关键词： 镍钛合金   心血管支架   激光切割   工艺参数   性能指标   方差分析  

摘要： 镍钛合金支架因其具有良好的生物相容性,超弹性及形状记忆性等优点,医学上逐渐将其应用于心血管疾病的治疗领域。而光纤激光切割因其具有切割精度高、切割质量好、绿色环保等优点成为了支架加工的主要方式,但由于我国对镍钛合金心血管支架的研究起步较晚,导致国内对镍钛合金心血管支架的激光切割机理研究较少。为此本文以TLS-HT1100光纤激光切割机为实验设备,分析镍钛合金心血管支架表面形貌、表面粗糙度、重铸层、热影响区及熔渣在不同工艺参数下的变化规律及分布范围,并采用方差分析及关联度分析对工艺参数进行优化。具体研究内容如下:(1)通过分析影响光斑能量沿径向和轴向传递速率及传递总值的因素,确定了影响光斑能量传递的关键工艺参数。(2)对镍钛合金心血管支架的原材料、激光切割设备、检测设备进行了简要介绍,设计了实验方案及支架表面性能指标的检测方案。(3)分析了支架切缝各区域的形成原因,并确定了不同工艺参数下切割各区域厚度及其表面粗糙度的变化规律和分布范围。并得到了不同工艺参数下切缝整体表面粗糙度的规律性认识。(4)对支架重铸层、热影响区、熔渣在不同工艺参数下的变化规律归纳总结,深入分析了各工艺参数对重铸层及热影响区的影响机理。(5)对支架表面所有性能指标进行归纳分析,通过单因素方差分析法及关联度分析法,将工艺参数对各性能指标的影响分为、非常显著、显著及不显著。并根据分析结果进行了参数优化,实验结果表明:影响激光切割的关键工艺参数为:脉冲宽度、激光功率、脉冲频率及切割速度,且不同工艺参数下支架各性能指标的变化规律及分布范围也存在差异,而对支架整体性能指标影响最大的工艺参数为脉冲频率,其次为脉冲宽度及切割速度,影响最小的是激光功率。经单因素方差及关联度分析得到了一组优化后的工艺参数,在该参数下支架的表面性能均得到了极大的改善,其中支架切缝表面平稳且无熔渣分布、表面粗糙度降至650nm、热影响区降至1.8μm、支架内表面熔渣厚度低至62.9μm。

关键词： 水导激光   加工装置   供水系统   耦合装置   拟合对准  

摘要： 水导激光加工技术是一种激光与水射流相耦合的复合加工方式,相比于普通激光加工,具有表面质量好、应用领域更广泛和加工距离长等优点。对于加工硅片晶圆、工业陶瓷、钢化玻璃和钛合金等材料具有独特的加工优势和显著的效果特性,本文在综合了国内外研究进展的基础上,设计了水导激光加工装置,并对其关键技术进行了探索和研究。本论文主要完成的工作为:第一,确定了水导激光加工设备总体设计方案,以高光机数控机床为骨架,结合设计要求进行机床主轴改造,包括激光系统引入与搭接、供水系统设计与组建、耦合装置设计与制作和激光耦合对准系统设计开发。第二,根据水导激光加工装置的工况要求,对液压供水管路系统进行了剖析和研究,设计了供水系统原理图,根据射流工况要求,查找了合适的液压元件及其参数,利用AMESim软件进行管路系统仿真计算,按照设计的供水系统原理图选配液压元件并组建了水导激光管道供水系统。第三,根据射流光束的喷射要求,分析了激光水束耦合的条件及影响因素,查找了组建耦合装置所需的辅助配件及参数,借助Solid Works建模软件设计了耦合装置的三维构造形态,运用ANSYS fluent软件进行了射流水腔流场仿真,依次分析了水腔各截面速度矢量图、整体流线图和喷嘴处两相流气液仿真图,按照设计的三维图进行加工,并将制作后的零件进行组装和试验测试。第四,根据激光加工头和耦合装置的相对位置,分析并设计了二者拟合对准的原理方案,搭建了USB外接摄像头图像采集系统和微动平台移动调节系统等硬件结构设计;运用Delphi软件设计了上位机操控界面及图形处理系统,运用Keil 5软件完成了下位机STM32开发板的运动控制编程,通过上、下位机的实时串口通信共同完成激光加工头和耦合装置的拟合对准,并进行了试验测试。

关键词： 激光加工   抗反射   铜   微纳复合结构  

摘要： 材料表面的反射特性在光子、电子、传感应用等方面有着非常大的应用潜力,尤其是金属材料,如Au、Ag、Pt、Cu、Al等,在光子、电子、红外传感、雷达隐身、拉曼光谱检测增强等领域都有着重大的应用。目前,由于能源日益短缺,而太阳能的可持续性以及绿色环保的特点,使其成为了目前最为理想的能源之一。增强材料对太阳能主要辐射波段的吸收,是增强光电、光热转换效率的有效途径之一。一般来说,改变材料表面抗反射性能的手段主要有抗反射涂层和抗反射结构。本文采用纳秒脉冲激光直写的方法在铜金属表面诱导出具有抗反射性能的微纳复合结构。通过研究激光烧蚀中等离子体膨胀、冷却以及沉积的过程、激光诱导微纳复合结构形态变化的过程,以及复合结构的组成特征,综合分析激光诱导金属微纳复合结构的形成机制;对微纳复合结构的制备进行工艺研究,并对不同结构表面进行入射光吸收率检测,进而分析材料表面的吸收性能、激光加工参数以及表面结构形貌之间的关系;最后利用模拟太阳光对结构样件进行光照升温和蒸馏试验,以材料表面的温度变化、光热转换效率以及蒸馏速率作为性能评估标准,证明微纳复合结构对材料表面吸光性能的增强作用,具体的研究方法和结论如下:(1)利用ICCD和成像光谱仪研究光致等离子体的动态膨胀过程以及光谱信息,利用微观检测分析在加工过程中微纳复合结构的形态变化过程,利用EDS和XRD对结构表面进行成分分析,结果表明高能量的纳秒脉冲激光作用于材料表面,部分材料被去除,同时由于等离子体膨胀与强烈的热积累作用,大量的熔融物喷溅出表面并堆积在加工区域,形成无规则的微米结构,此外激光诱导产生的等离子体受环境作用被限制在极小的空间与大气分子发生强烈作用,产生金属纳米氧化颗粒,等离子体冷却后团聚在一起,并受重力作用沉积在材料表面,最终形成材料表面的微纳结构。(2)通过改变激光参数得到不同形貌特征的抗反射表面,研究扫描速度和扫描间距对微观形貌的影响,结果表明增加扫描速度会使结构间的落差变大,而增加扫描间距可以得到规律的周期性沟槽结构;利用分光光度计测量结构表面在220-2500nm波段的吸光率,结果表明微纳结构能够很大程度地改善材料表面的抗反射性能,尤其在220-800nm波段,平均吸收率达到98%,而结构形貌对材料表面在近红外波段的吸光性能影响较大,合理尺度的微米结构能有效地增强材料表面的抗反射性,通过优化的抗反射表面在220-2500nm的平均吸光率可达到90%以上(抛光铜表面为19.4%)。(3)利用氙灯模拟太阳光对具有不同形貌特征的结构表面进行光照升温和蒸馏性能测试(以抛光件为对比),结果表明微纳复合结构很大程度地提高了材料表面光热转换效率,结构表面受光照后温度快速上升而且表现明显,而在蒸馏测试中,具有抗反射结构表面出更高的光热转换效率,达到抛光样件的1.5-2倍,而结构表面的蒸馏速率是抛光表面的两倍以上。

关键词： 激光加工机床   宣贯培训   高质量发展  

摘要： 近年来,我国先进装备制造业取得长足发展,总体水平已由高速增长转向高质量发展阶段。为了加快提升特种加工先进制造装备发展质量,全国特种加工机床标准化技术委员会(SAC/TC161)和全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会激光材料加工和激光设备分技术委员会(SAC/TC284/SC1)

关键词： 飞秒激光加工   集成/微纳器件   聚合物   光子芯片   大行程真三维  

摘要： 随着电子器件的不断变小,集成电路的密度不断增大,量子隧穿、散热等问题变得尤为突出,突破摩尔定律的尺度极限挑战——成为了当代信息社会的一个重大科学问题。光子芯片提供了一种全新原理的解决方案。光子芯片依托光子集成技术,在内部用光完成矩阵运算与数据交换,与电子芯片相比就有两方面优势:其一为计算速度,光子人工智能芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级,约1000倍,单个电子芯片的计算速度大约是7.8TFlops,而光子人工智能芯片的计算速度大概是3200TFlops;其二为功耗,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一,单位电子芯片和耗电量大概300W,对应的光子人工智能芯片的耗电量只有4W。在近期报道的一些研究中,科研人员已经提出并解决了一些电子芯片难以运算甚至无法计算的问题和方案。然而,目前集成光子芯片的主流仍然是基于集成电子芯片土壤孕育的硅光芯片。千禧年之后,以美国硅谷为代表的电子行业领军企业与各大学术教育机构首先提出并发扬了硅光芯片传输与解码,致力于利用光子取代电子实现芯片间互联,其他国家和部门也纷纷加入到追逐硅光芯片的道路上。同时,玻璃、聚合物等其它非半导体材料体系在操纵光信号方面的独特优势也逐渐引起了研究人员的关注。然而,基于这些非半导体材料的光子芯片的制备工艺仍然以光刻为主,这极大的限制了光子芯片的立体构建以及三维功能。因此,本文提出了利用飞秒激光双光子聚合直写基于聚合物体系的功能化微纳/集成器件,发挥飞秒激光真三维加工的能力,制备可用于集成光子芯片的功能化三维器件。主要包括:一,利用飞秒激光直写制备基于蛋白质的微纳器件:利用飞秒激光无掩膜、非接触式、低附带热损伤等加工优点,直写基于蛋白质凝胶的微/纳米波导以及三维反场曲透镜组。利用蛋白质自身的平衡溶胀,分别实现蛋白质基微/纳波导的p H传感检测和透镜组焦平面的调谐。二,直写基于蛋白质-水凝胶的不等臂马赫-曾德尔干涉仪:发挥飞秒激光高精度点扫描的优势,通过灵活控制激光加工功率,所制备的MZ干涉仪的两支臂具有相同的几何形状但具有不同的折射率和刺激响应的收缩/膨胀特征,在盐浓度从0增加到8×10-3 mol/L实现了完整的光开关操作。三,飞秒激光双光子聚合制备片上真三维激光光源:进一步发挥飞秒激光真三维加工的本领,结合聚合物材料易掺杂的优势,实现了片上有源微球谐振腔的制备。同时,由于飞秒激光高精度的定制能力,不同尺寸的微球可以被简便的一次成型得到。我们发现,当微球的直径减小时,激射光从多模输出变为单模输出,激射波长也会相应蓝移。同时,由于有机染料的参与,微球激光器在温度变化时,频谱也会产生有规律的移动。四,片上偏振控制器的激光纳米打印:充分挖掘飞秒激光真三维加工、高精度扫描的本领,实现了基于聚合物的片上波片,展示了用于通讯波段和可见光波段的偏振旋转器,且都具有相当高的偏振转换效率。进一步地,演示了集成四个不同扭曲角度的波导的偏振路由器,4个通道的偏振转换效率均大于85%。综上,在本文工作中,具有真三维加工能力的飞秒激光直写工艺使得传统的基于光刻工艺的器件在三维尺度上获得自由,为光子芯片的三维排布、光子的多维操作等提供了解决方案。首先,利用飞秒激光加工体系,获得高精度、高质量的聚合物基微纳光子器件。然后,设计并实现真正可用于集成芯片的特定功能微纳器件,充分利用飞秒激光加工高精度的点扫描和聚合物材料的独特优势,实现器件独特的功能。进一步的,深入挖掘飞秒激光加工的真三维加工本领,结合材料特性,实现可集成的真三维器件,完成别的加工手段难以实现的方案与设计。

关键词： 微结构表面   激光加工   脱附性能   疏水   树脂   血清  

摘要： 微纳结构能够改变物体的表面浸润性,进而影响物体表面与液体之间的脱附性能。然而,单一尺度的微纳结构表面,与高粘度的液体接触时往往脱附性能不足。本文借鉴荷叶超疏水自清洁表面的微纳米复合结构,采用激光刻蚀方法,在高速钢和不锈钢这两种常用工具钢材料表面,设计和加工出了由火山口形状突起阵列结构(100μm尺度量级)与激光刻蚀粗糙结构(1μm尺度量级)共同组成的疏水双尺度微结构。针对目前两种典型的高粘度服役刀具——碳纤维预浸料短切刀具和医用手术刀具——表面的液体粘刀问题,开展了疏水双尺度微结构表面的脱附性能测试和机理分析。通过改变激光加工参数加工了不同形貌的粗糙刻蚀结构,并研究了扫描速率、激光功率、加工次数和路径间距对激光刻蚀结构形貌的影响,优化了最佳刻蚀微结构形貌的加工参数并用于双尺度微结构的加工。设计了合理的激光加工路径和工艺参数,加工出具有不同突起阵列尺寸的双尺度微结构。采用扫描电镜和3D光学轮廓仪对所加工的双尺度微结构表面的形貌进行观察和分析,研究了突起阵列结构的高度、间距和直径参数对双尺度微结构的形貌和粗糙度的影响。激光加工的双尺度微结构经过合适的后处理,获得了拥有优异液体脱附性能的疏水双尺度微结构表面。对比测试分析了不同突起阵列结构形貌的疏水双尺度微结构表面的水滴、树脂和血清液滴的脱附情况,并从Wenzel和Cassie浸润原理出发,探究了疏水双尺度微结构的形貌和粗糙度对表面液体脱附性能的影响机理,优化了疏水双尺度微结构表面的结构形貌参数。在所制备的液态树脂脱附双尺度微结构表面上,水和树脂接触角最高分别达到了157.2°和149.7°,滚动角分别低至2.8°和7.3°,即使在液滴受挤压的情况下也能保持优异的树脂脱附特性。所制备的血清脱附双尺度微结构表面上,水和血清接触角分别达到137.1°和124.2°,血清接触角相比光滑和单一尺度刻蚀微结构表面分别提升了74.9%和38.9%。研究结果表明,通过减小突起阵列结构的直径和间距,增加突起的高度,提高双尺度微结构表面的粗糙度,可以减小固-液接触界面,获得更佳的疏水和液滴脱附性能。

关键词： 双级涡轮叶盘   电火花加工   电极设计   逆向搜索   路径规划  

摘要： 涡轮叶盘采用整体式结构能够提高发动机的系统效率,是新一代高性能航空航天发动机的必然趋势。双级带冠整体涡轮叶盘是为新一代高性能液体火箭发动机中设计的新型结构件,具有结构通道狭小、叶片扭曲、材料可加工性差以及两级间距小等特点,传统数控切削加工时刀具可达性差,使其制造变得异常困难。多轴数控电火花加工以其自身独特的优势被公认为是加工叶盘的有效方法,其关键核心是找到一条无干涉的电极进给路径。本文针对双级涡轮叶盘数控电火花加工中的关键问题展开研究,包括双级涡轮叶盘三维参数化造型、电极设计及其运动路径规划。双级涡轮叶盘作为整体结构直接进行三维参数化造型相对较困难,对其结构进行分解,详细论述了直纹和弯扭两种类型叶片的造型方法,分别构造轮毂、叶冠和叶片实体,通过布尔运算对实体进行合并实现了双级涡轮叶盘的三维参数化造型。在对双级涡轮叶盘三维造型后,通过对双级涡轮叶盘的结构特点进行分析,确定采用成型电极的加工方案。根据叶片通道结构特点完成电极的初始设计,提出减高减厚设计、轴向剖分和径向剖分以及电极预损耗补偿区设计等优化方法。提出了逆向搜索算法,对成型电极加工双级涡轮叶盘叶片通道时的进给运动路径进行规划。将电极进给路径规划问题离散化,通过初步优化和深度优化,使电极在叶片通道中进行平移和旋转运动,获取厚度最优的成型电极及其最优位置姿态,并生成NC路径,将其用于叶片通道的加工中。基于以上研究,利用Qt、ACIS和Open Inventor为双级涡轮叶盘开发了专用的CAD/CAM系统。最后,在开发的系统中,以航天某公司为某型号高性能液体火箭发动机中设计的双级涡轮叶盘为研究对象,根据给定的设计数据,完成了双级涡轮叶盘三维几何造型、电极设计和运动路径规划,通过获得的成型电极及规划的运动路径可以加工出符合精度要求的叶片通道型面,充分验证了本文所提出的方法是正确、可行的。

关键词： Bioengineering   Biology   Engineering  

摘要： This thesis introduces the applications of ultrafast lasers while focusing on their bioprinting capabilities. A custom system was designed to utilize a femtosecond laser for 2D and 3D applications. The characteristics of lasers allow them to be efficiently used in machining, 3D printing, research, and more. Their power and precision allow them to be used for delicate work such as bioprinting. Bioprinting is a field holding great potential to benefit society. Studies conducted over the years prove its usefulness in printing cells and biomaterials, while showing there is still much to improve upon before being able to print fully functioning organs. The study found successful implementation of the laser system design. Etching and cutting experiments of different patterns on metals and non-metals were successful in the micrometer range. Bioprinting wise, the experiment was inconclusive with the parameters and visual analyses equipment used. No droplets were viewed, but lack of surveillance at the laser-bioink interface would be needed to verify the results. Future work is needed in surveilling the laser-bioink interface, adjusting the bioink with cells and collagen, creating a controlled environment, and lowering the pulse fluence.

关键词： 超疏水锥柱阵列   饼状弹跳   激光加工   液滴   PDMS  

摘要： 超疏水表面因在自清洁、耐腐蚀、减摩减阻、液体无损转移、防雾、防结冰结霜等方面具有较好应用前景,长期是专家学者们的研究热点,其中超疏水锥柱阵列因会产生液滴饼状弹跳现象而大幅度地减少液固接触时间,在防结冰方面应用潜力更是巨大。,但现有的密集型超疏水锥柱阵列的加工方法较少,且普遍依赖昂贵的设备和复杂的工艺流程,难以大面积加工。为了简单高效低成本地加工超疏水锥柱阵列,本文提出利用纳秒脉冲激光的能量呈近高斯空间分布的特性,在铝基体上加工密集性亚毫米级锥孔阵列,再利用晶界/位错盐酸优先刻蚀技术,在铝基体上构建微纳米级结构,并以此为模具通过复制工艺加工超疏水锥柱阵列。同时探究了不同激光加工参数下,超疏水锥柱阵列的形状、尺寸和表面微观形貌的变化规律,并研究了超疏水锥柱阵列的形状、尺寸和液滴参数对液固接触特性的影响规律。以覆盖微纳米结构的铝基体亚毫米级锥孔阵列为模具复制出的聚合物锥柱阵列经氟硅烷修饰后可获得接触角约163°的超疏水性。随着激光加工功率P的增加,超疏水锥柱阵列呈现了由注射器针头形状(形状角度约139°)向直锥形状(形状角度为180°)的变化趋势,且底端直径D越大形成直锥形状所需的激光加工功率也越大;此外,超疏水锥柱阵列的高度由激光加工功率P和底端直径D共同决定。借助高速摄像机进行液滴弹跳试验,探究不同形状和尺寸的超疏水锥柱阵列上的液固接触时间t和弹跳指数Q的变化规律。研究表明,底端直径为亚毫米(180μm)至毫米(1260μm)范围内的超疏水锥柱阵列均能产生液滴饼状弹跳现象;随着形状角度β的增大,可产生液滴饼状弹跳的临界底端间距S变大;对于特定形状、尺寸的超疏水锥柱阵列,在较大的液滴体积范围内均能产生液滴饼状弹跳;对于特定体积的液滴,在较大的韦伯数We范围内均能产生液滴饼状弹跳。在此基础上,成功加工出尺寸为80 mm×80 mm的大面积超疏水锥柱阵列,为大规模工业化应用奠定基础。

关键词： 特种加工   教学   工艺品  

摘要： 本文针对中职学生学习《电加工技术》课程的特点,主张课堂教学中引入金属零件工艺品制作的教学环节来吸引学生的学习兴趣。抛弃以往的传统上课模式,探索新的教学方法,采用任务式教学,强调学生的创新设计能力等教学方法。重点突出学生学习的主导地位,教师引导的学习模式。在教学过程中取得了非常好的教学成果。