、组合孔等)的宏观部件加工中同时实现侧壁和边沿质量控制的有效方案,均获得了< 10 µm的尺寸精度和< 1 µm的表面光洁度。

图1 (a-c)不同加工方案及(d-i)所得典型加工结果的扫描电子显微图像;(j-l)通过不同加工方案所加工孔的截面示意图。

2. 研究背景

不断提高加工精度,是现代制造技术和方法的共同目标。目前,通过多种技术和手段,已经可以在微小部件的加工中稳定获得微米甚至纳米级别的加工精度。然而,在宏观尺度部件的加工中保持微米及亚微米的尺寸精度和表面质量,仍然是一个普遍的挑战。具体到飞秒激光精密加工,如何同时获得尖锐边沿和垂直侧壁,是在宏观尺度加工中实现高尺寸精度所面临的关键问题。本研究通过对入射角度、加工路径、激光功率等基本参数的影响进行系统研究,确立了侧壁锥度和边沿质量无法实现同时控制的关键技术挑战并揭示了其形成原因,之后将飞秒激光烧蚀阈值及烧蚀深度调控的基本机理巧妙运用于实际加工过程中,开发了扫描直径及激光功率补偿的加工方法,完成了对宏观尺度特征的侧壁锥度、侧壁光洁度、以及边沿质量的同时调控。

3. 最新进展

通过入射角度调控获得尖锐边沿 本研究的前期实验表明采用五轴扫描系统以及适当的飞秒激光工艺条件,可以在AOI = 0°时获得接近零锥角的侧壁,然而边沿会呈现明显的倒角和坡口缺陷,且在深孔加工中缺陷会更为显著。因此,本研究首先对宏观加工中边沿缺陷的形成原因进行了揭示,发现其主要由激光光束的离焦和发散导致。之后,通过对不同AOI下的加工质量进行对比分析,发现增大AOI可以将边沿坡口宽度从50 µm以上显著减小到10 µm以下(图2),从而实现尖锐边沿的加工目标。然后,增加AOI同时导致了出口直径的增加,从而形成了负锥角的侧壁。通过单一调控入射角度,无法同时满足垂直侧壁和尖锐边沿的加工需求。

图2 通过增加飞秒激光的入射角度获得更加尖锐及光滑的加工边沿。

建立参数补偿方法实现垂直侧壁 为解决垂直侧壁和尖锐边沿无法同时实现的困境,本研究对实际加工过程中的飞秒激光烧蚀行为进行了仔细探究。如图3a所示,可将激光在斜入射时的总体烧蚀分为横向烧蚀和纵向烧蚀两个分量,横向烧蚀实现加工直径的增大,纵向烧蚀实现加工深度的增加。当采用固定的扫描直径进行斜入射加工时,横向烧蚀和纵向烧蚀同时发生,从而形成具有负锥角的锥形孔。在小入射角下,纵向烧蚀始终为总体烧蚀的主体。尽管如此,横向烧蚀会随着AOI的增大而更增强,从而导致更大的侧壁锥角。前面图1已经证明,调控AOI是获得尖锐边沿的必要条件,因此在采用AOI的前提下对横向烧蚀进行控制,就成了同时获得垂直侧壁和尖锐边沿的关键。为此,本研究对飞秒激光加工中的两个重要参数(扫描直径和激光功率)进行了深入分析,并建立了一种参数补偿的加工方案。这里将随着加工深度逐渐减小扫描直径的过程定义为扫描直径补偿(diameter compensation,如图3b所示),将采用优化的/更低的激光功率定义为激光功率补偿(power compensation,如图3c所示)。扫描直径补偿和激光功率补偿均是为了减小横向烧蚀,从而保证烧蚀主要沿纵向进行,进而实现对侧壁锥角的控制。扫描直径补偿通过在侧壁实现局部的离焦加工来减小横向烧蚀,而激光功率补偿则基于激光功率密度对烧蚀深度的决定性作用来调控横向烧蚀。

图3 (a-c)参数补偿方法的示意图:(a)用固定的扫描直径及未优化的激光功率进行加工,(b)用扫描直径补偿及未优化的激光功率进行加工,(c)用扫描直径补偿及激光功率补偿进行加工,红色和深蓝区域分别代表扫描直径及实际加工直径,(c)中的激光焦斑小于(a,b),表明采用了较低的激光功率;(d)通过扫描直径及激光功率补偿显著减小了出口与入口的直径差;(e)参数补偿方法对侧壁锥度和边沿坡口宽度的影响。

如图3d,e所示,通过扫描直径补偿可以起到减小出口直径的效果,使出口直径更接近入口直径。然而,这种效果会随着扫描直径补偿量的增加而逐渐变弱,无法完全消除AOI调控带来的侧壁锥角。激光功率对激光烧蚀有着更大的影响,通过采用较低功率作为参数补偿,横向和纵向烧蚀会同时减弱,而横向烧蚀减弱的程度会更为显著,从而使横向烧蚀与纵向烧蚀的比例减小,并最终使烧蚀主要沿纵向进行,获得无明显锥角的垂直侧壁,甚至正锥角的倒锥形侧壁。与此同时,边沿坡口宽度始终保持在10 µm以下。对不同深度处的侧壁质量进行观察发现,这种参数补偿的方法不仅获得了< 10 µm的尺寸精度,同时实现了< 1 µm的表面光洁度。通过参数补偿成功解决了垂直侧壁和尖锐边沿无法同时实现的困境,充分表明在实际加工过程中对飞秒激光烧蚀行为进行控制的有效性和应用潜力。
在多种复杂形状加工中实现垂直侧壁和尖锐边沿 除上述圆形孔外,入射角度调控与参数补偿相配合的方法,对于其他宏观尺度复杂形状的加工同样适用。如图4所示,在单个椭圆孔,双椭圆交叉孔,以及哑铃状组合孔的加工中,均同时获得了垂直侧壁和尖锐边沿,证明入射角度调控与参数补偿相配合的方法不依赖于加工对象的具体形状和尺寸,是一种对宏观尺度特征进行精密加工并获得微米及亚微米级尺寸精度和表面质量的通用方法。

图4 在多种复杂形状加工中实现了垂直侧壁和尖锐边沿:(a)单个椭圆孔,(b)双椭圆交叉孔,(c)哑铃状组合孔。

4. 未来展望

本研究充分验证了飞秒激光精密加工在微小尺度部件制造中的重要优势,在宏观尺度部件制造中同样可以实现。目前,飞秒激光加工制造的基础研究已经有了显著进展,而如何在实际加工过程中对飞秒激光-材料作用过程进行精细调控,从而将基础研究成果应用于实际问题的解决,将是未来的重要研究方向。飞秒激光加工在不断向更小尺度发起挑战的同时,也必将在宏观尺度加工中发挥更多的作用,从而助力传统制造技术的升级。本研究将有助于拓宽飞秒激光加工的技术内涵,并拓展其在不同制造领域的实际应用,所建立的飞秒激光宏观尺度精密加工技术方案在热核聚变关键部件、航空航天特殊部件、以及复杂电子产品等的加工制造中,都具有显著的应用前景。

5. 作者简介

范培迅博士目前为美国内布拉斯加林肯大学电子与计算机工程系研究助理教授,先后于2009年获华中科技大学学士学位、2014年获清华大学博士学位,之后在清华大学、美国弗吉尼亚大学、美国内布拉斯加林肯大学长期从事超快激光减材、增材微纳制造,激光材料加工,以及激光极端制造的技术开发和应用等方面的研究。作为主要执行负责人,在国家自然科学基金重大及面上项目、国家重点基础研发计划等工作中发挥关键作用,并与美国能源部国家实验室、海军实验室等国家机构,麻省理工学院、斯坦福大学、罗彻斯特大学等知名高校,美国康宁、日本三菱重工等大型公司深入合作,已完成以惯性约束核聚变微纳靶腔一体化设计制造、表面宏-微-纳多元复杂结构高效制备及分级调控实现最黑人工金属表面等为代表的10余项激光微纳制造新技术的开发。已在国内外重要学术期刊及国际会议上发表论文60余篇,包括以一作/共同一作在ACS Nano,Nano Letters,Nano Energy等知名期刊上发表论文14篇,授权国家发明专利5项,受邀在Springer等国际出版社的重要专著中发表书稿3章。在本领域具有重大影响的国际会议,如ICALEO等多次做邀请报告。所发表论文已被Nature Communications,Advanced Materials,Advanced Functional Materials等主流期刊引用1700余次。

陆永枫博士目前为美国内布拉斯加林肯大学电子与计算机工程系Lott Distinguished教授。他先后于1984年获清华大学学士学位,1988年和1991年获日本大阪大学硕士和博士学位,之后于1991-2002年任教于新加坡国立大学电子与计算机工程系,并于2002年加入美国内布拉斯加林肯大学。陆教授具有30多年激光辅助微纳米材料加工、生长及表征研究经验,他所领导的的课题组在过去数年间已从NSF,AFOSR,ONR,DTRA,DOE,DOT,NCESR,NRI及多个公司和私人基金获得超过3000万美金的科研经费。陆教授目前已发表国际期刊论文500余篇,国际会议论文400余篇,论文被引用近20000次,多个研究成果已成功实现转化。陆教授是国际光学工程学会(SPIE)、美国光学学会(OSA)、美国激光学会(LIA)、以及国际光电子与激光工程学会(IAPLE)四会会士(Fellow),并曾担任美国激光学会主席,国际光电子与激光工程学会主席,担任过美国、中国、日本等多个主要激光国际会议的主席,如ICALEO、Photonics West等,并任《Journal of Laser Applications》主编,以及《Light:Science & Applications》专题编委等。陆教授曾获新加坡国家科技奖,德国国际激光奖(2000年),美国激光协会度肖洛奖(Schawlow Award,2016年)等。


用于大面积复杂3D曲面电子器件的可编程机器人化“转印-喷印”混合制造
YongAn Huang, Hao Wu, Chen Zhu, Wennan Xiong, Furong Chen, Lin Xiao, Jianpeng Liu, Kaixin Wang, Huayang Li, Dong Ye, Yongqing Duan, Jiankui Chen, Hua Yang, Wenlong Li, Kun Bai, Zhouping Yin, Han Ding
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac115a
摘要:

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1. 文章导读

大型3D曲面电子器件直接共形集成在复杂表面,同时兼具传统微电子器件高性能的特点,开拓了许多创新的电子应用,例如飞行器智能蒙皮、机器人电子皮肤、汽车智能玻璃等。目前,可拉伸电子可以很好地与曲面共形,但其尺寸受制于晶片尺寸,而且由于其基板材料在极端环境下应用受限。软接触印刷通过软图章可以与曲面共形,实现功能材料转印,但在高曲率表面上制造电子器件时受限。机器人喷印技术具有良好的灵活性和增材制造特性,但无法在复杂曲面上实现精细电子器件的制造。近期,华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授、吴昊博士等人在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《用于大型复杂3D曲面电子器件的可编程机器人化“转印-喷印”混合制造》的论文,提出了机器人化混合制造方法,即以可编程方式实现多工艺的排列组合,集成了“2D-3D”映射、共形喷印、激光剥离、曲面转印等核心技术与方法,可以满足不同材料、形状、尺寸、功能、性能电子器件的系统集成,突破了电子器件小面积、平面化制造的限制,为复杂曲面电子制造提供了新型的、有效的解决方案,特别适合于集设计、测试、制造于一体的研发式、定制化电子器件制造。

关键词:共形喷印、曲面电子、复杂表面、机器人制造

2. 研究背景

图1a展示了一个典型的复杂3D曲面电子系统,在飞行器表面共形制造大面积智能蒙皮,包括微处理器芯片、共形天线、柔性传感器、互连电路和功能微结构。与传统微电子系统不同,复杂曲面电子系统的基板几何形状为不可展曲面或自由曲面,制造幅面> 1m2,而微薄芯片、柔性器件、共形天线、互联电路等电子器件尺寸横跨100μm至1cm、厚度从10μm到1mm变化、特征宽度甚至<1μm。
图1b是机器人化“转印-喷印”混合制造的基本过程和涉及的关键工艺,能够将计算机所设计的电子器件共形制造在复杂3D表面,利用机器人系统的灵活性,可以根据不同功能电子系统的结构特点,将多种工艺(例如喷印、转印、等离子、烧结)进行排列和组合,满足个性化、可定制系统的快速实现。


图1 (a)大面积飞行器智能蒙皮电子系统示意图;(b)机器人化“转印-喷印”混合制造

3. 最新进展

复杂曲面电子与平面电子器件最大不同和挑战就是基底的复杂形状,需要解决涉及实际衬底与计算机模型匹配的曲面到曲面映射、机器视觉定位中的平面到曲面映射、三维电路平面设计的曲面到平面映射等(如图2)。通过激光扫描仪和机器视觉方法保证曲面定位精度,然后借助控制系统对数据进行分析、操作和打印路径规划,机器人混合打印系统最终通过共形喷印、曲面转印和等离子处理的排列组合,以可编程的方式制造电子系统。例如,共形喷印能够直接制造各种材料的点、线和薄膜;共形转印能够剥离、拾取和转移小型刚性芯片和柔性电子器件;等离子直写能够蚀刻、改性和焊接各种薄膜;电流体光刻可以打破平面掩膜的限制,将光刻工艺拓宽至任意复杂曲面上。

图2  机器人化混合制造中的曲面映射技术:(a)通过激光位移传感器进行协调的曲面到曲面映射;(b)通过机器视觉进行精确定位的平面到曲面映射;(c)通过曲面组装的曲面到平面映射。


图3a为机器人化“转印-喷印”混合制造装备,集成了曲面测量与重构、共形喷印、激光剥离、曲面转印、机器视觉、五轴/六轴联动等模块,可在3D曲面上制造/集成各种电子器件,例如刚性芯片、柔性传感器和共形电路等等。例如图3b所示,在复杂曲面上以增材制造方式得到导电的中国地图,以电流体光刻方式制造了球形加热器和透明共形天线,以及机翼模型上集成了柔性智能蒙皮。结果证明,机器人化混合制造成为3D曲面电子器件的灵活制造方法。


图3  机器人化混合制造装备及其应用:(a)自主研发的机器人化混合制造装备;(b)曲面电子应用:复杂曲面电路、曲面加热器、共形透明天线;(c)飞行器标准翼型模型上的大面积柔性智能蒙皮(iFlexSense)

4. 未来展望

机器人化混合制造设备是以机器人为运动载体的制造系统,集成了工艺系统、测量系统、规划系统等。通过测量数据和过程知识自主控制其组件,赋予机器人化混合制造系统高度的灵活性,适用于在复杂表面上制造大面积微纳结构和功能器件。它带来了电子技术的技术革命,从“平面”到“曲面”、“刚性”到“柔性”、“小面积”到“大面积”等,从单纯的增材印刷或减材光刻工艺到混合制造过程。尽管机器人化混合制造在大面积、多功能曲面电子系统中显示出巨大的潜力,但在制造过程中仍然存在许多挑战,例如多尺度结构或多层异质结构制造、大规模曲面共形超材料结构的高效制造等。


缓进深切磨削诱导的单晶涡轮叶片榫齿表层梯度微纳结构研究
苗情, 丁文锋, 徐九华, 曹丽杰, 王红才, 殷振, 戴晨伟, 况伟杰
2021, 3(4) doi: 10.1088/2631-7990/ac1e05
摘要:

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1. 文章导读


榫齿是航空发动机单晶涡轮叶片的关键组成和薄弱部位,具有极高的抗微动损伤和抗蠕变能力要求。缓进深切磨削是单晶涡轮叶片榫齿高效精密加工的主要方式,也是极端制造技术的研究前沿和热点。由于单晶材料对机械载荷高度敏感,磨削加工极易在叶片榫齿表层诱发塑性变形层,进而改变表层的力学性能,严重影响单晶叶片榫齿的服役性能,因此亟需对此开展专门研究,深入认识单晶涡轮叶片榫齿在缓进深切磨削条件下的表层微纳尺度结构变化规律,为单晶涡轮叶片榫齿的高质高效加工提供理论和技术支撑。近期,南京航空航天大学机电学院博士生苗情(现为苏州科技大学讲师)、丁文锋教授、徐九华教授,联合德国波鸿鲁尔大学曹丽杰博士和王红才博士后、苏州科技大学戴晨伟副教授和殷振副教授等,在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表了《缓进深切磨削诱导的单晶涡轮叶片榫齿表层梯度微纳结构研究》的文章,表征了单晶涡轮叶片榫齿缓进深切磨削表层微纳结构,研究了微纳结构的分布特征与演变规律,并对形成机制进行了分析。


图1 缓进深切磨削单晶叶片榫齿表层的微纳结构演变

关键词:共形喷印、曲面电子、复杂表面、机器人制造

亮点:
· 缓进深切磨削过程在单晶叶片榫齿表层成功诱发了梯度微纳结构;
· 梯度微纳结构由表及里由纳米晶、亚微晶、以及位错结构组成;
· 微纳结构与表层材料梯度应变和应变速率相关(高达6.67、8.17×107 s-1);
· 微纳结构演变是单晶向多晶体转变、晶粒取向由单一变为随机的过程;
· 位错滑移是单晶叶片榫齿磨削表层梯度微纳结构形成的主导因素。

2. 研究背景

航空发动机单晶涡轮叶片的高性能制造是我国航空工业发展的瓶颈之一。作为涡轮叶片的关键组成和薄弱部位,叶片榫齿在高温高压、高转速、交变载荷等极端环境下的服役性能对涡轮叶片、乃至整个航空发动机的性能和寿命具有重要影响,而叶片榫齿加工表层显微结构与其服役性能(如抗损伤能力、抗蠕变性能)密切相关。目前,具有复杂型面结构的单晶叶片榫齿主要依靠缓进深切磨削方法加工制造。单晶镍基合金由单个晶粒长成,具有优异的高温综合性能,但也是一种典型的高强韧难加工材料;并且,单晶叶片整体消除了晶界缺陷,使其具有比多晶镍基合金叶片更加优异的高温抗蠕变、抗疲劳等综合能力。然而,单晶合金对机械载荷较为敏感,即使在搬运过程中普通的磕碰也可能引起局部的应力集中,产生塑性变形,对服役性能造成不利影响。因此,在缓进深切磨削力-热-结构强耦合作用下,单晶叶片榫齿表层微纳尺度结构和力学性能的变化、及其诱导机制如何尚缺乏专门研究。在本文中,作者对磨削诱导单晶叶片榫齿表层微纳结构的最新研究进展进行了报导。

3. 最新进展

缓进深切磨削在单晶叶片榫齿表层诱导了塑性变形层,距离加工表面越近,塑性变形程度越高,即应变量和应变速率越大。依据结构特点由表及里划分为:位错结构(图2)、亚微晶层(图3)和纳米晶层(图4)。
位错结构:在距离表面5 µm区域,存在大量位错线、位错墙等位错结构,聚集在γ和γ’相组成的小方格,与γ相近似垂直。明锐的点阵衍射花样表明,大量位错结构并未改变整体单晶体结构,却为位错结构进一步发展提供了可能。

图2 单晶叶片榫齿磨削表层位错结构

亚微晶:距离磨削表面1µm区域,持续梯度塑性变形为切分γ和γ’相创造了有利条件。在位错作用下,具有较大尺寸的亚微晶形核首先形成,并与已形成的亚微晶晶粒有清晰界线。此时,晶界聚集并吸收了大部分位错,亚微晶内部位错活动减弱。

图3 单晶叶片榫齿磨削表层亚微晶结构

纳米晶:高应变和高应变速率是形成稳态纳米晶的前提条件。经估算,近表面区域材料承受的应变为6.67,应变速率达8.17×107 s-1,二者共同作用使得近磨削表面区域单晶体结构经位错滑移完成向纳米晶、乃至纳米孪晶的转变。


图4 单晶叶片榫齿磨削表层纳米晶结构

4. 未来展望

通过调控缓进深切磨削工艺,在单晶叶片榫齿表层主动引入协调变形能力强的特殊结构(如梯度微纳结构、纳米孪晶等),籍此强化榫齿型面性能,达到提升抗损伤、抗蠕变和抗疲劳能力的目的,是实现航空发动机涡轮叶片榫齿高性能制造的重要途径之一。基于此,未来相关研究主要包括以下几个方面:为了实现高性能制造,需要对微纳结构与纳米孪晶的加工诱导机理进行深入理论分析;为了实现复杂结构件高性能加工及精确控制,工艺条件耦合必不可少;从宏观、微观到纳观的跨尺度制造以及从常温加工到极端条件服役的多维度制造将是航空发动机关键构件高性能加工的典型特征。