概述

市場(chǎng)對(duì)高產(chǎn)出噴墨打印機(jī)系統(tǒng)以及耐酸性印刷油墨和研磨材料（例如納米顆粒）的打印系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)由高抗性材料組成的全新噴墨打印機(jī)的設(shè)計(jì)需求。隨著每個(gè)打印頭噴嘴數(shù)量的增加、加工時(shí)間縮短、全新噴嘴形狀的出現(xiàn)以及相應(yīng)高速率產(chǎn)出要求的提升，現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)，例如電鍍、蝕刻和長(zhǎng)脈沖寬度激光系統(tǒng)在制造這類(lèi)新型噴墨打印噴嘴方面，正觸碰到自身的極限。本文將探討一種精密的激光消融技術(shù)，這種技術(shù)能夠以數(shù)字形式，采用皮秒和飛秒（10¹³ - 10¹⁵ s）級(jí)超短脈沖激光鉆出具有精確幾何形狀的微孔，滿足噴墨打印機(jī)生產(chǎn)的嚴(yán)格要求。與傳統(tǒng)加工工藝相比，數(shù)字激光程序具有最大的靈活性，能夠制造出各種幾何形狀的噴嘴或牙側(cè)角。

簡(jiǎn)介

在物體上鉆出具有精確幾何形狀的微孔對(duì)很多行業(yè)都具有重要的意義。激光鉆孔技術(shù)正在取代傳統(tǒng)鉆孔工藝，并為很多應(yīng)用領(lǐng)域提供支持，例如為射流式過(guò)濾器和濾網(wǎng)進(jìn)行微鉆孔設(shè)置、對(duì)高性能太陽(yáng)能電池鉆孔或者為自動(dòng)化行業(yè)的噴嘴鉆孔。激光技術(shù)在噴墨打印機(jī)制造方面正變得越來(lái)越重要，這是因?yàn)榧す饩哂芯珳?zhǔn)、無(wú)接觸加工、精確分配能量輸入、傳熱少以及重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)良特性。激光技術(shù)還在定義鉆孔幾何形狀方面具有額外的靈活性。例如，可以通過(guò)高深寬比（鉆孔深度和鉆孔直徑的關(guān)系）鉆出微孔，也可以通過(guò)改變激光加工過(guò)程中的加工策略鉆出帶有錐度的微孔。

激光鉆孔基本原理

根據(jù)具體應(yīng)用，可以使用不同類(lèi)型的激光進(jìn)行微鉆孔。紫外區(qū)的準(zhǔn)分子激光和固態(tài)激光非常適用于加工聚合物，而可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)的固態(tài)激光則適用于加工金屬。不過(guò)，僅僅選擇適當(dāng)?shù)募す獠⒉荒艽_保成功的結(jié)果。選擇適當(dāng)?shù)你@孔技術(shù)同樣具有決定性的作用。人們熟知的鉆孔技術(shù)包括沖擊鉆孔和套孔技術(shù)。

沖擊鉆孔是指使用多個(gè)短周期的激光脈沖進(jìn)行鉆孔，直到孔深達(dá)到所需要求（見(jiàn)圖 1）。該流程的光束制導(dǎo)是靜態(tài)的。根據(jù)焦點(diǎn)設(shè)置，沖擊鉆孔可以鉆出固定直徑或不同幾何形狀的孔。沖擊鉆孔是一種極為快速的鉆孔方法，每秒鐘可以鉆出數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)孔。但是，沖擊鉆孔無(wú)法達(dá)到高質(zhì)量的鉆孔要求。

圖 1：沖擊鉆孔的原理。

套孔技術(shù)同樣利用多個(gè)激光脈沖進(jìn)行鉆孔。鉆出最初的定位孔后，再使用激光擴(kuò)大定位孔，采用逐漸擴(kuò)大的畫(huà)圈方式在工件上方移動(dòng)。套孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其可以打出直徑可達(dá)數(shù)毫米的微孔，而且重復(fù)性更強(qiáng)；該技術(shù)除了鉆圓孔，還可以鉆出特殊形狀的孔。此外，也可以通過(guò)這種技術(shù)將圓錐形的微孔變成直徑更一致的“直”孔，這對(duì)于很多應(yīng)用都非常重要。

噴墨打印噴嘴激光鉆孔

制造工業(yè)噴墨打印系統(tǒng)時(shí)要制造各種噴嘴類(lèi)型。所有用于執(zhí)行噴射工作的材料都必須具有耐酸性印刷油墨和研磨材料（例如納米顆粒）的性能。因此，最好使用耐受性高的加工材料，例如不銹鋼、鈦和玻璃。加工材料通常厚度為 50 微米左右。根據(jù)噴墨打印系統(tǒng)制造商的不同要求，可能需要不同的噴嘴幾何形狀、形態(tài)和牙側(cè)角（圖 2）。

噴墨打印系統(tǒng)典型噴嘴形狀的進(jìn)口直徑為 50 - 100 微米，出口直徑為 20 - 40 微米。除了制造適當(dāng)?shù)膰娮鞄缀涡螤?，激光鉆孔最重要的性能還包括保持高表面品質(zhì)、重復(fù)性和精確性。這些都是保證印刷介質(zhì)正確流動(dòng)以及油墨在基體上精確分布的關(guān)鍵，因?yàn)槿搜蹮o(wú)法識(shí)別一次錯(cuò)誤噴射產(chǎn)生的油墨痕跡。

由于每個(gè)打印頭有很多噴嘴，因此加工時(shí)間長(zhǎng)短和相應(yīng)的高速率產(chǎn)出都是關(guān)鍵的參數(shù)。為了應(yīng)對(duì)這些需求以及滿足工業(yè)制造商的要求，3D-Micromac 公司開(kāi)發(fā)了一種利用超短脈沖激光的精密激光鉆孔工藝。3D-Micromac 公司擁有豐富的“OEM”激光系統(tǒng)（用于為特殊噴墨打印系統(tǒng)的噴嘴鉆孔）制造經(jīng)驗(yàn)，并基于此開(kāi)發(fā)了一種模塊化的激光系統(tǒng)（見(jiàn)圖 3），該系統(tǒng)集成了高速率產(chǎn)出和超低制造成本的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)客戶(hù)要求，該系統(tǒng)可以配備多種超短脈沖激光源。噴嘴和工件定位可以精確到“納米”。

超短脈沖激光消融技術(shù)

激光消融技術(shù)具有皮秒和飛秒級(jí)（10^-13 s 至 10^-15 秒）的超短脈沖周期，因此常常被稱(chēng)作“冷消融技術(shù)”。不過(guò)，該技術(shù)僅適用于脈沖周期少于十飛秒的超短脈沖。如果脈沖周期超過(guò)十飛秒，基體中電子和光子會(huì)相互作用并產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。這種技術(shù)理論上會(huì)將脈沖周期控制在皮秒以?xún)?nèi)，并作用于不到 100 納米的材料寬度。超短脈沖激光的優(yōu)點(diǎn)在于，其可以在極短的時(shí)間內(nèi)將激光的所有能量作用于材料。因此每平方厘米的材料區(qū)域?qū)a(chǎn)生高達(dá)數(shù)千兆瓦的超高功率密度。這有助于材料很好地吸收激光輻射，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的“無(wú)熱相變”以及極為精準(zhǔn)的加工。這項(xiàng)技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)高價(jià)值的結(jié)構(gòu)，且不會(huì)對(duì)周?chē)牧袭a(chǎn)生實(shí)際熱影響或污染。

成果

為了保證新的超短脈沖激光消融技術(shù)能夠滿足噴墨打印系統(tǒng)噴嘴鉆孔的質(zhì)量和精確性要求，我們?cè)谄っ牒惋w秒范圍內(nèi)對(duì)技術(shù)流程進(jìn)行了評(píng)估。我們根據(jù)噴嘴加工材料采用了紅外光譜和可見(jiàn)光譜的激光源。

檢流計(jì)掃描儀生成鉆孔幾何形狀。通過(guò)直驅(qū) XY 定位系統(tǒng)完成整個(gè)工件的移動(dòng)（定位精確性：± 0.002 mm；重復(fù)性：± 0.001 mm）。我們采用無(wú)氧流程從微孔上移除消融的材料，同時(shí)防止金屬氧化——這進(jìn)一步提升了消融加工的質(zhì)量。

所有加工材料的鉆孔效果：視覺(jué)完美、高度一致的噴射幾何形狀。熱影響區(qū)域、突出點(diǎn)或加工材料的消融也幾乎不可見(jiàn)（見(jiàn)圖 4）?？妆诖植诙却蠹s為 Ra<0.5 微米，這完全是可接受的。之后，我們使用激光掃描顯微鏡進(jìn)行了橫截面分析，確認(rèn)了噴射幾何形狀的同質(zhì)性（圖 5）。

玻璃噴嘴制造的發(fā)展現(xiàn)狀

為了在透明材料上獲得效果相同的噴嘴幾何形狀、邊緣和孔壁粗糙度，3D-Micromac 公司開(kāi)發(fā)了 FSLA™（流體支持的激光消融）技術(shù)。這種激光消融技術(shù)也用到了超短脈沖激光。這種技術(shù)從材料背部進(jìn)行加工，而且使用了一種沿著基體背部流動(dòng)的介質(zhì)。激光消融過(guò)程會(huì)精確使用這種流動(dòng)介質(zhì)，帶走消融過(guò)程中產(chǎn)生的殘?jiān)任镔|(zhì)，同時(shí)防止基體產(chǎn)生熱積累。厚度介于 50 微米和 50 毫米之間的材料可采用這種方式進(jìn)行加工。

FSLA 加工產(chǎn)生的孔壁粗糙度大約為 Ra<0.5 微米。圖 6 展示了 FSLA 技術(shù)在 1 毫米鈉鈣玻璃上打出的不同孔徑的孔。

圖 6：FSLA 技術(shù)在鈉鈣玻璃上打出的不同孔徑（200 - 800 微米）的圓柱形微孔。

總結(jié)

超短脈沖激光技術(shù)非常適用于在金屬材料或玻璃上鉆出新一代的噴嘴。利用這種技術(shù)可以鉆出邊緣質(zhì)量和孔壁粗糙度俱佳的復(fù)雜幾何形狀孔。此外，這種激光鉆孔技術(shù)還可用于工業(yè)應(yīng)用以外的新用途。例如，可以用于微流體領(lǐng)域任意形態(tài)通道和空腔的制作，也可以用于顯示器行業(yè)元件開(kāi)孔和層間連接。