在各種增材制造技術(shù)中，雙光子聚合(2PP)已成為制造納米級高分辨率結(jié)構(gòu)的有力工具，但2PP工藝的特定工藝屬性可能導(dǎo)致極長的打印時間和由于FOV拼接而導(dǎo)致的部分打印缺陷。近年來，運動控制技術(shù)的進步為克服這些挑戰(zhàn)提供了替代解決方案，使2PP系統(tǒng)制造商能夠顯著提高生產(chǎn)效率。

　　文/艾羅德克Aerotech BRYAN GERMANN

　　增材制造，也被稱為3D打印，通過其前所未有的精度和靈活性創(chuàng)造復(fù)雜的定制的零件，已經(jīng)徹底革新了制造業(yè)。在各種增材制造技術(shù)中，雙光子聚合(2PP)已成為制造納米級高分辨率結(jié)構(gòu)的有力工具。該技術(shù)令人印象深刻的分辨率展示了其獨特的可擴展性挑戰(zhàn)：即為了實現(xiàn)最小體素尺寸(通常<150 nm3)所需的亞微米激光光斑尺寸。激光掃描儀有限的視場(FOV)使得可擴展性進一步受到挑戰(zhàn)。

　　2PP工藝的這些特定工藝屬性可能導(dǎo)致極長的打印時間和由于FOV拼接而導(dǎo)致的部分打印缺陷。

　　標準的3D打印努力生產(chǎn)功能交織的結(jié)構(gòu)，如鏈甲，因為這些結(jié)構(gòu)必須在生產(chǎn)過程中得到物理支持。相比之下，多光子聚合技術(shù)可以打印懸浮在凝膠或液體單體中的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)無支撐的3D打印(由Femtika提供)。

　　近年來，運動控制技術(shù)的進步為克服這些挑戰(zhàn)提供了替代解決方案，使2PP系統(tǒng)制造商能夠顯著提高生產(chǎn)效率。

　　在深入研究這種運動控制解決方案的工程基礎(chǔ)之前，有必要了解多光子聚合的基礎(chǔ)知識及其與增材制造的相關(guān)性。

　　與其低分辨率的姊妹技術(shù)——立體光刻技術(shù)(利用放置在平面層中的激光硬化光敏聚合物液體)一樣，2PP技術(shù)是利用飛秒激光發(fā)出的超短激光脈沖來誘導(dǎo)多光子聚合。來自飛秒源的激光脈沖非常短，以至于目標聚合物鏈只能在激光的最大焦點處固化。這意味著大量的聚合物可以在自由空間中硬化，而且極低的質(zhì)量可以使其在周圍的液體中保持位置。在液體體積內(nèi)的選定X/Y/Z位置重復(fù)此過程，可以逐層創(chuàng)建所需的固體結(jié)構(gòu)。高精度、精細分辨率和零支撐框架下聚合物鏈的自由空間固化使2PP工藝成為微制造、微光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用的理想選擇。

　　2PP系統(tǒng)中的激光光斑通常使用激光掃描頭定位，激光掃描頭通過移動反射鏡穿過聚焦物鏡將聚焦光束移動到一個區(qū)域上。然而，其中一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，激光掃描頭的有限視場決定了可以打印的結(jié)構(gòu)的最大尺寸。高數(shù)值孔徑物鏡是減小激光光斑尺寸所必需的，它進一步減小了工作距離和視場，從而使這一挑戰(zhàn)復(fù)雜化。因此，如果不使用線性平臺來移動掃描儀或打印機床，在單次掃描中打印大型結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)將是困難的。

　　1 超越掃描頭的視野限制

　　與激光掃描頭光學(xué)相關(guān)的視場限制產(chǎn)生較小的光斑尺寸，并不局限于2PP的亞微米工藝需求。所有利用激光掃描頭進行光束運動的激光過程通常都會遇到這些限制。這種復(fù)雜性促使了先進的新控制器功能的拓展，使視場的擴展成為可能。

　　實現(xiàn)這種行為的最常見方法是視場的拼接，在一個掃描儀的視場內(nèi)的運動于線性伺服平臺將視場移動到一個全寬度之前執(zhí)行。這使得下一個視場得以進行。重復(fù)這個過程，直到整個所需區(qū)域進行完成。

　　實例：采用步進重復(fù)拼接法擴展激光掃描頭視場時，常見的不一致拼接誤差。使用無限視野(IFOV)，(右上)消除了相同特征中的邊界誤差(由Femtika提供)。

　　這種方法為更先進的運控創(chuàng)造了機會，有助于消除拼接過程中的邊界誤差，例如，需要多個視場拼接的特征可能會導(dǎo)致加工材料中的間隙或不連貫。在2PP過程中，這些錯誤會導(dǎo)致應(yīng)力點，缺失特征，或打印的過度或錯誤固化區(qū)域。

　　實現(xiàn)超越透鏡視場極限的精確軌跡的更有效方法是同時移動激光束和被加工組件。這可以實現(xiàn)無限視野(IFOV)。

　　IFOV允許小光斑尺寸和需要高數(shù)值孔徑鏡頭的視野，在整個線性平臺區(qū)域上應(yīng)用2PP的過程中不會損失任何定位速度或分辨率。

　　關(guān)于無限視野(IFOV)如何利用線性XY伺服軸來擴展激光掃描頭的視場(FOV)的演示。當(dāng)掃描器視場沿伺服平臺運動的同時，它可以處理視場內(nèi)的任何圖形特征(由Femtika提供)。

　　分辨率高達150納米的多光子聚合技術(shù)可以以亞微米大小的細胞單元制造類似支架的結(jié)構(gòu)(由Femtika提供)。

　　例如，在Aerotech開發(fā)的系統(tǒng)中，IFOV允許單個控制器架構(gòu)用于激光掃描頭軸(Gx/Gy)以及外部線性軸來移動部件(X/Y)?？刂艷x/Gy的振鏡伺服驅(qū)動器具有來自X/Y驅(qū)動器的編碼器信號的物理外部輸入。所有驅(qū)動器都使用基于光纖的低延遲通信總線連接;一個實時的基于pc的運動控制器來維持控制。IFOV進一步使系統(tǒng)的軌跡能夠通過發(fā)送到激光掃描頭軸(Gx/Gy)的簡單g代碼命令來執(zhí)行。

　　IFOV的工作原理是根據(jù)發(fā)送給掃描儀Gx/Gy軸的位置命令生成X/Y伺服軸的命令。這是因為Gx/Gy軸以200khz的軌跡速率工作，而線性伺服軸以20khz的速率工作——高出一個數(shù)量級。但是所有的軸都是實時同步的。

　　更高的軌跡速率意味著Gx/Gy可以在X/Y之前移動，而X/Y執(zhí)行命令的速度更慢——允許更多的X/Y錯誤，而不會影響打印機床上激光光斑的精度。激光的位置精度和速度在四個運動軸(Gx/Gy/X/Y)之間共享，允許在線性平臺的整個行程路徑上保持恒定的處理速度。

　　2 激光光斑定位精度

　　除了IFOV外，基于位置的激光脈沖控制進一步提高了2PP工藝的精度和效率。由于單個激光脈沖產(chǎn)生單個固化材料的體素，因此對脈沖的不準確控制將導(dǎo)致糟糕的打印質(zhì)量。位置同步輸出(PSO)可以通過同步激光的脈沖速率與來自激光掃描頭軸(Gx/Gy)的原始編碼器反饋來實現(xiàn)。這確保了沿設(shè)定軌跡的激光脈沖的正確間隔，并且獨立于掃描儀在每層上的移動速度。

　　PSO是一種可配置的工具，允許用戶定義脈沖之間的間隔以及每個脈沖的功率水平。當(dāng)激光在表面上移動時，當(dāng)該位置滿足預(yù)定義的事件類型標準時，PSO觸發(fā)事件成為當(dāng)前編碼器計數(shù)位置。在此觸發(fā)事件中沒有基于軟件的計算或延遲。控制器“知道”PSO輸出直接由相關(guān)軸的位置驅(qū)動。這意味著，無論掃描儀是加速還是減速，激光脈沖之間的間隔和它們各自的功率水平都將提供精確的過程通量。確保每個位置的影響一致，進一步確保在2PP過程中保持一致的尺寸和準確定位的體素。

　　PSO作為一種控制激光觸發(fā)的解決方案而出現(xiàn)。這是因為大多數(shù)激光工藝需要精確的光束通量和光斑位置，但激光掃描頭軌跡的高速對于這種精度具有挑戰(zhàn)性。PSO允許掃描頭在不需要觸發(fā)的區(qū)域快速移動，但仍然保持準確的激光點位且不會減速。矢量和基于光柵的激光軌跡都可受益于這種激光觸發(fā)控制方法。PSO與IFOV的結(jié)合使得激光掃描頭和線性軸編碼器都可以觸發(fā)激光脈沖。

　　3 價值體現(xiàn)

　　IFOV和PSO不僅僅是工程學(xué)的概念。它們在由立陶宛維爾紐斯大學(xué)激光研究中心衍生公司Femtika開發(fā)的基于激光的3D微處理工具中的實例中展現(xiàn)了真實的能力。該公司的工具適用于2PP，激光燒蝕和選擇性激光蝕刻工藝。

　　他們的激光工作站的核心始終由飛秒激光器與納米精度的定位系統(tǒng)相結(jié)合組成。為了達到這種精度，F(xiàn)emtika利用了線性平臺和激光掃描頭以及由Aerotech開發(fā)的IFOV和PSO控制器技術(shù)。

　　Femtika的首席技術(shù)官Vytautas Purlys表示，當(dāng)Femtika第一次著手開發(fā)這些系統(tǒng)時，他們的工作假設(shè)是，納米精度只能通過壓電級和固定光學(xué)設(shè)備來實現(xiàn)。當(dāng)時最常見的解決方案是將壓電工作臺安裝在較大的、不太精確的機械工作臺上。

　　Femtika發(fā)現(xiàn)這種方法足以應(yīng)對小型結(jié)構(gòu)的工藝，但在處理較大型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時，會出現(xiàn)拼接問題和導(dǎo)致極其漫長的制造時間。另外，利用基于IFOV和PSO控制器技術(shù)的高精度線性平臺和振鏡， Femtika不僅在加工較大的微結(jié)構(gòu)時看到了質(zhì)量的提高，而且制造速度也提高了10倍。Femtika發(fā)現(xiàn)，通過整合Aerotech的激光掃描頭，它可以將處理速度進一步提高10倍。

　　Purlys說，F(xiàn)emtika的老式壓電2PP系統(tǒng)可以在一夜之間生產(chǎn)幾十個零件，而使用IFOV和PSO功能以及先進的運動控制硬件，使其能夠在相同的時間內(nèi)生產(chǎn)數(shù)千個高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。

　　將打印時間提高20倍，使2PP工藝能夠在更短的時間內(nèi)生產(chǎn)出體積更大、質(zhì)量更高的零件。此外，它使微米級增材制造工藝超越樣機生產(chǎn)，變得更加實用。

　　4 展望

　　先進的控制器功能，如IFOV和PSO，直擊2PP增材制造工藝以及其他激光微加工應(yīng)用的關(guān)鍵質(zhì)量和產(chǎn)量的挑戰(zhàn)。它使大規(guī)模生產(chǎn)高度可重復(fù)的零件具有成本效益，使一個曾經(jīng)看起來效率與精確度不足的生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更實用和更有價值的制造方式。