包含有采用飞秒激光烧蚀步骤的生产微米级或纳米级机械零件的方法技术

生产微米级或纳米级机械零件例如用于钟／表制造中的皮带轮或皮带的加工方法，此方法包括借助飞秒激光器进行激光烧蚀的步骤，这种飞秒激光器具有持续时间小于５×１０↑［－１３］秒而在光束／材料界面上的功率大于１０↑［１２］瓦的脉冲。拟机加工的零件按三维尺寸光建模，而此三维模型则是用来产生机加工程序的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及生产微米级机械零件与纳米级机械零件的方法本专利技术还涉及由上述方法生产的零件，而这些零件是用于钟表制造业领域或此外的领域，例如测量仪表、光学、光电子学等，或需要高的加工精度的其他领域，但不包括烧蚀生物材料的领域。本专利技术还涉及生产传动件，例如皮带、皮带轮、齿轮等，特别是用于钟/表制造中的那些传动件的方法
技术介绍
国际申请WO04006026描述了利用皮带或皮带轮进行传动的钟/表制造装置。设有齿轮或其他类型的同步或异步传动装置的钟表机件是周知的。但是常常需要使这类机件的零件微型化。这些不同传动装置的生产由于人们所希望采用的尺寸与材料而受到严格限制。就所涉及到的几何结构与精度而论，这方面的要求是严苛的。这样，在生产常常是小尺寸的，且是由非金属的、聚合的、有机或复合材料制的软性机械传动件例如皮带，或是软性或刚性机械零件时，就会带来很大的困难。这些零件的尺寸通常小于2mm而齿距小于2mm，甚至约百分之几毫米。内行人将碰到下述问题-难以进行机加工或难以控制机加工过程；-材料的可控行为(理化性质)差；-不适合于用模型制造然后来复制复杂的特别是翘曲的表面；-难以采用分层的或复合的材料；-难以引入功能性形状例如齿圈形状的清晰轮廓；-在皮带情形，缺乏牵引力增强件或低摩擦系数外套。为此，在现有技术中需要有新的方法来生产允许在尺寸比例(分辨率)从毫米(10-3米)到纳米(10-9米)条件下进行机加工的机械零件。最好是，这种方法能无区别地适合所有材料，或在任何情形下都可适合于大类材料。这种机加工应该建立在对被加工的微米级或纳米机械零件，例如传动件，所进行的几何描述基础上。还需要有尺寸减小了的且制造公差极小的新型零件或元件，例如新型的皮带轮与皮带，它们是不能用常规的制造方法生产，因而也是以前未曾设想到的。用大功率激光器及加工零件的方法在先有技术中是周知的。例如，应用连续的或是具有“长”脉冲(大于500飞秒)的YAG或CO2激光二极管是对材料如金属材料或聚合物准分子进行机加工的相当标准的方法。这些方法，当用来进行小尺寸加工时，或是用来加工不能经受振荡或受到加热约束的材料时，是有局限性的。事实上业已观察到，在通以脉冲的过程中，即使是连续的过程中，材料中的热传输也会限制烧蚀区的精确度。此外，常规激光器的烧蚀区与光束的柱形相一致，这就限制了可以机加工的形状。机加工的深度则取决于激光束的功率以及材料的性质，而这是难以控制的。
技术实现思路
本专利技术的方法是以利用超短脉冲激光束来烧蚀物质，对小尺寸的零件进行机加工为基础的。特别是，本专利技术是基于在激光束/材料的相互作用面上利用具有持续时间不到500飞秒(5×10-13)而功率大于1012的激光脉冲来进行烧蚀。这些脉冲是由后面称之为飞秒激光器的特殊的激光器产生的。上述这类飞秒激光器是已知的，其技术现在已经很好地掌握，结果使得这类设备紧凑、多用途化和可靠。这类激光器的多种多样性不断增大今天所能实现的光束覆盖了整个电磁波谱，从X射线到T射线(兆兆赫射线，超过了红外线)，最大功率达到拍它瓦(若干个1015瓦特)。这些装置主要用于物理学、化学、生物学、医学与光学。由于上述装置脉冲的持续时间极短，从而能够研究发生在显微镜下的或原子级下的超高速现象。此外，在极短的脉冲时间中能产生极大的功率，形成一种极端状态，常常可与那些在聚变反应堆中遇到的情形相比。在用这种超短脉冲激光来制造微型机械元件时有以下优点-高的机加工精度； -在几乎无热的(热中性的)条件下烧蚀材料；-存在只是在“光束腰部”的焦点处才有的效果，特别是对于透明材料情形，此光束能够透过整个厚度在物质中的这样的点上进行加工，不改变其表面，也不改变其行经途径上的物质。-此光束能够在远距离以及所有角度下操作；-对所加工材料没有限制；-通过调节激光器，使得只要是在最大功率所集中的中心部位的强度大于材料的烧蚀阈值(控制焦平面上的能量密度)，就能够获得小于激光束宽度的分辨率。-就烧蚀面而言，不需如机加工那样地费力。运用飞秒激光进行材料烧蚀已如上所知，并且在Kautek et al的《Femtosecond pulse laser ablation of metallic，semiconducting，ceramic，and biological materials》，SPIE vol 2207，pp.600-511，Apr.1994以及Liu，X，et al的《Laser Ablation and Micromaching with Ultershort LaserPulser》Oct.1997，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.33，N10，pp.1706-1716等论文中有所描述。美国专利USRE37585描述了借助脉冲激光束破坏物质的方法，其特征在于能量密度的破坏阈值(Fth)对宽度(T)之比表明了用于此激光束预定的宽度值的梯度的一种急剧、快速和清晰的偏转，或者至少是可清楚探测到的并且清晰的偏转。本专利技术方法的显著优点得益于运用了持续时间特短、功率特高的脉冲。在这种极端状态下，可以用相同设备对差异极大的材料进行精密加工。尽管如此，这种脉冲的功率或持续时间仍能适用于上述材料，或者适应于机加工零件一部分时所需要的速度及精密度。本专利技术还特别根据了下述观测结果运用功率极高的、大大超过常规激光的机加工方法，使得激光束能够放射形成一个几乎瞬间的、爆炸性的升华。尽管空间尺寸很小，但机加工速度相对较快。再者，通过在一个极短的时间后中断光脉冲，烧蚀作用就被限制在直接放射的区间里，而不会触及到相邻部分。因此，所采用的这种极大的功率使得待机加工的零件能够极其清楚地切割出陡峭边沿。本专利技术还基于下述观测结果飞秒激光适用于机加工新类型的零件和新材料，特别是尺寸很小、精密度很高的零件，尤其是那些之前并无人建议使用飞秒激光(技术)的钟表元件。本专利技术还涉及用飞秒激光器制造且具有以前认为几乎无法实现的尺寸、精确度和表面状态的零件。本专利技术的方法也使机加工尺寸等于或小于2mm或最好是小于1mm的零件成为可能，上述尺寸被计算总长并且定义为连接一个零件的沿同一方向两个最远的点的线段的长度。本方法也使机加工齿状件的深度不到2毫米甚至不到0.5毫米的零件变得可能。上述零件最好通过微型操作器来保持，以保证零件表面的定位和取向能相对于激光束的取向进行加工。被加工零件能够通过由具有间隙补偿或更新功能的微米级甚至纳米级自动加工程序控制的多轴系统来保持。零件的运动是很小的，非常之快，与激光器或辅助光学器件的运动相比，通常要快得多，并且具有更高的精度和可重复性。不过也有可能同时甚至单独地移动激光器或偏离激光束。通过至少在一个平面上(X轴和Y轴)沿着C轴旋转，最好是沿着垂直于该平面的Z轴，并且/或者沿着两条垂直的A轴和B轴旋转将零件传送至机器，则烧蚀区能够得到调整。如前所述，也能设想激光器或相关光学器件的位移情形。此外，根据平行于Z轴的方向能够控制焦距。通过取得了与机加工形状的描述相对应的数据的机加工程序，能够控制位移过程。这种描述以数学形式给出，而此机加工程序则决定激光束用于生成这些形状所要不断地或逐步地经过的路径。本专利技术是建立在利用新的曲线族并考虑飞秒本文档来自技高网...

【技术保护点】
生产微米级或纳米级机械零件的方法，其特征在于：此方法包括有激光辅助烧蚀步骤，所利用的激光具有持续时间小于５×１０↑［－１３］秒和在光－材料界面上的功率大于１０↑［１２］瓦的脉冲。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：G塞蒙，
申请(专利权)人：豪雅公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]