圖1：選擇性激光蝕刻可以生產(chǎn)帶空腔、隧腔、任意底切樣式，甚至嵌入式運(yùn)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(lán)寶石等透明材質(zhì)制成的高精度3D裝置的一種新型激光技術(shù)。通過SLE技術(shù)，部件可被加工成帶空腔、遂腔、任意底切樣式，甚至嵌入式運(yùn)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(qiáng)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(dǎo)致材料在一個非常有限的體積內(nèi)部受熱、隨后經(jīng)歷淬火流程，從而令透明材料實(shí)現(xiàn)永久性的改變。這種激光表面改性工藝不會產(chǎn)生裂紋，并且可以實(shí)現(xiàn)非常高精度的加工。
然而，請不要將這一點(diǎn)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(diǎn)處進(jìn)行逐條、逐層的3D掃描，玻璃內(nèi)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(jī)器上取出并放進(jìn)蝕刻槽中，只有改性材料被溶解在流體蝕刻化學(xué)劑中。蝕刻從表面開始，然后逐步進(jìn)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(shù)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(xì)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(lán)寶石、ULE或堿石灰玻璃。總體來說，這種高選擇性是實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^疊加射線的激光改性工藝被生產(chǎn)出來的。
選擇性激光蝕刻的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)高精度（為1μm），蝕刻后的材料內(nèi)部無殘余應(yīng)力，并且具備真正的3D功能。因?yàn)槠渑c3D打印有幾個方面是類似的，SLE技術(shù)可被視為透明材料的一種3D打印技術(shù)，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(qiáng)制性地去除支撐結(jié)構(gòu)。
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?yàn)榘l(fā)生變化的玻璃材料已經(jīng)通過濕化學(xué)蝕刻法被去除。由此產(chǎn)生的好處是，沒有必要對已經(jīng)認(rèn)證的材料進(jìn)行新的認(rèn)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(chǎn)生可能在機(jī)械負(fù)荷條件下導(dǎo)致失效的微裂紋或亞表面缺陷。因此有望用于柔性軸承領(lǐng)域。
目前，SLE技術(shù)在熔融石英中的應(yīng)用情況是能夠高效正確完成高度為7mm以內(nèi)、精度約10μm、最大隧腔長度10mm的高復(fù)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(chǎn)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(shù)領(lǐng)域以及具有不同應(yīng)用要求的熔融石英部件的制造技術(shù)，它不僅適用于原型制造，而且還能批量化生產(chǎn)各種設(shè)備和結(jié)構(gòu)。
圖2：一款直徑測得為15mm 的六角形玻璃部件
已經(jīng)在一個直徑測得為15mm的六角形玻璃部件中生產(chǎn)出用于毛細(xì)管電泳的耦合芯片（圖2），可以將毛細(xì)管集聚在一起，在化學(xué)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(fù)雜的3D微通道的快速藥敏試驗(yàn)用光驅(qū)動細(xì)胞分選儀在生物制藥技術(shù)和食品及洗滌劑生產(chǎn)中非常有用。新型的3D噴嘴在不同市場上都可以找到應(yīng)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(fù)雜3D 微通道的快速藥敏試驗(yàn)用光驅(qū)動細(xì)胞分選儀
可以在半導(dǎo)體或電子產(chǎn)品用玻璃或藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)械穩(wěn)定性，因?yàn)椴牧媳砻婊虮砻嫦路經(jīng)]有損傷或殘余應(yīng)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(dǎo)體或電子產(chǎn)品用薄玻璃或藍(lán)寶石上鉆出許多超精密微孔
通過快速的Lightfab 3D打印機(jī)和數(shù)字化生產(chǎn)用創(chuàng)新性CAD/CAM/NC軟件系列產(chǎn)品，可以生產(chǎn)出復(fù)雜的高精度3D零件，包括自適應(yīng)分層和變量填充策略。3D玻璃零件精度的進(jìn)一步提高是通過由3D CAD數(shù)據(jù)自動生成的曲面矢量實(shí)現(xiàn)的，避免了來自諸如STL文件的多邊形錯誤。除了3D設(shè)計，耦合芯片的輪廓，包括精確的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也在相同的加工步驟中完成，從而減少了后處理或進(jìn)一步精密定位和校直的需要。經(jīng)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(dāng)在原型制造過程中發(fā)現(xiàn)某個有前景的設(shè)計，客戶希望進(jìn)行較大批量的系列化生產(chǎn)甚至規(guī)模化生產(chǎn)時，SLE技術(shù)提供了擴(kuò)展至大批量生產(chǎn)的可能性。目前，對生產(chǎn)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(chǎn)率。
通過設(shè)計和集成針對所需制造部件定制的專用型快速光束偏轉(zhuǎn)模塊，有望實(shí)現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn)，并為可轉(zhuǎn)化為大批量生產(chǎn)的快速原型技術(shù)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(yīng)用。
正在進(jìn)行的開發(fā)包含混合制造工藝，例如，在來自相同的機(jī)器，并且由SLE技術(shù)打造的微流體通道內(nèi)生產(chǎn)出兩個光子聚合結(jié)構(gòu)。激光拋光可以應(yīng)用于已由SLE工藝加工的結(jié)構(gòu)，為未來生產(chǎn)形狀復(fù)雜的光學(xué)元件（如自由曲面的光學(xué)元件、非球面和軸棱錐）鋪平道路。
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