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概述

市場對高產出噴墨打印機系統以及耐酸性印刷油墨和研磨材料（例如納米顆粒）的打印系統的需求不斷增長，推動了市場對由高抗性材料組成的全新噴墨打印機的設計需求。隨著每個打印頭噴嘴數量的增加、加工時間縮短、全新噴嘴形狀的出現以及相應高速率產出要求的提升，現代生產技術，例如電鍍、蝕刻和長脈沖寬度激光系統在制造這類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，這種技術能夠以數字形式，采用皮秒和飛秒（10¹³ - 10¹⁵s）級超短脈沖激光鉆出具有精確幾何形狀的微孔，滿足噴墨打印機生產的嚴格要求。與傳統加工工藝相比，數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角。

簡介

在物體上鉆出具有精確幾何形狀的微孔對很多行業(yè)都具有重要的意義。激光鉆孔技術正在取代傳統鉆孔工藝，并為很多應用領域提供支持，例如為射流式過濾器和濾網進行微鉆孔設置、對高性能太陽能電池鉆孔或者為自動化行業(yè)的噴嘴鉆孔。激光技術在噴墨打印機制造方面正變得越來越重要，這是因為激光具有精準、無接觸加工、精確分配能量輸入、傳熱少以及重復性強的優(yōu)良特性。激光技術還在定義鉆孔幾何形狀方面具有額外的靈活性。例如，可以通過高深寬比（鉆孔深度和鉆孔直徑的關系）鉆出微孔，也可以通過改變激光加工過程中的加工策略鉆出帶有錐度的微孔。

激光鉆孔基本原理

根據具體應用，可以使用不同類型的激光進行微鉆孔。紫外區(qū)的準分子激光和固態(tài)激光非常適用于加工聚合物，而可見光區(qū)和紅外區(qū)的固態(tài)激光則適用于加工金屬。不過，僅僅選擇適當的激光并不能確保成功的結果。選擇適當的鉆孔技術同樣具有決定性的作用。人們熟知的鉆孔技術包括沖擊鉆孔和套孔技術。

沖擊鉆孔是指使用多個短周期的激光脈沖進行鉆孔，直到孔深達到所需要求（見圖 1）。該流程的光束制導是靜態(tài)的。根據焦點設置，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，每秒鐘可以鉆出數百甚至數千個孔。但是，沖擊鉆孔無法達到高質量的鉆孔要求。

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圖 1：沖擊鉆孔的原理。

套孔技術同樣利用多個激光脈沖進行鉆孔。鉆出最初的定位孔后，再使用激光擴大定位孔，采用逐漸擴大的畫圈方式在工件上方移動。套孔技術的優(yōu)點在于其可以打出直徑可達數毫米的微孔，而且重復性更強；該技術除了鉆圓孔，還可以鉆出特殊形狀的孔。此外，也可以通過這種技術將圓錐形的微孔變成直徑更一致的“直”孔，這對于很多應用都非常重要。

噴墨打印噴嘴激光鉆孔

制造工業(yè)噴墨打印系統時要制造各種噴嘴類型。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。根據噴墨打印系統制造商的不同要求，可能需要不同的噴嘴幾何形狀、形態(tài)和牙側角（圖 2）。

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噴墨打印系統典型噴嘴形狀的進口直徑為 50 - 100 微米，出口直徑為 20 - 40 微米。除了制造適當的噴嘴幾何形狀，激光鉆孔最重要的性能還包括保持高表面品質、重復性和精確性。這些都是保證印刷介質正確流動以及油墨在基體上精確分布的關鍵，因為人眼無法識別一次錯誤噴射產生的油墨痕跡。

由于每個打印頭有很多噴嘴，因此加工時間長短和相應的高速率產出都是關鍵的參數。為了應對這些需求以及滿足工業(yè)制造商的要求，3D-Micromac 公司開發(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（用于為特殊噴墨打印系統的噴嘴鉆孔）制造經驗，并基于此開發(fā)了一種模塊化的激光系統（見圖 3），該系統集成了高速率產出和超低制造成本的優(yōu)勢。根據客戶要求，該系統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”。

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超短脈沖激光消融技術

激光消融技術具有皮秒和飛秒級（10^-13s 至 10^-15 秒）的超短脈沖周期，因此常常被稱作“冷消融技術”。不過，該技術僅適用于脈沖周期少于十飛秒的超短脈沖。如果脈沖周期超過十飛秒，基體中電子和光子會相互作用并產生熱傳導。這種技術理論上會將脈沖周期控制在皮秒以內，并作用于不到 100 納米的材料寬度。超短脈沖激光的優(yōu)點在于，其可以在極短的時間內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)域將產生高達數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，從而實現準確的“無熱相變”以及極為精準的加工。這項技術有利于實現高價值的結構，且不會對周圍材料產生實際熱影響或污染。

成果

為了保證新的超短脈沖激光消融技術能夠滿足噴墨打印系統噴嘴鉆孔的質量和精確性要求，我們在皮秒和飛秒范圍內對技術流程進行了評估。我們根據噴嘴加工材料采用了紅外光譜和可見光譜的激光源。

檢流計掃描儀生成鉆孔幾何形狀。通過直驅 XY 定位系統完成整個工件的移動（定位精確性：± 0.002 mm；重復性：± 0.001 mm）。我們采用無氧流程從微孔上移除消融的材料，同時防止金屬氧化——這進一步提升了消融加工的質量。

所有加工材料的鉆孔效果：視覺完美、高度一致的噴射幾何形狀。熱影響區(qū)域、突出點或加工材料的消融也幾乎不可見（見圖 4）。孔壁粗糙度大約為 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行了橫截面分析，確認了噴射幾何形狀的同質性（圖 5）。

玻璃噴嘴制造的發(fā)展現狀

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 公司開發(fā)了 FSLA™（流體支持的激光消融）技術。這種激光消融技術也用到了超短脈沖激光。這種技術從材料背部進行加工，而且使用了一種沿著基體背部流動的介質。激光消融過程會精確使用這種流動介質，帶走消融過程中產生的殘渣等物質，同時防止基體產生熱積累。厚度介于 50 微米和 50 毫米之間的材料可采用這種方式進行加工。

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