概述

市場對高產(chǎn)出噴墨打印機系統(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，推動了市場對由高抗性材料組成的全新噴墨打印機的設(shè)計需求。隨著每個打印頭噴嘴數(shù)量的增加、加工時間縮短、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、蝕刻和長脈沖寬度激光系統(tǒng)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(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(chǎn)的嚴格要求。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(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，例如為射流式過濾器和濾網(wǎng)進行微鉆孔設(shè)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(shù)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(zhǔn)、無接觸加工、精確分配能量輸入、傳熱少以及重復(fù)性強的優(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(jù)具體應(yīng)用，可以使用不同類型的激光進行微鉆孔。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(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(dǎo)是靜態(tài)的。根據(jù)焦點設(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)千個孔。但是，沖擊鉆孔無法達到高質(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(shù)的優(yōu)點在于其可以打出直徑可達數(shù)毫米的微孔，而且重復(fù)性更強；該技術(shù)除了鉆圓孔，還可以鉆出特殊形狀的孔。此外，也可以通過這種技術(shù)將圓錐形的微孔變成直徑更一致的“直”孔，這對于很多應(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(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)正確流動以及油墨在基體上精確分布的關(guān)鍵，因為人眼無法識別一次錯誤噴射產(chǎn)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(yīng)的高速率產(chǎn)出都是關(guān)鍵的參數(shù)。為了應(yīng)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(tǒng)（用于為特殊噴墨打印系統(tǒng)的噴嘴鉆孔）制造經(jīng)驗，并基于此開發(fā)了一種模塊化的激光系統(tǒng)（見圖 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。根據(jù)客戶要求，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（10^-13 s 至 10^-15 秒）的超短脈沖周期，因此常常被稱作“冷消融技術(shù)”。不過，該技術(shù)僅適用于脈沖周期少于十飛秒的超短脈沖。如果脈沖周期超過十飛秒，基體中電子和光子會相互作用并產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。這種技術(shù)理論上會將脈沖周期控制在皮秒以內(nèi)，并作用于不到 100 納米的材料寬度。超短脈沖激光的優(yōu)點在于，其可以在極短的時間內(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，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的“無熱相變”以及極為精準(zhǔn)的加工。這項技術(shù)有利于實現(xiàn)高價值的結(jié)構(gòu)，且不會對周圍材料產(chǎn)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(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，我們在皮秒和飛秒范圍內(nèi)對技術(shù)流程進行了評估。我們根據(jù)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(qū) XY 定位系統(tǒng)完成整個工件的移動（定位精確性：± 0.002 mm；重復(fù)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(zhì)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(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)從材料背部進行加工，而且使用了一種沿著基體背部流動的介質(zhì)。激光消融過程會精確使用這種流動介質(zhì)，帶走消融過程中產(chǎn)生的殘渣等物質(zhì)，同時防止基體產(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)元件開孔和層間連接。