基于微模具的激光冲击压印成形技术研究

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现有的制造微机电系统(MEMS)的微细加工技术,制造工艺复杂,周期长,可重复性差,不适合批量生产。近年来,基于传统成形工艺的微加工技术成为了研究的热点,但是由于尺度效应的影响使得问题变得复杂,这需要进一步的深入研究。另一方面需要积极寻求新的微成形工艺,本文提出了一种新的利用激光冲击波来加载工件实现微压印成形和微冲裁成形的工艺方法。以激光冲击压印成形技术为研究对象,介绍了激光冲击压印成形的机理,激光与物质相互作用的力效应模型,高应变率下材料的动态屈服强度,尺度效应,动态变形中的剪切带。设计了成形实验,研究了离焦量、激光能量对成形的影响。利用激光冲击波在金属箔板上制造出多种微凹腔特征,利用体式显微镜和数字显微镜(KeyenceVHX-600)的观察发现加工出来的工件不仅具有良好的表面质量而且轮廓特征很明显。围绕冲击载荷的作用机理以及材料动态响应过程建立了激光冲击压印过程数值仿真模型,综合采用ANSYS/LS-DYNA与ANSYS有限元分析软件来模拟了激光冲击压印成形。通过成形实验和数值模拟的验证,证明了激光冲击波实现金属薄板微压印成形的可行性。在研究激光冲击压印成形的失效现象时,发现激光冲击波可以实现金属薄板的微冲裁。在单脉冲激光的作用下,在厚度为10μm的箔板上成功冲裁出直径为250μm的圆孔,而且其剪切边的质量较好。实验中采用的微凹模是利用直径为220μm的铜丝通过电火花的方法加工出来的。本文也通过数值模拟的方法研究了激光微冲裁工艺。此外,结合非圆形微凹模,同样可以实现金属箔板的非圆孔冲裁。本文的基于微模具的激光冲击压印成形是一种高精度、易控、低成本、高效的三维成形工艺,且适合批量生产。本文的研究为小能量脉冲激光冲击压印和冲裁成形的工程应用提供了技术基础。
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