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超快激光加工特點、增材制造、切割、微焊接、表面結(jié)構(gòu)
2024-11-22 10:29:56

01

超快激光技術(shù)特點

在工業(yè)上,激光按出光時間,可分為連續(xù)波、準連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四種?!俺旒す狻笔侵篙敵黾す獾拿}沖寬度在10-12s即皮秒級別,或小于皮秒級別的脈沖激光。對于脈寬介于幾十和1納秒之間的激光,一般稱之為亞納秒激光。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時間極短,能夠在熱擴散發(fā)生之前有效地將激光能量輸送到材料中。與長脈沖激光器相比,超短脈沖激光器在多光子電離和電子到晶格的能量轉(zhuǎn)移方面是獨一無二的,加工產(chǎn)生的熱損傷可忽略不計,因此也被稱為冷加工。超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一,作為一種新興的技術(shù)手段,在精密微細加工方面有著顯著優(yōu)勢。

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圖1. 不同材料的超快激光-材料相互作用原理


02

超快激光增材制造

增材制造 (AM) 已成為 3D 制造具有任意幾何形狀的物體的一個關(guān)鍵領(lǐng)域。將超快激光用于增材制造,為難加工材料、透明材料以及微米和納米制造的下一代制造技術(shù)提供了可能性。

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圖2. 通過超快激光器選擇性激光熔化(SLM)制造銅零件

雙光子聚合(2PP)是一種微納3D打印技術(shù),通過使用飛秒脈沖激光選擇性固化感光樹脂,類似于光固化快速成型,但2PP 3D打印技術(shù)能夠以幾百納米的分辨率生產(chǎn)復雜的三維(3D)結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍。奧地利學者Aleksandr Ovsianikov使用雙光子聚合技術(shù)設(shè)計合成了每個端基上帶有三個丙烯酸酯基團的六官能氨基甲酸酯基遙爪聚己內(nèi)酯(PCL)。這種能滿足分辨率需求的可生物降解材料可以用于生物醫(yī)用型微支架制造,在組織工程領(lǐng)域有重大應用潛力。

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圖3. (a)2PP流程的簡化示意圖(b,c)基于UPCL-2微結(jié)構(gòu)的SEM圖像(d,e)基于UPCL-6微結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

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03

超快激光切割

心臟支架壁管極薄,通常采用激光加工代替常規(guī)的機械切割。但使用普通激光通過燒蝕融化來加工,存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴重、筋寬不均勻等一系列問題。利用超快激光對血管支架進行切割加工時,不僅可以得到高質(zhì)量切割平面,同時可以保證切割面熱影響區(qū)小、切縫準確、表面光滑等。

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表1. 血管支架加工材料及激光方法

同時,針對傳統(tǒng)金屬支架存在的問題,研究人員開始關(guān)注生物可降解聚合物血管支架的研發(fā)。其中高分子聚合物是非金屬可降解支架的常用材料。Stolberg等為解決材料熱效應敏感問題,利用飛秒激光結(jié)合多重消融加工的方式,切割制備出方形PLLA薄片,使其熱影響區(qū)得到很好的控制。

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圖4. 飛秒激光切割高分子聚合物材料有聚左旋乳酸(PLLA)


04

超快激光微焊接

對玻璃等透明固體介質(zhì)來說,超短脈沖激光在介質(zhì)中傳播會出現(xiàn)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。超快激光玻璃微焊接技術(shù)正是基于超快激光能量非線性吸收機制,使異種材料在結(jié)合界面微小尺度范圍內(nèi)等離子體化后再重構(gòu)實現(xiàn)連接。Octav P. Ciuca等使用皮秒激光進行了鋁與玻璃的焊接,實現(xiàn)了金屬與玻璃之間焊接的突破性技術(shù)。

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圖5. 皮秒激光焊接金屬和玻璃


05

超快激光制備表面微結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)雖然可以提高材料表面的生物活性,但其工藝復雜,加工后的材料表面性能不穩(wěn)定。激光微加工技術(shù)工藝簡單,可以在植入物表面制備出微觀三維立體結(jié)構(gòu),且改性后的植入物表面性能穩(wěn)定,對基體影響小。王瑞等研究了超快激光加工技術(shù)在Ti6Al4V合金表面改性中的作用,在打磨光滑的鈦合金表面利用飛秒激光加工微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)激光加工改性后的鈦合金表面生物相容性有所提高,有利于細胞的增殖分化并促進種植體的骨整合能力。

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圖6. 飛秒激光制造表面微納結(jié)構(gòu)

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06

總結(jié)

目前,隨著微加工技術(shù)所能實現(xiàn)的最小特征尺寸不斷減小,進一步提高加工精度和質(zhì)量一直是待突破的難題。超快激光加工技術(shù)在微加工領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)越來越受到業(yè)界和學者的關(guān)注。制造業(yè)的蓬勃發(fā)展以及對更高性能材料的追求,必將使得加工方法同樣快速發(fā)展。


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