圖1：選擇性激光蝕刻可以生產帶空腔、隧腔、任意底切樣式，甚至嵌入式運動部件
選擇性激光蝕刻（selective laser-induced etching，簡稱SLE）是用于快速制造采用熔融石英、超低膨脹玻璃（ULE）或藍寶石等透明材質制成的高精度3D裝置的一種新型激光技術。通過SLE技術，部件可被加工成帶空腔、遂腔、任意底切樣式，甚至嵌入式運動部件（圖1）。
選擇性激光蝕刻:兩步法工藝
在第一道步驟中，超快激光輻射被聚焦到微米級焦斑上，這種材料對所使用的激光輻射波長是透明的。由于非線性吸收過程發(fā)生在所施加的非常高的激光強度（>1012W/cm2）上，因此，材料只吸收焦斑處的激光輻射。所吸收的能量導致材料在一個非常有限的體積內部受熱、隨后經歷淬火流程，從而令透明材料實現(xiàn)永久性的改變。這種激光表面改性工藝不會產生裂紋，并且可以實現(xiàn)非常高精度的加工。
然而，請不要將這一點與在玻璃中被廣泛使用的激光制作的3D圖像相混淆，盡管兩者有一些相似之處。通過對焦點處進行逐條、逐層的3D掃描，玻璃內部會形成一個完整的3D連通體。
接著，在第二個步驟中，將工件從激光機器上取出并放進蝕刻槽中，只有改性材料被溶解在流體蝕刻化學劑中。蝕刻從表面開始，然后逐步進入工件，隨后將先前用激光輻射改性過的材料全部清除掉。
選擇性激光蝕刻技術的高精度源自于其極高的選擇性，正如該縮寫詞匯所示，選擇性是指改性材料與未處理材料的蝕刻率的比例。例如，熔融石英的選擇性大于1000:1，隨后蝕刻中的單束激光輻射可形成帶較小錐度的精細狹長通道。其它透明材料在SLE加工過程中也顯示出很高的選擇性，如Borofloat33硼硅玻璃、藍寶石、ULE或堿石灰玻璃。總體來說，這種高選擇性是實現(xiàn)更復雜的3D結構的基礎，因為它們是通過疊加射線的激光改性工藝被生產出來的。
選擇性激光蝕刻的優(yōu)點是能實現(xiàn)高精度（為1μm），蝕刻后的材料內部無殘余應力，并且具備真正的3D功能。因為其與3D打印有幾個方面是類似的，SLE技術可被視為透明材料的一種3D打印技術，所不同的是，它采用的是減材法。與增材3D打印相反，隨后無需強制性地去除支撐結構。
在SLE加工過程中，剩余的玻璃或晶體來自于原來的數(shù)據(jù)表單，所有參數(shù)已知，因為發(fā)生變化的玻璃材料已經通過濕化學蝕刻法被去除。由此產生的好處是，沒有必要對已經認證的材料進行新的認證。雖然選擇性激光蝕刻表面的初始表面粗糙度Ra 約為200nm，卻未產生可能在機械負荷條件下導致失效的微裂紋或亞表面缺陷。因此有望用于柔性軸承領域。
目前，SLE技術在熔融石英中的應用情況是能夠高效正確完成高度為7mm以內、精度約10μm、最大隧腔長度10mm的高復雜性的3D部件的加工。此外，加工更高精度或更長隧腔的部件也是可行的，但必須通過生產和測量的迭代，才能使部件滿足精度要求。
選擇性激光蝕刻的功能
選擇性激光蝕刻已被證明是一種適用于各種技術領域以及具有不同應用要求的熔融石英部件的制造技術，它不僅適用于原型制造，而且還能批量化生產各種設備和結構。
圖2：一款直徑測得為15mm 的六角形玻璃部件
已經在一個直徑測得為15mm的六角形玻璃部件中生產出用于毛細管電泳的耦合芯片（圖2），可以將毛細管集聚在一起，在化學分析中不會出現(xiàn)可檢測到的死體積。配備了芯片尺寸為34×12×2mm、形狀復雜的3D微通道的快速藥敏試驗用光驅動細胞分選儀在生物制藥技術和食品及洗滌劑生產中非常有用。新型的3D噴嘴在不同市場上都可以找到應用，如用于燃油噴射甚至被作為有助于肺部疾病的吸入器。例如，使噴霧產生旋轉的空心錐形噴嘴，可以讓高2m、直徑60μm的噴嘴的燃燒變得更穩(wěn)定（圖4）。
圖3：配有復雜3D 微通道的快速藥敏試驗用光驅動細胞分選儀
可以在半導體或電子產品用玻璃或藍寶石上鉆出許多形狀不一定是圓形的超精密微孔，如薄玻璃孔（TGVs）或顯示器玻璃孔。即使加工出具有2500個直徑為150μm的孔域，其中有些孔的直徑低至10μm，標準直徑偏差＜0.5μm，也是可能的（圖5）。
圖4：空心錐形噴嘴使燃燒更加穩(wěn)定
單個微機電系統(tǒng)（MEMS）器件可以夾持住帶有柔性軸承的光纖或用作慣性傳感器。彎曲部分切薄至10-20μm，依然具有良好的機械穩(wěn)定性，因為材料表面或表面下方沒有損傷或殘余應力。圖6為從一個1mm的熔融石英晶圓精密切割的寬度為30μm的撓曲部分。
圖5：可以在半導體或電子產品用薄玻璃或藍寶石上鉆出許多超精密微孔
通過快速的Lightfab 3D打印機和數(shù)字化生產用創(chuàng)新性CAD/CAM/NC軟件系列產品，可以生產出復雜的高精度3D零件，包括自適應分層和變量填充策略。3D玻璃零件精度的進一步提高是通過由3D CAD數(shù)據(jù)自動生成的曲面矢量實現(xiàn)的，避免了來自諸如STL文件的多邊形錯誤。除了3D設計，耦合芯片的輪廓，包括精確的對準結構，也在相同的加工步驟中完成，從而減少了后處理或進一步精密定位和校直的需要。經蝕刻和清洗后，這樣的3D精密玻璃零件就可以使用了。
圖6：為從一個1mm 的熔融石英晶圓精密切割的寬度為30μm 的撓曲部分
當在原型制造過程中發(fā)現(xiàn)某個有前景的設計，客戶希望進行較大批量的系列化生產甚至規(guī)模化生產時，SLE技術提供了擴展至大批量生產的可能性。目前，對生產效率唯一的制約是焦斑在材料中的移動速度究竟能有多快。因此，提高掃描速度可以幫助提高生產率。
通過設計和集成針對所需制造部件定制的專用型快速光束偏轉模塊，有望實現(xiàn)擴產，并為可轉化為大批量生產的快速原型技術提供了僅有的可能性。因此，玻璃精密零件的3D打印不再僅是針對原型的利基應用。
正在進行的開發(fā)包含混合制造工藝，例如，在來自相同的機器，并且由SLE技術打造的微流體通道內生產出兩個光子聚合結構。激光拋光可以應用于已由SLE工藝加工的結構，為未來生產形狀復雜的光學元件（如自由曲面的光學元件、非球面和軸棱錐）鋪平道路。
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