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微纳结构超精密加工及其应用研究——香港理工大学杜雪教授

2021-09-15

 

微纳结构拥有诸多优异特性,具有广阔的发展前景,广泛应用于光学、摩擦学、界面科学、生物医学、材料科学等领域。香港理工大学工业及系统工程学系超精密加工技术国家重点实验室杜雪教授长期从事微纳结构超精密加工及其应用研究,提出一系列先进加工技术和工艺,取得多项创新科研成果。
 
1 超精密飞刀伺服控制的微纳结构加工技术
超精密单点金刚石加工已被广泛应用于微纳结构制造,目前主流技术是基于快刀伺服或慢刀伺服的金刚石车削,然而快刀或慢刀伺服车削存在诸多挑战与不足,如切削过程各状态的不一致、切削机电系统动态响应能力不足、切削过程对微纳结构调节柔度低。针对以上问题,杜雪教授及其团队创新研发基于超精密飞刀伺服控制的多尺度微纳结构加工技术,该技术能应用于多层次、多尺度微纳结构功能表面的加工。团队深入研究了超精密飞刀伺服金刚石切削新原理和新方法,在单频率yz双轴振动模式下,表面微纳结构主要依赖于z轴运动,其形状及尺寸特征则进一步受到y轴轴向振动调制,这种不同运动轴的耦合运动下的微纳结构加工方法,为微纳结构制造提供了理论基础;建立压电致动空间三自由度全解耦高频调制伺服系统(图1),该系统机械结构由对称平行四边形结构及双向柔性导向铰链组成,驱动模块由高频高刚度压电陶瓷驱动器组成,采用前馈逆补偿策略构建伺服系统,基于李雅普诺夫稳态约束判据及最速收敛要求确定伺服系统最优控制参数;建立微纳结构表面形貌预估模型,考虑刀具三维几何形状、工件材料弹性恢复及极限切深对表面形貌预估模型的影响;提出切削运动空间调制策略和最优切削轨迹,基于高维调制运动包络及刀触点与低纬待加工微结构表面相切原理,运用空间计算几何最优,结合形貌预估模型确定了最优切削轨迹,有效解决了当前金刚石切削系统的固有缺陷与不足,突破现有微纳制造能力的局限性,对指导优化当前切削工艺具有重要的理论和实际应用价值。
 
2 超精密虚拟主轴车削的微纳结构加工工艺
微光学阵列如微菲涅耳透镜阵列和微光栅阵列通常具有不连续的结构、超高的形状精度和纳米级的表面粗糙度,目前的加工方法不易产生此类非连续性微纳结构阵列。为此,杜雪教授及其团队开创性地提出基于虚拟主轴的刀具伺服金刚石车削微纳结构加工工艺,实现非连续性微光学阵列在平面和自由曲面上的加工。该工艺核心思想是利用超精密机床的平移轴和旋转轴的相互协同来构造虚拟主轴,并以虚拟主轴为中心加工非连续微纳结构阵列。并研究了该工艺的刀具路径生成策略,每个微结构单元的刀具路径可以看作是一个独立的空间旋转,加工完一个微纳结构单元后,单点金刚石切削刀具沿对应的虚拟主轴退回,然后平移到新起点以切割下一个微结构单元。建立了刀具与工件相对切削运动的三维空间坐标转换矩阵,构建了超精密机床各轴协同工作控制机制,并选取复杂辐射性微纳结构进行切削实验,验证了工艺的可行性及灵活性,深化了对复杂微纳结构切削行为的理解和认知,为扩展超精密机床切削系统的加工能力提供技术支撑。图2和图3分别展示了多层次微纳结构和辐射状微纳结构阵列。
 
3 微纳结构的应用研究
疏水性微结构表面在自清洁、抗结冰、防污染、防雾、防腐蚀等方面具有重要的应用价值。然而现有的疏水性微结构表面加工方法,如光刻和激光腐蚀,难以用于批量生产。杜雪教授及其团队通过超精密光栅铣削技术实现高几何形貌精度的疏水性微沟槽和微柱加工,并通过精密注塑技术实现大规模批量化生产。研究了自清洁仿生微纳结构的几何形貌优化模型,提出可控的具有良好滑动和光学性能的注塑技术,基于对液滴接触线的观察提出新型液滴浸润状态的表征方法,拓宽了现有的凯西(Cassie)和温泽(Wenzel)润湿状态的表征方法,发现液滴在微槽上的中间浸润现象(图4),该发现为设计更先进的自清洁表面提供了更多的灵活性,为加速不同微流体装置的发展打下坚实的基础。
目前,杜雪教授及其团队在微纳结构超精密加工方面,研发了多种加工方法及工艺,可实现多尺度和大面积的微纳结构加工,突破当前微纳结构制造的局限性,大幅度提高了微纳结构制造能力和切削效率,并在微纳结构实际应用方面,如表面超疏水、表面抗腐蚀、光学衍射、金属着色等,取得了一系列进展,为国家超精密加工技术发展作出重要贡献。