关键词： 电火花加工   电极校正   教具  

摘要： 随着我国机械加工专业化程度的不断提高,社会急需大量电火花加工技术人员。目前,电火花设备还存在不稳定性,电极安装校正需要花费大量时间。为此,笔者研制了电火花机头电极校正教具,以方便学生学习,提高学习效率。

关键词： 表面增强拉曼散射   间隙模式   矢量光场   局域表面等离激元共振   激光加工  

摘要： 表面增强拉曼光谱术（SERS）是极少数能够达到单分子检测灵敏度的物质检测技术之一。作为一种强大的物质结构、组分分析技术,其在物理学、材料科学、生命科学、分析化学及纳米技术等领域具有广泛的应用前景。贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应（Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR）为拉曼光谱术提供了一种十分有效的增强手段,基于LSPR效应构建贵金属纳米结构的间隙模式可以极大的提高拉曼检测灵敏度,甚至可以达到单分子检测水平。在理想情况下,SERS基底应具有高电场增强因子、高均匀性及可重复性等。目前,还少有SERS基底制备技术能够同时满足上述要求。本文基于表面增强拉曼散射原理及LSPR效应,旨在通过研究不同金属纳米结构的制备及表面等离激元模式激发原理,以实现具有高检测灵敏度、高均匀性及重复性的SERS检测。本论文主要内容如下: （1）理论分析了表面等离激元产生的条件,并对金属自由电子振荡模型和金属纳米体系中产生表面等离激元的物理机制进行阐述;从局域表面等离激元出发,解释了贵金属纳米球的表面等离激元模式形成过程;根据不同贵金属纳米颗粒表面激发局域表面等离激元共振效应及表面等离激元耦合产生的相关理论条件,比较了贵金属纳米颗粒的LSPR效应与其尺寸、形貌、距离和“热点”（hot spot）的增强关系。确定了金属纳米颗粒不同参数对LSPR效应的影响。最后,简要介绍了仿真数值计算方法的时域有限差分法（FDTD）。 （2）利用飞秒脉冲扫描银膜,制备了具有多种分布的银纳米颗粒SERS基底;对制备的SERS基底的表面形貌进行了SEM表征;根据表征结果进行模型构建,利用FDTD对制备的银纳米颗粒的吸收谱、单个颗粒的表面模式及多个颗粒的间隙模式进行了数值模拟;此外,使用自搭建的拉曼测试系统,检测了SERS基底的拉曼增强特性。实验结果表明:利用该方法制备的银纳米颗粒具有非常好的电场增强特性,电场增强因子可达～10～3,拉曼检测灵敏度达到10-13M。最后,利用银纳米颗粒的表面对称破缺,研究了银纳米颗粒的非线性聚焦特性,实验结果表明:利用飞秒脉冲激发银纳米颗粒,可以测量到银纳米颗粒产生的二次谐波,说明银纳米颗粒具有很好的表面二阶非线性光学响应。 （3）将自组装技术与真空镀膜方法相结合,并利用聚苯乙烯（PS）纳米球光刻技术,制备了具有不同结构参数的银纳米棱镜阵列;将纳米棱镜阵列作为SERS基底,对其表面形貌进行了扫描电镜（SEM）表征;根据SEM表征的结构参数,利用FDTD法建立仿真模型,将紧聚焦角向矢量光及线偏光作为激发光源,数值模拟了银纳米棱镜阵列的表面等离激元模场分布及其电场增强特性,数值模拟结果表明:紧聚焦角向矢量光激发结构单元直径为600 nm的纳米棱镜阵列,其电场增强因子比线偏光激发高三倍;实验检测了角向矢量光激发下,纳米棱镜阵列作为SERS基底的拉曼检测灵敏度、均匀性、重复性及拉曼增强因子。

关键词： 电火花加工   气膜孔几何特征检测   传感器标定   检测轨迹规划   点云数据处理  

摘要： 气膜冷却孔是提升航空发动机效率、可靠性及耐高温性能的关键,气膜冷却效果受气膜孔轴向、孔径及空间分布等几何特征影响较大。但是,由于叶片的铸造偏差、电火花加工误差等因素,部分气膜孔几何特征存在不达标的情况。因此,如何在涡轮叶片的曲面上,对数量多、孔径小、轴线方向多变的气膜孔进行几何特征测量检测,成为了国产航空发动机制造的重点和难点。为此,本文围绕电火花加工涡轮叶片气膜冷却孔几何特征检测技术展开研究,研发基于三维激光点云的检测系统,主要包含传感器标定、检测轨迹规划和点云数据处理三个模块,并通过实际检测实验,验证系统的有效性。以线激光传感器为测量头,五轴机床为运动平台,搭建检测样机,从而实现气膜孔几何特征检测。传感器标定模块,其功能是标定传感器零点位置和光束方向矢量,以实现检测系统多坐标系下的坐标转换。针对传统标定算法中存在的非线性方程组求解难度大、依赖特定标准件以及受初值影响大等问题,研究了基于运动学建模及平面几何约束的标定算法,构建超静定线性方程组,从而实现传感器标定。标定精度为0.012mm,满足测量需求。轨迹规划模块,其功能是规划扫描轨迹,对潜在的硬件碰撞、光束干涉进行检测及规避,从而确定准确、高效、安全的轨迹。针对激光扫描中存在的测量范围小、角度要求严、检测点数多以及硬件碰撞、光束干涉等问题,研究检测方向和坐标分布、基于点云扫描体的碰撞检测及规避、基于点云监测的光束干涉检测、基于检测方向二次规划的光束干涉规避等算法。并通过VERICUT软件进行仿真验证,最终准确、高效及安全地获取点云数据。点云数据处理模块,其功能是通过点云分割、轴向提取、孔径拟合及交点位置计算等方式,确定气膜孔几何特征参数。针对点云提取分割中存在的鲁棒性低等问题,研究基于扫描线拟合残差的分割算法,将三维点云降维为二维扫描线,并借助拟合残差实现目标分割;针对轴向提取中存在的法矢量精度低、点云数量少以及平面拟合误差大等问题,研究基于改进高斯映射变换的轴向提取算法,借助效果评价函数、高斯映射补全以及随机一致性采样,实现轴向提取;针对孔径提取中存在的计算效率低、受初值影响大等问题,研究基于轴向投影的孔径拟合算法,将三维气膜孔径转化为二维圆环直径,并就投影后的噪点滤波,提出基于误差概率统计的变力度迭代滤波算法,从而实现孔径的定性检测;针对气膜孔位置,通过计算轴线与曲面的交点坐标,进而确定气膜孔空间分布。此外,基于仿真点云及电火花小孔加工样件,验证算法的原理可行性及实际操作性。通过气膜孔实际检测实验,验证系统检测效果,分析精度影响因素。基于实测点云,借助Geomagic验证算法精度;通过静态、半动态以及全动态检测实验,对传感器测量精度、叶片装夹误差、平台定位误差进行解耦分析。数据表明,检测系统轴向、位置及孔径检测精度分别为0.405°、0.038mm与0.024mm。从而,为气膜孔轴向及位置的定量检测及孔径的定性预筛检测,提供一种有效可行的技术方案。

关键词： 艾里光   飞秒激光   成像   三维加工   细胞迁移  

摘要： 由于独特的无衍射、自加速与自修复特性,艾里光已成为目前的研究热点,尤其是艾里光的生成方法与其应用领域。但是,目前生成艾里光的方法并不能同时满足紧凑的光路构造、连续的相位调制以及高光学效率,因此限制了艾里光的应用领域。此外,对于艾里光的研究刚处于起步阶段,更多的应用领域有待探索。本文基于飞秒激光加工技术,研究了艾里光的生成、成像以及三维全息加工应用,具体内容如下:1.基于飞秒激光直写加工技术,设计制备了不同调制深度的连续相位变化的微型立方相位板,并验证了高光学效率(532nm波长下～79%)。利用该相位元件实验生成了单色和彩色艾里光,分析了调制深度与入射波长对艾里光无衍射与自加速性质的影响。利用艾里光实现了字母的成像(艾里字母),并实验验证了艾里字母继承了艾里光的三大特性。2.利用立方频谱的相位变换生成了对称与非对称艾里光,并通过飞秒激光直写加工制备了生成该光场的微型相位元件。此相位元件具有紧凑的结构尺寸(60μm×60 μm×1.1μm)、高光学效率(532nm处～81%)、连续的相位变化以及宽波段生成光场(405nm-780nm)的性能。通过对称与非对称艾里光实现了不同输入信号的动态成像,实验表明任意信息在不同传输位置都呈现出不同的成像结果。此外,将相位元件集成在柔性基底上,并实验验证了拉伸和扭转的稳定性与灵活性。3.介绍了射线回溯法导出给定传输轨迹光场的初始相位的方法,导出了直接生成艾里光的初始相位。将直接生成的艾里光用于飞秒激光全息加工,实现了三维弯柱微结构的单次曝光加工,大大提高了飞秒激光加工的效率。通过相位变换,生成了艾里光的衍生自加速光场,并将其用于三维全息加工,实现了开口朝外和朝内的微爪结构的单次曝光加工。研究了毛细力可控的微爪的张闭,并通过加工参数分析得到了最佳加工参数区。将动态全息与三维移动台的运动相结合,实现了多参数灵活调控的复合运动加工。进一步引入自组装技术,实现了复杂三维微结构的大面积高精度超快制备,在保证高加工精度的前提下,进一步提升了加工效率。4.利用飞秒激光三维全息加工技术快速制备了带孔沟槽结构,研究了人乳腺癌细胞MDA-MB231在不同参数的结构上的三种迁移状态:卡死、引导迁移和穿行迁移。通过分析细胞迁移方向系数、迁移速度和迁移持续时间以及细胞形态、细胞核形态、细胞骨架蛋白和黏着斑蛋白解释了物理结构引导的不同细胞迁移状态的形成原因,对受限环境下癌细胞的迁移与入侵研究具有一定的指导价值。

关键词： 微球   激光加工   液相   微纳结构   接触角  

摘要： 本工作提出液相下二氧化硅微球作为聚焦透镜辅助激光直写的新思路,在铁镍合金和钛合金表面制造出小于常规激光直写加工尺寸的微纳结构,并通过扫描电子显微镜(SEM)和接触角测量仪研究了激光功率、微球尺寸和浓度等参数对其表面形貌结构及接触角的影响。主要研究了微球辅助激光加工及微纳结构特性相关的背景、发展现状及基础理论包括激光与物质相互作用机理、微球辅助激光加工机理以及液相下微球辅助激光加工机理,为实验研究提供了研究背景和基础理论。介绍了液相下微球辅助激光加工工艺及实验结果测试分析设备,并且设计了实验系统。液相下微球辅助激光加工铁镍合金,选择不同尺寸二氧化硅微球和不同浓度微球溶液,改变激光功率、激光扫描次数、激光扫描间距以及激光扫描速度等参数进行实验,在铁镍合金表面加工出了凹坑状结构,验证了该方法的可行性。利用扫描电子显微镜对结构进行表征,详细分析了激光参数对表面微纳结构的影响、微球溶液浓度对表面微纳结构的影响以及微球尺寸对表面微纳结构及其浸润特性的影响。分析表明:激光功率决定了结构的形状,随着激光功率的增加,凹坑结构尺寸有增大的趋势;微球的浓度决定着凹坑结构的数量;微球的尺寸决定着凹坑结构的大小。通过液相下微球辅助激光加工在铁镍合金上加工出了多种结构并发现了各参数条件对结构的影响趋势。液相下微球辅助激光加工钛合金,根据加工铁镍合金时得出的规律,在加工钛合金时,重点研究激光功率、激光扫描间距以及微球尺寸对微纳结构和浸润性的影响,进行实验并得到以下几点结论:(1)随着所用激光功率的增大,钛合金上产生的微米级凹坑形结构的大小和深度有增大的趋势,纳米孔的数量有减少的趋势,波纹形结构也有加深的趋势,结构的接触角也有增大的趋势。(2)激光扫描间距较大时,基本只有凹坑形结构,扫描间距较小时,既有凹坑形结构又有波纹形结构,随着扫描间距的减小,凹坑形结构的数量增多;结构的接触角大小受凹坑形结构的大小、数量以及波纹形结构的有无所影响。(3)随着微球尺寸的增加,凹坑形结构增大,凹坑形结构越大,结构的接触角越大。根据得出的结论,改变参数,可以制备出所需特定浸润性的钛合金表面微纳结构。本实验可能为在钛合金表面的亲水和疏水结构设计以及亲疏水结构转换方面提供了新的研究思路;而由于加工过程在液相条件下进行,溶液可重复利用,无需耗时配置,具有节省材料,省时高效的优点;加工微球被限制在了溶液中而不会向空气中扩散,降低了实验中吸入二氧化硅颗粒的可能性,是一种健康环保的绿色加工方式,并有机会应用到未来的科研及生产中,具有非常广阔的潜在价值与意义。

标准号: BS EN ISO 11553-1-2020

摘要： This document describes laser radiation hazards arising in laser processing machines, as defined in 3.7. It also specifies the safety requirements relating to laser radiation hazards, as well as the information to be supplied by the manufacturers of such equipment (in addition to that prescribed by IEC 60825).Requirements dealing with noise as a hazard from laser processing machines are included in ISO 11553-3:*** document is applicable to machines using laser radiation to process *** is not applicable to laser products, or equipment containing such products, which are manufactured solely and expressly for the following applications: photolithography; stereolithography; holography; medical applications (per IEC 60601-2-22 ); data storage.

关键词： 课程思政   项目式开发   激光加工   工匠精神  

摘要： 借学校及所属专业群入选"双高计划"之际,以红色主题作品的项目式开发为实施模式,将思政教育与专业课程密切结合。根据高职教育的学情特点和培养目标,在将思政教育潜移默化、入脑入心的同时,提高学生的专业技能和综合素质,养成合格"匠人",培养德才兼备、德智体美劳全面发展的新时代中国特色社会主义事业建设者和接班人,为中国特色社会主义先行示范区——深圳输送高素质技术技能人才。

关键词： 特种加工   教学改革   创新能力培养   中国制造2025  

摘要： 特种加工是先进制造技术的重要组成部分,是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段。因此,以培养学生的创新能力和工程素养为目标,结合特种加工课程内容的特点提出优化教学内容、项目化教学、研究型教学、重视实验教学和搭建虚拟实验平台等改革措施可以激发学生的学习兴趣,增强学生的理论水平、创新能力和工程素养。

关键词： 超疏水/超亲水   激光加工   各向异性   粘附力   流体阻力  

摘要： 各向异性超润湿表面具有定向液体运输,水滴黏附等特殊性能,在雾气收集、细胞工程、药物补给等领域具有重要应用。激光加工具有加工精度高,使用方便,材料选择性广泛等特点。本文采用激光刻蚀技术,在金属表面设计制备了具有各向异性的超润湿微结构表面,并探讨了其各向异性的实现机理和调控方法。主要工作如下:1、设计了一种非对称多方向楼梯（asymmetric multi-directional stairway,AMDS）微结构,通过激光精准选区的逐层刻蚀法在铝合金表面制备,实现了四个方向上对水滴的各向异性粘附力超疏水特性。在具有7个“台阶”的AMDS微结构表面,四个方向的水滴滚动角可分别达到8°17.2°,21.5°和35.5°。然后揭示了其各向异性的实现机理,是台阶坡面引起的阻力效应和黏附力的耦合作用结果。此外,通过AMDS微结构的特殊排列,设计了一种微流控表面案例,实现了液滴在表面上的有序滚动。2、设计了一种超疏水/超亲水复合微结构表面,通过两次激光扫描法在镁合金表面制备。该表面超疏水区域的水接触角和超亲水区域水中的空气接触角均达到154°,具备了水下图案化捕获气泡的能力;在表面设计了条纹状图案,置于水中可捕获带状气泡,实现了流场下气泡引起的各向异性流阻特性;通过调整超疏水/超亲水条纹在试样表面的排列方向,最终实现了流场环境下漂浮试样的姿态调控。此外,解释了其机理主要是水上超疏水、超亲水表面在水下向超亲气、超疏气表面的转变以及气泡形状对流阻的调控作用。

关键词： 激光加工   双面神   可逆润湿性   气泡操控   各向异性  

摘要： 激光加工技术因具有精度高,耗时短等优点,近些年被广泛应用在精密钻孔,精密切割,微纳加工等领域。通过激光加工在材料表面构造理想的微结构,可以高效、精准地控制表面润湿性。本文以激光加工技术为基础,研究了一系列操控水下气泡的方法,为超高速气泡捕捉、定向气泡输送、收集和气液分离等领域的先进材料设计提供新的视角。全文内容主要包括以下几部分:（1）通过纳秒激光微钻孔制备了具有锥孔阵列的紫外光/热双响应锌箔,其上表面的微孔直径达到141μm,下表面微孔直径为60μm;一旦锥孔阵列锌箔被加热改性,其上表面将呈现超疏水性,而下表面仍保持亲水,这种具有非对称润湿性的材料形象地称为“双面神”。我们基于“双面神”锌箔的润湿梯度特性成功地捕获了水下气泡;随后,“双面神”锌箔被放在紫外LED下辐照10 h后,其上表面由超疏水恢复为亲水,我们利用这种双面亲水的锌箔驱赶水下气泡。基于锌箔的紫外光/热双响应特性,可以快速实现“双面神”锌箔与双面亲水锌箔的可逆切换,达到对水下气泡进行捕获或驱逐的目的。这种结合纳秒激光打孔和外部刺激的方法具有很多优点:1.纳秒激光加工技术不受材料的限制,它可根据控制系统中绘制的复杂图案进行精准加工,因此使用起来更加灵活;2.纳秒激光具有很高的加工效率（制备6x6 mm的锥孔阵列只需20 min）;3.整个润湿改性过程中仅使用热量和紫外光作为外部刺激而无需额外的化学试剂,这将更加安全环保。（2）利用飞秒激光逐线扫描法在PDMS表面制备了仿水稻叶沟槽结构,并通过热旋涂工艺将固/液混合石蜡（SLMP）均匀旋涂在PDMS表面,随后这种固/液混合石蜡注入表面（SLMP-IS）被用于研究水下气泡的各向异性滑动。研究结果表明,飞秒激光脉冲功率和旋涂转速是影响表面各向异性的重要因素。通过定量分析,我们获得了最理想的SLMP-IS,它平行于沟槽的气泡滑动角(SA//)为20°,垂直于沟槽的气泡滑动角（SA⊥）为90°,这种明显的各向异性使得气泡在45°倾斜表面也能够沿着沟槽定向滑动。此外,还开展了SLMP在水中的耐久性实验,结果表明,相对于传统的液态润滑剂,SLMP具有更加优异的稳定性和耐久性。