[发明专利]一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于衍射微光学元件的微器件的微塑性成形方法及装置，其适用于微金属器件的微塑性成形，特别适合于形状较为复杂的微器件成形，可以实现微器件的无模成形和批量化生产。

发明背景

在科学技术飞速发展的今天，工业产品的微型化程度已经成为衡量一个国家制造业水平的标准之一。面向MEMS的微机械加工技术和工艺目前大多是借用微电子的集成电路工艺，主要依赖于深反应离子蚀刻、光刻、LIGA等微细加工技术，限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的硅基材料和金属相比在机械性能方面相对逊色。可见研究适用于微器件成形的新材料和新技术非常迫切。而微塑性成形技术具有高效率、高精度、无污染、净成形、低成本批量制造零件的特点，为此，微塑性成形技术在微器件制造领域得到了很大发展，拓宽了该项技术的应用范围。

国内外在微塑性成形方面研究较多有微挤压、微压印、微弯曲、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺，并对微塑性成形系统也进行了研究。日本学者Y.Saotome(J.Mater.Process.Tech.2000，119：307-311)设计和制造了具有一定实用意义的反挤压微成形机械系统，并利用微反挤成形技术制造出了齿高为10μm的微齿轮(Microsystem Technologies.2000，126-129)。经检索国内外已有不少的关于微塑性成形的专利技术报道，专利SuperplasticForming of Micro Components(微器件的超塑性成形方法)，批准号为US6655575，其原理是采用摩擦生热的方法将加工材料加热到超塑性温度范围，与此同时完成微成形过程。专利Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形。

基于传统的塑性成形工艺的微弯曲、微拉伸、微挤压、微拉延等新工艺迅速发展起来，但成形后脱模问题一直是个难题。在宏观尺度下的脱模方法如顶出、气吹等在微器件脱模时很容易损伤工件与模具，已经难以适用；而微成形中常用的脱模剂脱模方法由于难以精确控制脱模剂厚度，对微成形的精度有一定影响；而将成形工件和模具一起浸泡在有机溶剂的脱模方法，不但脱模时间长还会在工件和模具表面残留有机溶剂；加热模具和工件到一定温度，利用两者间热应力脱模的方法脱模还没有形成实质性标准。江苏大学张永康等人在金属板料的激光冲击成形实验中取得成功，证明激光的照射能对金属产生冲击力使金属产生塑性变形，并且冲击力的能量是可控的，从而使得成形精度与成形形状得到控制。为激光冲击成形的无模成形技术提供了很多的理论依据，但这些研究局限在宏观的金属板料无模成形，同时无法满足形状较为复杂件的加工要求。专利CN101249588A报导了采用大功率脉冲激光器，由激光器发出的激光束通过外光路系统分两路分别传输到安装在夹具中的工件正反表面，通过改变激光工艺参数来调制冲击压力的大小，对双面带能量吸收层和约束层的工件正反表面进行照射，产生激光诱导的冲击波作用使工件成形。但所使用的光斑形状无法改变，无法满足形状复杂工件的加工要求。专利CN100999038A报导了利用液晶显示屏作为掩膜，由激光发生器产生激光束照射在液晶屏上，液晶屏上显示图象阻断激光通过，从而获得不同空间分布的激光能量分布，实现了金属薄板的无模微塑性成形。但所使用的液晶屏作为掩膜时，激光能量受到液晶屏损坏阀值(2W/cm²，连续光波)的限制，并且当激光束透过液晶屏后，光能损耗很大，效率在25％左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服上述专利的不足，快速而精密的微塑性无模成形的方法和装置，即一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法和装置。能够获得既定形状的精确成形，并改善待加工工件的机械性能。