第六章先進(jìn)制造工藝技術(shù)

先進(jìn)制造系統(tǒng)河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院先進(jìn)制造系統(tǒng)第1章先進(jìn)制造系統(tǒng)總論第2章先進(jìn)制造系統(tǒng)基本原理第3章先進(jìn)制造模式第4章先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)第5章先進(jìn)制造裝備及技術(shù)第6章先進(jìn)制造工藝技術(shù)

第7章綠色設(shè)計(jì)與制造第8章典型產(chǎn)品的制造系統(tǒng)第9章制造系統(tǒng)展望第6章先進(jìn)制造工藝技術(shù)

6.1先進(jìn)制造工藝技術(shù)的內(nèi)涵6.2快速成形技術(shù)6.3高能束加工技術(shù)6.4超精密加工技術(shù)6.5微納制造6.6生物制造先進(jìn)制造工藝技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。隨著越來越激烈的市場競爭，制造業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略不斷發(fā)生變化，生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、市場響應(yīng)速度相繼成為企業(yè)的經(jīng)營核心。為此，要求制造技術(shù)必須適應(yīng)這種變化，促使一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活的制造工藝技術(shù)的形成。因而，先進(jìn)制造工藝技術(shù)是在不斷變化和發(fā)展的傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)上逐步形成的一類制造技術(shù)群。第6章提要

本章將從發(fā)展、原理和案例三個(gè)方面，分別介紹快速成形（RPM）技術(shù)、高能束（包括激光、電子束、離子束和高壓水射流等）加工技術(shù)、超精密加工技術(shù)、微納制造和生物制造。微納制造和生物制造作為制造系統(tǒng)的新技術(shù)，必將影響制造模式的變化，也將形成新的制造系統(tǒng)。

第6章提要

6.1先進(jìn)制造工藝技術(shù)的內(nèi)涵6.1.1物體的成形方法6.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的定義與內(nèi)容6.1.1物體的成形方法制造工藝技術(shù)是改變原材料的形狀、尺寸、性能或相對位置，使之成為成品或半成品的方法和技術(shù)。制造工藝技術(shù)也稱為制造過程技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是與物料處理過程相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)。典型的物料處理過程是機(jī)械產(chǎn)品的制造過程。機(jī)械制造過程的組成如圖6-1所示。

6.1.1物體的成形方法物質(zhì)準(zhǔn)備部門粗加工機(jī)械制造部門精加工裝配與包裝改性與處理搬運(yùn)與儲(chǔ)存，檢測與控制切削加工與特種加工焊接、鉚接、粘接切割、下料鍛造、沖壓鑄造熱處理大鍛件鋼坯裝配包裝（成品）表面處理發(fā)運(yùn)金屬爐料棒、板、管、線、型材熔化粉末冶金（壓制、燒結(jié)）注射、壓塑、擠塑、吹塑敞開模、對模成形、纏繞等原材料、能源金屬結(jié)構(gòu)材料非金屬結(jié)構(gòu)材料冶金粉末，工程陶瓷工程塑料、橡膠復(fù)合材料圖6-1機(jī)械制造過程的組成6.1.1物體的成形方法

制造工藝主要是研究物體成形方法。按構(gòu)成物體的成形原理分，有下列三種方法：

受迫成形（CompelledForming）

去除成形（DislodgeForming）

添加成形（AddingForming）6.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的定義與內(nèi)容

1、先進(jìn)制造工藝技術(shù)是研究與物料處理過程和物料直接相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)，要求實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活。

2、先進(jìn)制造工藝技術(shù)的特點(diǎn)

優(yōu)質(zhì)

高效

低耗

清潔靈活6.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的定義與內(nèi)容

3.先進(jìn)制造工藝技術(shù)的內(nèi)容

按處理物料的特征分有以下四個(gè)方面：

1）精密、超精密加工技術(shù)

指對工件表面材料進(jìn)行去除，使工件的尺寸、表面性能達(dá)到產(chǎn)品要求所采取的技術(shù)措施。當(dāng)前，納米加工技術(shù)代表了制造技術(shù)的最高精度水平。表6-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度

尺寸精度（μm）表面粗糙度Ra（μm）①精密加工3~0.30.3~0.03②超精密加工(亞微米加工)0.3~0.030.3~0.005③納米加工＜0.03＜0.0056.1.2先進(jìn)制造工藝技術(shù)的定義與內(nèi)容

3.先進(jìn)制造工藝技術(shù)的內(nèi)容

2）精密成形制造技術(shù)

指從制造工件的毛坯、從接近成形工藝向直接制成工件即精密成形工藝或稱凈成形工藝的方向發(fā)展。3）特種加工技術(shù)

指那些不屬于常規(guī)加工范疇的加工。如高能束流加工、電加工、超聲波加工、高壓水射流加工等。4）表面工程技術(shù)

它是采用物理、化學(xué)、金屬學(xué)、高分子化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械學(xué)等技術(shù)及其組合，提高產(chǎn)品表面耐磨、耐蝕、耐熱、耐輻射、抗疲勞等性能的各項(xiàng)技術(shù)。它主要包括熱處理、表面改性、制膜和涂層等技術(shù)。6.1END6.2快速成形制造（RPM）

6.2.1快速成形制造的發(fā)展6.2.2RPM的原理與特點(diǎn)

6.2.3幾種常用的RPM工藝

6.2.4RPM的發(fā)展趨勢6.2.5RPM的應(yīng)用

6.2.1快速成形制造的發(fā)展

快速成形制造又稱為快速原型制造。20世紀(jì)80年代后期，快速成形制造（RPM）技術(shù)在美國首先產(chǎn)生并商品化。從那時(shí)起，RPM以離散堆積原理為基礎(chǔ)和特征，即它首先將零件的電子模型軟件離散化，成為“層狀”的離散面、離散線和離散點(diǎn)，而后采用多種手段，將這些離散的面、線段和點(diǎn)按層堆積形成零件的整體形狀。RPM工藝過程無需專用工具，工藝規(guī)劃步驟簡單，所以制造速度比傳統(tǒng)方法簡單得多。

6.2.1快速成形制造的發(fā)展

國際上首臺(tái)快速成形機(jī)于1987年誕生于美國，是由美國3DSystems公司制造的快速成形系統(tǒng)SLA-1，這是一套采用立體光刻法的快速成形制造系統(tǒng)（RPMS）。美國在該技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，日本和歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入了大量資金進(jìn)行研究與開發(fā)。1998年在我國上海舉行的第七屆國際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會(huì)上，美國、日本、德國、新加坡等國都展出了RPM設(shè)備。目前全世界已有2000多臺(tái)RPM系統(tǒng)投入使用。6.2.1快速成形制造的發(fā)展我國RPM技術(shù)的研究始于1991年。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校和北京隆源RPM公司、廣州中望商業(yè)機(jī)器有限公司等都在RPM的研究與應(yīng)用方面取得了顯著成果。清華大學(xué)現(xiàn)已開發(fā)出“M-RPMS-II”型多功能快速成形制造系統(tǒng)，這是我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界唯一擁有兩種RPM工藝的系統(tǒng)。6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)RPM技術(shù)的原理2.RPM技術(shù)的內(nèi)涵3.RPM技術(shù)的特點(diǎn)1.RPM技術(shù)的原理快速成形制造技術(shù)：是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)，是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。

6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)RPM的成形流程圖成形機(jī)中堆積成形CAD模型Z向離散化（分層）層面信息處理層面加工與粘接層層堆積后處理分解過程組合過程計(jì)算機(jī)中信息處理圖6-1RPM的離散/堆積成形流程6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

RPM技術(shù)的內(nèi)涵主要表現(xiàn)在：

RPM技術(shù)不是使用一般意義上的模具或刀具，而是利用光、熱、電等物理手段實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積；原型是通過堆積不斷增大，其力學(xué)性能不但取決于成型材料本身，而且與成形中所施加的能量大小及施加方式有密切關(guān)系；在成形工藝控制方面，需要對多個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制。

2.RPM技術(shù)的內(nèi)涵6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

實(shí)體自由成形制造（SolidFreeformFabrication，SFF）直接CAD制造（DirectCADManufacturing，DCM）離散堆積制造（DispersedCumulateManufacturing，DCM）即時(shí)制造（InstantManufacturing，IM）分層制造（LayeredManufacturing，LM）材料添加制造（MaterialIncreaseManufacturing，MIM）

RPM技術(shù)的不同稱謂6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1）實(shí)體自由成形制造（SFF）

SFF

它表明RPM技術(shù)無需專用的模腔或夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)也相應(yīng)不受任何約束。RPM工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體，在制造每一層片時(shí)都和前一層自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，不需要專用夾具或工具，使制造成本完全與批量無關(guān)，既增加了成形工藝的柔性，又節(jié)省了制造工裝和專用工具的成本。6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

DCM

反映了RPM是CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)中的CAD模型通過接口軟件直接驅(qū)動(dòng)RPM設(shè)備，接口軟件完成CAD數(shù)據(jù)向設(shè)備數(shù)控指令的轉(zhuǎn)化和成形過程的工藝規(guī)劃，成形設(shè)備則像打印機(jī)一樣“打印”零件，完成三維輸出。RPM由于采用了離散/堆積的加工工藝，CAD和CAM能夠很順利地結(jié)合在一起，可容易地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。2）直接CAD制造（DCM）6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

3）離散堆積制造(DCM)

離散堆積制造是現(xiàn)代成形學(xué)理論中在對成形技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強(qiáng)調(diào)了成形物理過程的材料堆積性，體現(xiàn)了RPM技術(shù)的基本成形原理，具有較強(qiáng)的概括性和適應(yīng)性。6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

4）即時(shí)制造（IM）

IM它反映RPM技術(shù)的快速響應(yīng)性。由于無需針對特定零件制定工藝操作規(guī)程，也無需準(zhǔn)備專用夾具和工具，RPM技術(shù)制造一個(gè)零件的全過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)工藝相應(yīng)過程，使得RPM技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)，顯示了其適合現(xiàn)代科技和社會(huì)發(fā)展的快速反應(yīng)的特征和時(shí)代要求。6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

LM是將復(fù)雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強(qiáng)調(diào)層作為制造單元的特點(diǎn)，每層可采取更低維單元進(jìn)行累加或高維單元進(jìn)行加工得到。5）分層制造（LM）6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

MIM是將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統(tǒng)加工工藝。6）材料添加制造（MIM）6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

3.RPM技術(shù)的特點(diǎn)

快速成形制造系統(tǒng)是與CAD集成的RPMS，屬于CIMS的目標(biāo)產(chǎn)品的范疇。具有以下特點(diǎn)：

高度柔性，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體；

CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)制造高度一體化；成形過程無需專用夾具或工具；無需人員干預(yù)或較少干預(yù)，是一種自動(dòng)化的成形過程；成形全過程的快速性；技術(shù)的高度集成性，帶有鮮明的高新技術(shù)特征。

6.2.2RPM技術(shù)的原理與特點(diǎn)

6.2.3幾種常用的RPM方法

1.立體光刻（SLA）

2.分層實(shí)體制造（LOM）

3.選擇性激光燒結(jié)（SLS）

4.熔融沉積成形（FDM）

1.立體光刻

（StereoLithographyApparatus，SLA）

SLA法

也稱為立體印刷，或稱為光造型，又稱為光敏液相固化法。是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。

6.2.3幾種常用的RPM方法

SLA法的工藝原理

6.2.3幾種常用的RPM方法

6.2.3幾種常用的RPM方法

SLA法的工藝原理

SLA法的工藝原理

SLA設(shè)備和原型件示例6.2.3幾種常用的RPM方法

2.分層實(shí)體制造

（LaminatedObjectManufacturing，LOM）

LOM法

又稱為疊層實(shí)體制造，或稱為層合實(shí)體制造法。是事先在薄片材料涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘結(jié)；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框；激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降，與帶狀片材分離；供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層移到加工區(qū)域；工作臺(tái)上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實(shí)體零件。

6.2.3幾種常用的RPM方法

LOM法的工藝原理

6.2.3幾種常用的RPM方法

LOM法的工藝原理3.選擇性激光燒結(jié)

（SelectiveLaserSintering，SLS）

SLS法

又稱為選區(qū)激光燒結(jié)法。它是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分連接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。

6.2.3幾種常用的RPM方法

SLS法的工藝原理6.2.3幾種常用的RPM方法

6.2.3幾種常用的RPM方法

SLS法的工藝原理SLS法的工藝原理SLS設(shè)備和原型件示例6.2.3幾種常用的RPM方法

4.熔融沉積成形

（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）

FDM法

又稱為熔絲沉積成形法。所用材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出；材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。6.2.3幾種常用的RPM方法

6.2.3幾種常用的RPM方法

FDM法的工藝原理

6.2.3幾種常用的RPM方法

FDM法的工藝原理

FDM法的工藝原理

FDM設(shè)備和原型件示例6.2.3幾種常用的RPM方法

∨∧光固化成型

分層實(shí)體制造

選擇性激光燒結(jié)熔融沉積成型優(yōu)點(diǎn)

⑴成形速度極快，成形精度、表面質(zhì)量高；

⑵適合做小件及精細(xì)件。(1)成形精度較高；

(2)只須對輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高，適合做大件及實(shí)體件；

(3)制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，可進(jìn)行一定的切削加工。(1)有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件；

(2)材料利用率高；造型速度較快。(1)成形材料種類較多，成形樣件強(qiáng)度好，能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配；

(3)材料利用率高；

(4)操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行缺點(diǎn)⑴成形后要進(jìn)一步固化處理；

⑵光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好；

⑶工作溫度不能超過100℃，成形件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)。(1)不適宜做薄壁原型；

(2)表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；

(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；(4)工件強(qiáng)度差，缺少彈性。(1)成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)量較差，精度低。

(2)在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，樣件變型大，無法裝配。(1)成形時(shí)間較長；

(2)做小件和精細(xì)件時(shí)精度不如SLA。設(shè)備購置費(fèi)用高昂中等高昂低廉維護(hù)和日常使用費(fèi)用激光器有損耗，光敏樹脂價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用很高。激光器有損耗，材料利用率很低，運(yùn)行費(fèi)用較高。激光器有損耗，材料利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用居中。無激光器損耗，材料的利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用極低。發(fā)展趨勢穩(wěn)步發(fā)展?jié)u趨淘汰穩(wěn)步發(fā)展飛速發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜、高精度、藝術(shù)用途的精細(xì)件實(shí)心體大件鑄造件設(shè)計(jì)塑料件外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)適合行業(yè)快速成形服務(wù)中心鑄造行業(yè)鑄造行業(yè)科研院校、生產(chǎn)企業(yè)RPM典型工藝比較

6.2.4RPM技術(shù)的發(fā)展趨勢RPM技術(shù)的發(fā)展趨勢：開發(fā)概念模型機(jī)或臺(tái)式機(jī)

開發(fā)新的成型能源

開發(fā)性能優(yōu)越的成型材料

研究新的成型方法與工藝

集成化

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用RPM技術(shù)的應(yīng)用:

快速模具制造

快速制造金屬零件

在醫(yī)學(xué)中用于器官模型制作

與反求工程相結(jié)合形成快速設(shè)計(jì)制造閉環(huán)系統(tǒng)1.快速模具制造

快速模具（RT）制造主要用于制造鑄造模具和塑料模具。

1）間接制模

用RPM技術(shù)制造零件原型，與傳統(tǒng)的制模工藝相結(jié)合的制模方法。

2）直接制模

是利用RPM技術(shù)將模具直接制造成形，它不需制作原型樣件，是一種與傳統(tǒng)的制模工藝完全不同的方法。

硅橡膠模具

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用2.快速制造金屬零件

RPM技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合是由RPM原型轉(zhuǎn)化為金屬零件的最佳途徑。其方法有通過RPM原型翻制壓型、直接復(fù)制鑄模或燒失型鑄造熔模，亦可設(shè)計(jì)模型直接得到型殼、型芯。采用RPM原型得到燒失型鑄造熔模是一種較快的精鑄方法。

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用3.在醫(yī)學(xué)中用于器官模型制作該方法是將以數(shù)字成像技術(shù)為基礎(chǔ)的CT（斷層成像）、MRI（核磁共振）等診斷方法與RPM系統(tǒng)相結(jié)合，即把所獲得的人體掃描的分層截面圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)三維重建后的數(shù)據(jù)提供給RPM系統(tǒng)，得到人體局部或內(nèi)臟器官。這樣就可以顯示該部位病變情況和實(shí)體結(jié)構(gòu)，可用于臨床輔助診斷和復(fù)雜手術(shù)方案的確定，或供教學(xué)使用。此外亦可利用RPM原型制作假肢。

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用4.與反求工程相結(jié)合形成快速設(shè)計(jì)制造閉環(huán)系統(tǒng)

在RPM技術(shù)中的反求，就是要在現(xiàn)有實(shí)物的基礎(chǔ)上求出三維的CAD模型。某些產(chǎn)品零件的形狀十分復(fù)雜，很難在CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的實(shí)體模型，因此先制造出小比例的實(shí)物模型，再通過對模型測量和數(shù)據(jù)處理，獲得三維實(shí)體模型。通過反求工程還可以快速、準(zhǔn)確地測量RPM原型，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足，重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次反復(fù)的迭代使產(chǎn)品更加完善。

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用RPM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例車輛零件開發(fā)與試制消費(fèi)類產(chǎn)品開發(fā)與試制玩具產(chǎn)品開發(fā)與試制電子產(chǎn)品開發(fā)與試制醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)和術(shù)前手術(shù)方案制定文物和工藝品的復(fù)原與設(shè)計(jì)

6.2.5RPM技術(shù)的應(yīng)用6.2END6.3高能束加工技術(shù)

6.3.1激光加工技術(shù)6.3.2電子束加工技術(shù)6.3.3離子束加工6.3.4高壓水射流加工技術(shù)

激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光。通過光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的能量密度。當(dāng)激光照射到工件表面，光斑區(qū)域的溫度可達(dá)10000℃以上，使材料熔化甚至汽化，隨著激光能量的不斷吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，并產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，使被熔化的物質(zhì)爆炸式地噴濺來實(shí)現(xiàn)材料的去除。

6.3.1激光加工技術(shù)

視頻點(diǎn)擊幾乎對所有材料都可加工。加工效率高，可實(shí)現(xiàn)高速切割和打孔，也易于實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化和柔性加工。加工作用時(shí)間短，除加工部位外、幾乎不受熱影響和不產(chǎn)生熱變形。非接觸加工，工件無彈性變形，能加工易變形薄板和橡膠等工件。易實(shí)現(xiàn)空間控制和時(shí)間控制，能進(jìn)行微細(xì)的精密圖形加工。不存在工具磨損和更換問題。在大氣中無能量損失，故加工系統(tǒng)的外圍設(shè)備簡單。可通過空氣、惰性氣體或光學(xué)透明介質(zhì)，故可對隔離室或真空室內(nèi)工件進(jìn)行加工。加工時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)和機(jī)械噪聲。激光加工具有以下特點(diǎn)

6.3.1激光加工技術(shù)

激光表面改性主要用于改善金屬制品的表面性能，它可以顯著提高金屬零件表面的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從面大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長產(chǎn)品的使用壽命，降低成本。主要技術(shù)包括激光淬火、激光合金化、激光涂敷、激光非晶化和微晶化、激光沖擊硬化等多種工藝。1)激光表面改性

6.3.1激光加工技術(shù)

激光焊接可以將直徑只有0.1M的細(xì)金屬絲焊接在一起；把引線精確地連到比針尖還小的電子元件上；將米粒大的半導(dǎo)體芯片連接起來。隨著激光功率的提高，激光焊接在飛機(jī)、汽車、輪船制造業(yè)這類真正大型企業(yè)中也開始發(fā)揮作用。

例:福特公司用激光焊接汽車底盤，焊接速度可以達(dá)到2lcm/s，將4塊大鋼板焊接完成整塊底盤只需要1min，而且焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)。2)激光焊接

6.3.1激光加工技術(shù)

視頻點(diǎn)擊3)激光切割

6.3.1激光加工技術(shù)

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過一定的功率密度的前提下，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起照射處的材料溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開始汽化，并形成孔洞。隨著光束與材料的相對移動(dòng)，最終使材料形成切縫，切縫處熔渣被具有一定壓力的輔助氣體吹掉。圖6-6激光切割原理1－輔助氣體2－激光束3－工件4－熔渣視頻點(diǎn)擊多頭激光切割機(jī)的激光頭既可同時(shí)進(jìn)行雕刻和切割加工，又可按需單頭控制，只用其中部分激光頭，且激光功率單獨(dú)控制。四個(gè)激光頭相對位置隨意調(diào)整，五頭激光機(jī)更具有單頭大幅面切割下料和多頭小幅面效率切割任選的特點(diǎn)。五頭互移式激光切割機(jī)6.3.1激光加工技術(shù)

激光切割機(jī)

激光切割機(jī)

適合大批量生產(chǎn)

適合多品種少批量用戶

6.3.1激光加工技術(shù)

激光打孔的裝置與激光焊接大致相似，打孔與焊接相比，要求聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加熱到氣化溫度，利用氣化蒸發(fā)將材料去除。4)激光打孔

6.3.1激光加工技術(shù)

視頻點(diǎn)擊激光打孔的優(yōu)缺點(diǎn):跟其他打孔技術(shù)相比激光打孔有很多優(yōu)點(diǎn)，如：

它幾乎可以在任何材料上打孔，軟的如嬰兒奶瓶蓋上的膠嘴，硬的如天然鉆石；采用激光打孔可以比普通工藝節(jié)省許多工序；激光打孔能加工極微細(xì)和特別深的孔，深度與孔徑的比值可高達(dá)50以上；利用不同形狀的光斑還可以打出特殊形狀的孔來。激光打孔由于其打微細(xì)孔的優(yōu)越性能，在印刷線路板的制作中也得到了廣泛的應(yīng)用。激光打孔的主要缺點(diǎn)是被加工孔的精度和光潔度不夠理想。

6.3.1激光加工技術(shù)

打標(biāo)是在產(chǎn)品的表面或外包裝上打上各種標(biāo)識(shí)性文字、圖案及數(shù)字等。激光可以在各種質(zhì)地、各種形狀的產(chǎn)品上打上標(biāo)記，特別是在微小物件上打標(biāo)。許多集成電路芯片上都印有公司商標(biāo)和有關(guān)數(shù)據(jù)，芯片的標(biāo)記區(qū)域一般都只有幾毫米到十幾個(gè)毫米的大小，以往用油墨打標(biāo)系統(tǒng)，存在著標(biāo)志質(zhì)量不高或不能永久保持等問題，改用激光打標(biāo)后，標(biāo)記清楚且不易脫落。5)激光打標(biāo)6.3.1激光加工技術(shù)

激光打標(biāo)機(jī)視頻半導(dǎo)體泵浦激光打標(biāo)機(jī)

該機(jī)型采用陣列晶體作為發(fā)光源6.3.1激光加工技術(shù)

激光打標(biāo)機(jī)

6.3.1激光加工技術(shù)

6)激光雕刻

雕刻是一門古老的藝術(shù)，傳統(tǒng)工藝都是從外部刻起；激光卻可以在不損傷工件外表面的情況下深人其內(nèi)部進(jìn)行操作。1996年8月在美國丹佛舉行的國際工程光學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上，俄羅斯學(xué)者展示了一件高科技工藝品。它是一塊比普通磚稍厚的玻璃磚，里面雕刻著克里姆林官內(nèi)幾座教堂式建筑，而磚表面則完整無缺，顯示了激光雕刻的神氣魅力。6.3.1激光加工技術(shù)

激光雕刻視頻圓柱面雕刻機(jī)

6.3.1激光加工技術(shù)

激光加工實(shí)例

6.3.1激光加工技術(shù)

激光加工實(shí)例

6.3.1激光加工技術(shù)

6.3.2電子束加工技術(shù)

電子束加工是利用陰極發(fā)射電子，經(jīng)加速、聚焦成電子束，直接射到放置于真空室中的工件上，按規(guī)定要求進(jìn)行加工。1－工作臺(tái)2－加工室3－電磁透鏡4－陽極5－柵極6－燈絲7－電源8－電子束9－偏轉(zhuǎn)線圈10－工件11－電子束斑點(diǎn)排氣排氣21011電子束加工的兩類方法：

電子束高能量密度加工：就是利用電子束熱效應(yīng)進(jìn)行電子束加工，有熱處理、區(qū)域精煉、熔化、蒸發(fā)、穿孔、切槽、焊接等。

電子束低能量密度加工：功率密度相當(dāng)?shù)偷碾娮邮丈湓诠ぜ砻嫔?，幾乎不?huì)引起表面溫升，入射的電子與高分子材料的分子碰撞時(shí)，會(huì)使它的分子鏈切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學(xué)性質(zhì)和分子量產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱為電于束的化學(xué)效應(yīng)。

6.3.2電子束加工技術(shù)電子束加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：射束直徑小，電子束能夠極其微細(xì)的聚焦，能適應(yīng)于深孔加工和微細(xì)加工；能量密度高，可使任何材料熔化和汽化，加工生產(chǎn)率高；工件變形小電子束加工是一種熱加工，主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，工件很少產(chǎn)生應(yīng)力和變形，而且不存在工具損耗。適合于加工脆性、韌性、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、非導(dǎo)體以及熱敏性材料。

電子束的強(qiáng)度和位置均可由電、磁的方法直接控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工。

電子束加工是在真空中進(jìn)行的，雜質(zhì)污染少，加工表面不氧化。應(yīng)用：電子束焊接、電子束打孔、電子束表面改性、電子束固化6.3.2電子束加工技術(shù)離子束加工是在真空條件下把氬、氪、氙等惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束，經(jīng)過加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以達(dá)到加工處理的目的。離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大千萬倍，故離子束加速轟擊工件表面，將比電子束具有更大的能量。6.3.3離子束加工圖6-9離子束加工設(shè)備原理1－陰極2－陽極3－電離室4－燈絲5－真空抽氣口

6－氬氣入口

7－電磁線圈8－離子束流

9－工件

10－陰極

1)離子束刻蝕

6.3.3離子束加工

離子束刻蝕是用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊工件，將其表面的原子逐個(gè)剝離(濺射效應(yīng))，這種工藝實(shí)質(zhì)上是一種原于尺度的“切剝”加工，所以又稱為離子銑削。離子束刻蝕加工原理示意圖

1－離子源

2－吸極3－離子束

4－工件

離子束濺射沉積是采用能量為0.1—5keV的氬離子，不過并非用其轟擊工件，而是轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，使其沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。2）離子束濺射沉積鍍膜

6.3.3離子束加工離子束鍍膜加工原理示意圖1－離子源

2－吸極3－離子束

4－工件

5－靶材

1－離子源

2－吸極

3－離子束

4－工件

5－靶材

離子束輔助鍍膜原理示意圖離子束輔助鍍膜是在真空室中將離子源產(chǎn)生的離子引出，并在電場中加速，形成幾十至幾萬電子伏能量的離子束，利用沉積原于和轟擊離子之間一系列的物理化學(xué)作用，在常溫下合成各種優(yōu)質(zhì)的薄膜。3）離子束輔助鍍膜6.3.3離子束加工離子注入是將所添加的粒子在高真空中離子化，然后將其加速到幾萬至幾兆電子伏特，直接轟擊被加工材料，高能離子鉆進(jìn)被加工材料的表層，改變了工件表面層的化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械性能。4）離子注入技術(shù)6.3.3離子束加工離子束注入加工原理示意圖

1－離子源

2－吸極

3－離子束

4－工件

5－靶材

高壓水射流加工是一種用水作為攜帶能量的載體，用高速水射流對各類材料進(jìn)行切割、穿孔和表層板料去除的加工方法，其水噴射的流速要達(dá)到音速的2—3倍。6.3.4高壓水射流加工技術(shù)

圖6-11水射流裝置示意圖1—增壓器2—泵3—混合過濾器4—供水器5—蓄能器6—控制器7—閥8—噴嘴9—射流10—工件11—排水道12—噴口至工件表面距離13—液壓裝置數(shù)控高壓水力切割機(jī)

6.3.4高壓水射流加工技術(shù)

系統(tǒng)配備6軸機(jī)器人及可供部件重復(fù)定位的工作臺(tái)，可完成特殊3維切割及修邊。6.3.4高壓水射流加工技術(shù)

機(jī)器人水力切割系統(tǒng)

可使切割頭隨工件表面之起伏而升降，碰到障礙物或超出工件范圍，高度感應(yīng)器會(huì)立刻停止切割動(dòng)作并予以警示?？杀Ｗo(hù)切割頭，避免因人為操作不當(dāng)而撞裂砂刀管以節(jié)省成本?？删S持一定的懸高距離以確保優(yōu)良之切割品質(zhì)。6.3.4高壓水射流加工技術(shù)

高度感應(yīng)器6.3END6.4超精密加工技術(shù)

6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展

6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)通常按加工精度劃分，可將機(jī)械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，劃分的界限是變化的，過去的精密加工對今天來說已經(jīng)是普通加工，因此，其劃分的界限是相對的，其具體數(shù)值是變化的。1983年日本的Taniguchi教授在考查了許多超精密加工實(shí)例的基礎(chǔ)上對超精密加工的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。把精密和超精密加工的過去、現(xiàn)狀和未來歸納為圖6-12所示的幾條曲線。這些曲線反映了該領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)律。6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展1.超精密加工的范疇

190019201940196019802000加工精度/μm1021011010-110-310-210-510-4年份10μm10μm10μm5μm1μm1μm0.1μm0.1μm0.05μm0.01μm0.005μm0.001μm精超密加工工加密精工加普通測量儀器（檢測設(shè)備）（系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差）超精密研磨機(jī)（電子束掃描裝置）超高精密磨床超高精密研磨機(jī)車床、銑床游標(biāo)卡尺精密車床磨床、研磨機(jī)機(jī)械比較儀測微儀千分尺電子、氣動(dòng)測微儀光學(xué)比較儀精密坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床精密磨床精密研磨機(jī)光學(xué)透鏡磨床精密金剛石磨床光學(xué)磁尺電動(dòng)比較儀電子比較儀（非接觸式）激光測長儀光纖技術(shù)圓度測量儀表面測量儀光學(xué)透鏡精磨床間歇轉(zhuǎn)發(fā)器精密金剛石磨床超精密磨床激光高精度測長儀（多普勒多重干涉儀）臺(tái)階測量儀原子分子離子束加工原子分子沉積加工掃描電鏡、透射電鏡電子束衍射離子分析儀X射線測微分析儀俄歇分析儀、ESCAR超晶格物質(zhì)合成加工機(jī)床（加工設(shè)備）1.超精密加工的范疇6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展要更精確地定義加工精度，除加工誤差本身外，還必須說明測定該誤差的幾何長度或形貌頻率。圖6-13是Langenbeck提出的定性分析微細(xì)加工時(shí)的曲線。圖中斜線部分表示相應(yīng)于微細(xì)加工零件的形狀、位置（斜度）和微觀不平度的幾何長度與對應(yīng)的誤差范圍，并認(rèn)為誤差幅值與形貌頻率是評價(jià)加工精度的重要因素，根據(jù)誤差形貌的頻率可以找出導(dǎo)致該誤差的相關(guān)原因。

1.超精密加工的范疇

6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展圖6-13加工誤差與幾何長度的關(guān)系1.超精密加工的范疇

超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。美國主要研究以發(fā)展國防尖端技術(shù)為主要目標(biāo)。日本的研究以民品應(yīng)用為主要對象。我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。Ra=0.0078μm。在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規(guī)格和技術(shù)配套性方面與國外比還有相當(dāng)大的差距。2、超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展向高精度方向發(fā)展，其最終目標(biāo)實(shí)現(xiàn)原子級精度的加工。向大型化方向發(fā)展，研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿足航天航空、電子通信等領(lǐng)域的需要。向微型化方間發(fā)展，以適應(yīng)微型機(jī)械、集成電路的發(fā)展。3、超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展向超精結(jié)構(gòu)、多功能模塊化、光機(jī)電一體化、加工檢測一體化方向發(fā)展，并采用各種測量、控制技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差。不斷出現(xiàn)新工藝和復(fù)合加工技術(shù)，被加工的材料范圍擴(kuò)大。在作業(yè)環(huán)境建造方面的諸如高性能的基礎(chǔ)隔振技術(shù)、凈化技術(shù)與環(huán)境溫控技術(shù)將有更大發(fā)展。3、超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6.4.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展

超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車削，主要用于加工軟金屬材料，如銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石和碳素纖維板等非金屬材料。1、超精密切削加工6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

金剛石車床的主要生產(chǎn)廠家是美國的莫爾精密機(jī)床公司和普奈莫精密公司。90年代后，日本東芝機(jī)械公司也開始生產(chǎn)這種車床。金剛石車床的價(jià)格十分昂貴，而且還不斷提高，推廣普及應(yīng)用有一定難度。目前，各國正在積極研究開發(fā)低成本的金剛石車削機(jī)床。1、超精密切削加工6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

莫爾特種金剛石車床

1、超精密切削加工6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

莫爾立式金剛石回輪車床6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

精密金剛石快速切削機(jī)床1、超精密切削加工超精密磨削和磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉主要對黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，是一種解決各種高尺寸精度、高表面質(zhì)量、高形狀精度的加工方法，并能顯著地提高零件的加工效率。超精密磨削和磨料加工可分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類加工方式。游離磨料加工指在加工時(shí)，磨?；蛭⒎鄢捎坞x狀態(tài)，如研磨時(shí)的研磨劑、拋光時(shí)的拋光液，其中的磨?；蛭⒎墼诩庸r(shí)不是固結(jié)在一起的。2、超精密磨削和磨料加工6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

（1）磨削技術(shù)

超精密磨削即是加工精度在0.1μm以下、表面粗糙度Rm在0.025μm以下的磨削方法。超精密磨削工件表面的微觀輪廓是砂輪表面微觀輪廓的某種復(fù)印，其與砂輪特性、修整砂輪的工具、修整方法和修整用量等密切相關(guān)。超精密磨削實(shí)現(xiàn)極低的表面粗糙度，主要靠砂輪精細(xì)修正得到大量的、等高性很好的微刃，實(shí)現(xiàn)了微量切削作用，經(jīng)過磨削一定時(shí)間之后，形成了大量的半鈍化刃，起到了摩擦拋光作用，最后又經(jīng)過光磨作用進(jìn)一步進(jìn)行了精細(xì)的摩擦拋光，從而獲得了高質(zhì)量表面。6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1）砂帶磨削技術(shù)

隨著砂帶制作質(zhì)量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達(dá)到高精度和低表面粗糙度值。6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

2）電解在線修整（ELID）磨削技術(shù)

ELID技術(shù)的基本原理是在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶解效應(yīng)而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實(shí)現(xiàn)對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID磨削技術(shù)使得用超微細(xì)（甚至超微粉）的超硬磨料制造砂輪并用于磨削成為可能，其可代替普通磨削、研磨及拋光并實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

2）電解在線修整（ELID）磨削技術(shù)6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

圖6-16ELID磨削原理1―電刷2―鐵纖維結(jié)合劑的金剛石砂輪3―冷卻液4―電源5―工件3）雙端面精密磨削技術(shù)

雙端面精磨的磨削運(yùn)動(dòng)和作行星運(yùn)動(dòng)的雙面研磨一樣，工件既作公轉(zhuǎn)又作自轉(zhuǎn)，磨具的磨料粒度也很細(xì)，在磨削過程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲勞斷裂同時(shí)起作用，磨痕交叉而且均勻，該磨削方式屬控制力磨削過程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可獲得很高的平面度和兩平面的平行度，該技術(shù)目前取代金剛石車削成為磁盤基片等零件的主要超精加工方法。6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

電泳磨削技術(shù)是一種新的超精密及納米級磨削技術(shù)，其磨削機(jī)理是利用超細(xì)密粒的電泳特性，在加工過程中使磨粒在電場力作用下向磨具表面運(yùn)動(dòng)，并在磨具表面沉積形成一起細(xì)磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對工件進(jìn)行磨削加工，同時(shí)新的磨粒又不斷補(bǔ)充(如圖6-8)。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性，磨具每旋轉(zhuǎn)一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補(bǔ)充，使微刃始終保持鋒利尖銳。4）電泳磨削技術(shù)6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

4）電泳磨削技術(shù)6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

圖6-17電泳磨削原理研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高(可達(dá)0.025μm)，表面粗糙度參數(shù)值得以降低(達(dá)Ra0.01μm)。（2）超精密研磨技術(shù)與拋光技術(shù)

主要的方法有：磁流體精研技術(shù)磁力研磨技術(shù)電解研磨機(jī)械化學(xué)研磨超聲研磨等復(fù)合研磨方法等。6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1）超精密研磨技術(shù)

超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅片、石英晶體、高級平晶和光學(xué)鏡頭等零件的最后加工工序。典型的軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光是彈性發(fā)射加工，加工原理其實(shí)質(zhì)是磨粒原子的擴(kuò)散作用和加了速的微小粒子彈性射擊的機(jī)械作用的綜合結(jié)果。其最小切除量可以達(dá)原子級，即可小于0.001μm，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。2）軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

磁流體是由強(qiáng)磁性微粉(10～15nm大小的Fe3O4)、表面活化劑和運(yùn)載液體所構(gòu)成的懸浮液，將非磁性材料的磨?；烊氪帕黧w中，置于有磁場梯度的環(huán)境內(nèi)，則非磁性磨粗在磁流體將受磁浮力作用向低磁力方向移動(dòng)，與工件置產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，磨粒將對工件的表面產(chǎn)生拋光加工。3）磁流體拋光6.4.2超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

6.4END∨∧6.5微納制造

6.5.1微納制造的發(fā)展

6.5.2微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

6.5.3納米加工技術(shù)

6.5.4微納制造例子微納制造技術(shù)是關(guān)于微系統(tǒng)和納米技術(shù)的統(tǒng)稱。

1）微系統(tǒng)

是指集成了微電子和微機(jī)械（或光學(xué)、化學(xué)、生物等方面微元件）的系統(tǒng)。它以微米尺度理論為基礎(chǔ)，用批量化的微電子技術(shù)和三維加工技術(shù)來完成信息獲取、處理及執(zhí)行等功能。微系統(tǒng)按特征尺寸范圍可分為三類：1mm~10mm的微小機(jī)械，1μm~1mm的微機(jī)械，1n~10μm的納米機(jī)械。

2）納米技術(shù)是指納米級0.1nm~100nm的材料、設(shè)計(jì)、加工、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。本節(jié)將主要介紹納米加工技術(shù)。

6.5.1微納制造的發(fā)展

1.

微納制造的概念

微型機(jī)械將逐步走向適用化，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。如把傳感器和調(diào)配藥劑量的“藥劑師”集于一身，制成微型“智能藥丸”，通過口服或皮下注射進(jìn)入人體，用以探測和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞。微系統(tǒng)可用于視網(wǎng)膜手術(shù)、修補(bǔ)血管等。在工業(yè)領(lǐng)域，微型機(jī)電產(chǎn)品可以在管路檢修和飛機(jī)內(nèi)部檢修等狹窄空間和惡劣環(huán)境下進(jìn)行診斷和修復(fù)工作。在航空航天領(lǐng)域，可以制造自適應(yīng)性蒙皮，用以改善氣流特性；在汽車輪胎內(nèi)嵌入微型壓力傳感器用以保持適當(dāng)充氣，避免充氣過量或不足，僅此一項(xiàng)就可節(jié)油10％，僅美國國防部系統(tǒng)就能節(jié)省幾十億美元的汽油費(fèi)。6.5.1微納制造的發(fā)展

2.微納制造技術(shù)的應(yīng)用6.5.2微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

微系統(tǒng)是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，其涉及許多關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的特征尺寸達(dá)到微米級和納米級時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生許多新的科學(xué)問題。微系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前沿關(guān)鍵技術(shù)有：

微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)微系統(tǒng)組裝和封裝技術(shù)微系統(tǒng)的表征和測試技術(shù)6.5.3納米加工技術(shù)納米加工技術(shù)主要有5個(gè)方面：

①采用微化的定形整體刀具或非定形磨料工具進(jìn)行機(jī)械加工：如車削、鉆削、銑削和磨削。②采用電加工或在其基礎(chǔ)上的復(fù)合加工，如微細(xì)電火花加工、線放電磨削加工、線電化磨削、電化加工等。③采用光、聲等能量加工法，如微細(xì)激光束加工、微細(xì)超聲加工。④采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA（光刻電鑄）法。⑤采用層積增生法，如曲面的磁膜鍍覆，多層薄膜鍍覆和液滴層積。1）光刻電鑄（LIGA）技術(shù)

它的工藝過程為：

①采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕劑（圖a），經(jīng)X射線曝光蝕刻出圖形（圖b）；②電鑄，以曝光蝕刻的圖形實(shí)體作為電鑄用胎模，用電沉積法在胎模上沉積金屬（圖c），生成微鑄件（圖d）③注射成形，以微鑄件為模具，即可加工所要求的微零件（圖e）。6.5.3納米加工技術(shù)圖6-18LIGA法的工藝過程a）涂覆光致抗蝕劑b）X射線曝光蝕刻c）電鑄d）微鑄件e）注射成形零件d）2）半導(dǎo)體加工技術(shù)

半導(dǎo)體加工技術(shù)即半導(dǎo)體表面和立體的微細(xì)加工，指在以硅為主要材料的基片上進(jìn)行沉積、光刻與蝕刻的工藝過程。半導(dǎo)體加工技術(shù)使微系統(tǒng)的制作具有低成本、大批量生產(chǎn)的潛力。

6.5.3納米加工技術(shù)3）集成電路（IC）技術(shù)

集成電路（IC）技術(shù)是一種發(fā)展十分迅速且較成熟的制作大規(guī)模電路的加工技術(shù)，在微機(jī)械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術(shù)。但該技術(shù)的刻蝕深度只有數(shù)百納米，且只限于制作硅材料的零部件。6.5.3納米加工技術(shù)4）超微機(jī)械加工和電火花線切割加工用小型精密金屬切削機(jī)床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸左右的微機(jī)械零件，是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費(fèi)用較高。6.5.3納米加工技術(shù)5）鍵合技術(shù)

鍵合技術(shù)是一種把兩個(gè)固體部件在一定的溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術(shù)，其間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態(tài)。6.5.3納米加工技術(shù)6）分子裝配技術(shù)

20世紀(jì)80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicrosoft，STM）以及后來在STM基礎(chǔ)上派生出來的原子力顯微鏡（AtomicForceMicrosoft，AFM），使觀察分子、原子的結(jié)構(gòu)從宏觀世界進(jìn)入了微觀世界。利用其探針的尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可以按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子和原子的裝配制作微機(jī)械。6.5.3納米加工技術(shù)目前，集成電路已經(jīng)從20世紀(jì)60年代的每個(gè)芯片上僅幾十個(gè)器件發(fā)展到現(xiàn)在的每個(gè)芯片上可包含約10億個(gè)器件，其集成度每3年提高4倍。這一增長速度不僅導(dǎo)致了半導(dǎo)體市場在過去30年中以平均每年約15%的速度增長，而且對現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)、國防和社會(huì)也產(chǎn)生了巨大的影響。集成電路之所以能飛速發(fā)展，光刻技術(shù)的支持起到了極為關(guān)鍵的作用。

6.5.4

微納制造應(yīng)用案例1.電子束光刻加工技術(shù)電子束光刻的原理如圖6-18所示，在由掩膜（其上有所需集成電路圖形）、光致抗蝕劑涂層和半導(dǎo)體基片構(gòu)成的三層材料上，利用電子束透射掩膜，照射到光致抗蝕劑涂層上，由于化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)顯影后，在光致抗蝕劑涂層上就形成與掩膜相同的所需線路圖形。隨之，在基片上形成電路有兩種處理辦法：①用離子束濺射去除，可得到凹形電路。②用金屬蒸鍍方法，可形成凸形電路。

6.5.4

微納制造應(yīng)用案例1.電子束光刻加工技術(shù)1.電子束光刻加工技術(shù)6.5.4

微納制造應(yīng)用案例圖6-19電子束光刻加工過程6.5.4微納制造應(yīng)用案例1.電子束光刻加工技術(shù)2.微型機(jī)械昆蟲加州大學(xué)布克萊分校的學(xué)者花了三年時(shí)間，研究自然界昆蟲的特別飛行方式，并根據(jù)這種非穩(wěn)定速度模式的氣動(dòng)學(xué)原理，制造了只有25毫米寬(從一翼端至另一翼端)的微型機(jī)械昆蟲。這機(jī)械昆蟲有類似同類生物的靈活胸腔結(jié)構(gòu)，并在其中置有壓電致動(dòng)器，可作有力及高頻率的振翅動(dòng)作，只要裝上鋰電池或太陽能充電電池，便能像自然界中的昆蟲一樣自動(dòng)不停的飛翔。6.5.4

微納制造應(yīng)用案例3.世界最小的微型機(jī)械人美國山迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家,成功研制了世界最小的微型機(jī)械人，其只有1/4立方寸，體重小於1盎司?？茖W(xué)家希望利用這種微型機(jī)械人，幫助偵查地雷，化學(xué)及生物武器的所在；由於機(jī)械人體積細(xì)小，可爬進(jìn)建筑物的管道，找出化學(xué)品甚至人類所在，并將有關(guān)信息傳送到指揮中心；科學(xué)家還可以部署一群微型機(jī)械人，進(jìn)行不同的任務(wù)，比較體積大的機(jī)械人更靈活和有彈性。6.5.4

微納制造應(yīng)用案例耳蝸里的聽覺毛細(xì)胞可以感測到在淋巴液內(nèi)移動(dòng)的聲波，并且將聲波轉(zhuǎn)換為電子訊號，聽神經(jīng)再將此訊號傳達(dá)到大腦。但不幸的是很多人甚至是一出生就沒有機(jī)會(huì)傾聽大自然美妙的聲音，但是密西根大學(xué)研究人員研發(fā)的機(jī)械耳蝸他們帶來了希望。4.以微型加工技術(shù)制造的機(jī)械耳蝸6.5.4

微納制造應(yīng)用案例機(jī)械耳蝸的作用原理與生物耳蝸相同，以薄膜結(jié)構(gòu)模仿基底膜構(gòu)造。密大的機(jī)械耳蝸有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先是其尺寸大小如實(shí)體，其次是適合大量生產(chǎn)，最后是能以低功率機(jī)械方式進(jìn)行聲學(xué)信號處理。5.微型機(jī)械零件“自組織化”裝配技術(shù)東京大學(xué)山下勛教授日前開發(fā)出一種微型機(jī)械零件“自組織化”自動(dòng)裝配技術(shù)，利用自然界的“自組織化”現(xiàn)象把散亂零件結(jié)合到一起，對提高工作效率、增加微型機(jī)械產(chǎn)量大有幫助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，這種現(xiàn)象被稱為“自組織化”。山下教授受此啟發(fā)，先在微型零件表面涂上化學(xué)物質(zhì)，讓他們具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。結(jié)果，排水性零件互相吸引，而與溶水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就會(huì)根據(jù)需要很好地結(jié)合在一起。研究人員把直徑僅為10微米的硅粒作為零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，硅粒排成一列，連成微小柱形，再在基片表面進(jìn)行化學(xué)處理，成功地把硅粒柱敷設(shè)在基片上。這種技術(shù)在超大規(guī)模集成電路微型裝置鑲嵌中大有用武之地。6.5.4

微納制造應(yīng)用案例根據(jù)美國康乃爾大學(xué)奈米生物科技研究小組的研究，已成功地制造出與病毒大小差不多的分子馬達(dá)。該生物分子馬達(dá)是以200nm長、80nm直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素)作為馬達(dá)，而以長750nm、直徑為150nm的鎳作為螺旋槳。據(jù)研究人員的觀察，該分子馬達(dá)被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，以ATP作為能源，每秒轉(zhuǎn)速可達(dá)8圈，并可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)2.5小時(shí)。研究人員相信，像這樣的微型分子馬達(dá)可作為納米機(jī)器人或其它納米組件零件的一部分，它的潛在應(yīng)用價(jià)值是非常之大的。也許，將來利用該馬達(dá)所作成的潛艇就可進(jìn)入人類的血管之中，不必藉由傳統(tǒng)的開刀方式，即可清除腦血管中的血塊，清理血管壁上的沉積物質(zhì)，以排除中風(fēng)的危機(jī)。6.納米生物科技-分子馬達(dá)6.5.4

微納制造應(yīng)用案例7.納米齒輪NanoGear此外，科學(xué)家利用苯甲基與C60的鍵結(jié)形成分子齒輪的雛型。因此，我們設(shè)想若能將多個(gè)分子以準(zhǔn)確的位置鍵結(jié)至納米碳管上，這樣所形成的分子齒輪，將成為組成納米機(jī)器非常有用的組件。6.5.4

微納制造應(yīng)用案例

由日本MorinobuEndo教授所領(lǐng)導(dǎo)的科技研究小組，于2002年2月初發(fā)表，利用納米材料的組成，與現(xiàn)有的制作技術(shù)，已成功研制出世界上最小的齒輪。該齒輪直徑僅有0.2mm，且具有良好的抗磨損、抗熱、滑動(dòng)特性，這無非為實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器的實(shí)現(xiàn)又邁進(jìn)了一大步。8.原子操縱術(shù)

原子操縱術(shù)可說是STM(掃描穿透顯微鏡)的專長，該工具具備微小且精密的操控能力。掃描穿透顯微鏡的主要構(gòu)造部分有一根金屬鎢(W)至的探針針頭僅有幾個(gè)原子寬，探針針頭僅有幾個(gè)原子那么寬。探針與被觀測樣品并不接觸，而是在其上方來回掃描，當(dāng)距離很近（約10埃），針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產(chǎn)生的電場可不容忽視。藉由針頭和樣品之間電場的吸引從而把樣品中的原子拉離表面，并通過針頭沿著表面移動(dòng)到別處。如果對這種現(xiàn)象善加利用，就能對單個(gè)原子進(jìn)行操作，從而將它們逐個(gè)按特定結(jié)構(gòu)“組裝”成納米機(jī)械。

6.5.4

微納制造應(yīng)用案例

1990年美國IBM的一群科學(xué)家，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆將37顆原子排成“IBM”三個(gè)英文字母，相當(dāng)引人注目(如圖)。8.原子操縱術(shù)6.5.4

微納制造應(yīng)用案例將一顆一顆的鐵原子團(tuán),在Cu(111)表面上排列成“原子”二字。將一顆一顆的一氧化碳原子團(tuán)，在Pt(111)表面上排列成人的形狀。9.納米材料的蓮花效應(yīng)6