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(jí)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(zhǎng)的打印時(shí)間和由于FOV拼接而導(dǎo)致的部分打印缺陷。近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)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(guò)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(jí)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(dú)特的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)：即為了實(shí)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(chǎng)(FOV)使得可擴(kuò)展性進(jìn)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(zhǎng)的打印時(shí)間和由于FOV拼接而導(dǎo)致的部分打印缺陷。

　　標(biāo)準(zhǔn)的3D打印努力生產(chǎn)功能交織的結(jié)構(gòu)，如鏈甲，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)必須在生產(chǎn)過(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)支撐的3D打印(由Femtika提供)。

　　近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(lái)誘導(dǎo)多光子聚合。來(lái)自飛秒源的激光脈沖非常短，以至于目標(biāo)聚合物鏈只能在激光的最大焦點(diǎn)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(guò)程，可以逐層創(chuàng)建所需的固體結(jié)構(gòu)。高精度、精細(xì)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(guò)移動(dòng)反射鏡穿過(guò)聚焦物鏡將聚焦光束移動(dòng)到一個(gè)區(qū)域上。然而，其中一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，激光掃描頭的有限視場(chǎng)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(jìn)一步減小了工作距離和視場(chǎng)，從而使這一挑戰(zhàn)復(fù)雜化。因此，如果不使用線性平臺(tái)來(lái)移動(dòng)掃描儀或打印機(jī)床，在單次掃描中打印大型結(jié)構(gòu)或多個(gè)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(chǎng)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(jìn)行光束運(yùn)動(dòng)的激光過(guò)程通常都會(huì)遇到這些限制。這種復(fù)雜性促使了先進(jìn)的新控制器功能的拓展，使視場(chǎng)的擴(kuò)展成為可能。

　　實(shí)現(xiàn)這種行為的最常見方法是視場(chǎng)的拼接，在一個(gè)掃描儀的視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)于線性伺服平臺(tái)將視場(chǎng)移動(dòng)到一個(gè)全寬度之前執(zhí)行。這使得下一個(gè)視場(chǎng)得以進(jìn)行。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到整個(gè)所需區(qū)域進(jìn)行完成。

　　實(shí)例：采用步進(jìn)重復(fù)拼接法擴(kuò)展激光掃描頭視場(chǎng)時(shí)，常見的不一致拼接誤差。使用無(wú)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(jìn)的運(yùn)控創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，有助于消除拼接過(guò)程中的邊界誤差，例如，需要多個(gè)視場(chǎng)拼接的特征可能會(huì)導(dǎo)致加工材料中的間隙或不連貫。在2PP過(guò)程中，這些錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力點(diǎn)，缺失特征，或打印的過(guò)度或錯(cuò)誤固化區(qū)域。

　　實(shí)現(xiàn)超越透鏡視場(chǎng)極限的精確軌跡的更有效方法是同時(shí)移動(dòng)激光束和被加工組件。這可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(gè)線性平臺(tái)區(qū)域上應(yīng)用2PP的過(guò)程中不會(huì)損失任何定位速度或分辨率。

　　關(guān)于無(wú)限視野(IFOV)如何利用線性XY伺服軸來(lái)擴(kuò)展激光掃描頭的視場(chǎng)(FOV)的演示。當(dāng)掃描器視場(chǎng)沿伺服平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，它可以處理視場(chǎng)內(nèi)的任何圖形特征(由Femtika提供)。

　　分辨率高達(dá)150納米的多光子聚合技術(shù)可以以亞微米大小的細(xì)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(gè)控制器架構(gòu)用于激光掃描頭軸(Gx/Gy)以及外部線性軸來(lái)移動(dòng)部件(X/Y)?？刂艷x/Gy的振鏡伺服驅(qū)動(dòng)器具有來(lái)自X/Y驅(qū)動(dòng)器的編碼器信號(hào)的物理外部輸入。所有驅(qū)動(dòng)器都使用基于光纖的低延遲通信總線連接;一個(gè)實(shí)時(shí)的基于pc的運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)維持控制。IFOV進(jìn)一步使系統(tǒng)的軌跡能夠通過(guò)發(fā)送到激光掃描頭軸(Gx/Gy)的簡(jiǎn)單g代碼命令來(lái)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?yàn)镚x/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(gè)數(shù)量級(jí)。但是所有的軸都是實(shí)時(shí)同步的。

　　更高的軌跡速率意味著Gx/Gy可以在X/Y之前移動(dòng)，而X/Y執(zhí)行命令的速度更慢——允許更多的X/Y錯(cuò)誤，而不會(huì)影響打印機(jī)床上激光光斑的精度。激光的位置精度和速度在四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸(Gx/Gy/X/Y)之間共享，允許在線性平臺(tái)的整個(gè)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(jìn)一步提高了2PP工藝的精度和效率。由于單個(gè)激光脈沖產(chǎn)生單個(gè)固化材料的體素，因此對(duì)脈沖的不準(zhǔn)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(guò)同步激光的脈沖速率與來(lái)自激光掃描頭軸(Gx/Gy)的原始編碼器反饋來(lái)實(shí)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(dú)立于掃描儀在每層上的移動(dòng)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(gè)脈沖的功率水平。當(dāng)激光在表面上移動(dòng)時(shí)，當(dāng)該位置滿足預(yù)定義的事件類型標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，PSO觸發(fā)事件成為當(dāng)前編碼器計(jì)數(shù)位置。在此觸發(fā)事件中沒有基于軟件的計(jì)算或延遲?？刂破鳌爸馈盤SO輸出直接由相關(guān)軸的位置驅(qū)動(dòng)。這意味著，無(wú)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(guò)程通量。確保每個(gè)位置的影響一致，進(jìn)一步確保在2PP過(guò)程中保持一致的尺寸和準(zhǔn)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?yàn)榇蠖鄶?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(duì)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(dòng)，但仍然保持準(zhǔn)確的激光點(diǎn)位且不會(huì)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(jià)值體現(xiàn)

　　IFOV和PSO不僅僅是工程學(xué)的概念。它們?cè)谟闪⑻胀鹁S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(shí)例中展現(xiàn)了真實(shí)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(dá)到這種精度，F(xiàn)emtika利用了線性平臺(tái)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(shí)，他們的工作假設(shè)是，納米精度只能通過(guò)壓電級(jí)和固定光學(xué)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)最常見的解決方案是將壓電工作臺(tái)安裝在較大的、不太精確的機(jī)械工作臺(tái)上。

　　Femtika發(fā)現(xiàn)這種方法足以應(yīng)對(duì)小型結(jié)構(gòu)的工藝，但在處理較大型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)拼接問(wèn)題和導(dǎo)致極其漫長(zhǎng)的制造時(shí)間。另外，利用基于IFOV和PSO控制器技術(shù)的高精度線性平臺(tái)和振鏡， Femtika不僅在加工較大的微結(jié)構(gòu)時(shí)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(guò)整合Aerotech的激光掃描頭，它可以將處理速度進(jìn)一步提高10倍。

　　Purlys說(shuō)，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(gè)零件，而使用IFOV和PSO功能以及先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制硬件，使其能夠在相同的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)數(shù)千個(gè)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。

　　將打印時(shí)間提高20倍，使2PP工藝能夠在更短的時(shí)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(jí)增材制造工藝超越樣機(jī)生產(chǎn)，變得更加實(shí)用。

　　4 展望

　　先進(jìn)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(gè)曾經(jīng)看起來(lái)效率與精確度不足的生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更實(shí)用和更有價(jià)值的制造方式。