自由曲面零件表面微结构的跨尺度激光精密加工关键技术基础研究

如何精确、高效地跨尺度加工自由曲面零件的特殊表面微结构已成为许多重大工程和产品制造中的瓶颈。本项目在前期激光平面精密刻蚀技术的研究基础上，提出了采用"3+2轴"平行投影式激光跨尺度精密刻蚀加工技术进行自由曲面零件表面微结构制造的技术解决方案。项目拟系统研究以离散点云描述的自由曲面子块划分-拼接、"3+2轴"激光振镜平行投影加工的数学原理和优化算法，建立自由曲面平行投影式激光跨尺度加工工艺原理模型，并研制出具有自主知识产权的核心CAD/CAM工艺软件；探索大幅面自由曲面零件表面紫外激光跨尺度精密刻蚀加工的工艺规律及机理、加工极限条件、工艺精度评价方法和系统误差分析模型。研究成果将为大幅面自由曲面零件表面微结构的制造开辟一条高效、便捷的技术路线，发展自由曲面激光精密刻蚀加工理论体系，为进一步工业化应用提供理论依据。

航空航天、汽车、能源动力、军事国防等行业中，如何在大尺寸自由曲面零部件表面高精度、高效率制造出精确图形微结构的加工需求十分广泛而且复杂。许多情况下，需要加工的材料常常是软质、硬质或者信息薄膜功能材料，具体加工任务包括切割、打孔、刻蚀，以及材料的加成法工艺（涂覆、焊接）等。针对这些自由曲面零件表面微结构的“跨尺度（宏尺寸/微精度）”加工需求，本项目结合了平行投影变换和激光加工焦深特性，提出了一种平行投影式振镜扫描（Parallel Projective Galvo Scanning，PPGS）激光精密加工技术。本项目的主要成果是：1）对PPGS激光精密加工技术的加工理论基础、工艺流程设计、原型设备研制、系统误差分析、自由曲面子块划分优化算法以及加工工艺软件进行了系统研究，申请了9项发明专利、2项实用新型和2项软件著作权。2）基于自主研制的“3+2”轴PPGS激光精密加工原型设备，利用其配置的全固态355nm紫外激光器，针对不同材质（金属、陶瓷、玻璃、聚合物等）、不同加工应用（包括切割、打孔、刻蚀等）的工业领域加工需求，开展了较系统的激光精密加工工艺实验，包括超薄氧化铝陶瓷切割、单晶硅三维微结构刻蚀、大幅面PI膜直孔阵列加工、氟掺杂氧化锡薄膜刻蚀、频率选择表面微结构刻蚀，研究结果发表10篇学术论文。3）培养硕士研究生3名、博士研究生2名，博士后（出站）1名。