對於(yu) 高精密的應用，固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應用可以替代掃描振鏡冷消融的加工方式。該加工方式可進一步通過錐角補償(chang) 、加工氣體(ti) 供給或工件處理優(you) 化。

介紹

超短脈衝(chong) （USP）激光器現在已經慢慢從(cong) 研究實驗室轉移到了工業(ye) 微加工。皮秒和飛秒級別的脈衝(chong) 寬度使得材料能夠不經過液化直接氣化。通過冷消融可以實現對玻璃、金屬、陶瓷和聚合物的逐層去除。鍾表業(ye) 正在使用這種技術進行精細雕刻，掃描振鏡對複合材料的切割和鑽孔不會(hui) 造成任何的熱影響區（HAZ），因而產(chan) 生的表麵和邊緣質量較高（見圖1）。 

圖1：USP激光器通過冷消融的方式進行微加工。
左：在一個(ge) 聚合物芯片係統實驗室上約200μm寬的微通道。
右：高邊緣質量的銅表針，顯示出一個(ge) 明顯的錐角（寬度為(wei) 0.7mm）。

超短激光脈衝(chong) 消除熱影響

然而，對於(yu) 某些應用，使用掃描振鏡冷消融的加工方式得到的精度與(yu) 錐角是不夠的。錐角是在切割縫的邊界時產(chan) 生的，部分是因為(wei) 激光能量密度（每單位麵積的能量）在那裏比較低，部分是因為(wei) 材料在那裏再沉積。對於(yu) 這些應用，使用固定加工頭、加工氣體(ti) 噴嘴和高精度軸是很有優(you) 勢的。然而，軸的加速度和速度與(yu) 掃描振鏡相比是微不足道的。因此，激光引入的熱量在固定加工頭的應用中會(hui) 比較多。即使是局部熔化材料也不能完全排除這種現象。盡管如此，可以依舊保持工件質量。與(yu) 固體(ti) 激光器和CO2 激光器的“熱”激光切割相比，超短脈衝(chong) 確保引入的熱量在時間和空間上是可控的。因此，仍然不會(hui) 對工件造成熱影響。用固定加工頭的USP激光微切割就如同微米範圍的熱加工。

更加陡的錐角和良好的邊緣質量

與(yu) 掃描振鏡的冷消融加工方式相比，如果能正確采用固定加工頭微切割加工，則能形成更陡的錐角，同時保持良好的邊緣質量。優(you) 化的噴嘴能夠提供加工氣體(ti) ，在高壓下去除材料的切縫。除了激光參數，噴嘴的幾何形狀和位置，以及加工氣體(ti) 的類型和壓力同樣顯著影響著切割效果。另一個(ge) 重要的方麵就是合適的工件固定夾具的發展，同時支持可靠的固定和材料的自由切割（圖2）。要將設計圖導入激光係統加工時，必須考慮激光的切入以及出口的位置。當涉及高精度，工藝的開發和質量的控製時，就需要適當的測量設備，才能夠可靠地測量幾微米和表麵粗糙度值低於(yu) 一微米的公差。

圖2：與(yu) 掃描振鏡冷消融加工方式相比，固定加工頭微切割能產(chan) 生更高的精度和更陡的錐角。

                                                     左：直徑約5毫米的齒輪。

                                                     右：為(wei) 了實現良好的質量，由噴嘴（頂部）提供加工氣體(ti) 和合適的工件固定是必不可少的。

固定光學能夠對金屬、矽和陶瓷等材料進行微切割（圖3）。為(wei) 了提高成本效率和生產(chan) 率，可以考慮平行的加工頭。通快高功率超短脈衝(chong) 激光TruMicro支持這樣的分光方法（圖4）。

圖3：固定光學微切割陶瓷。
左：約5mm直徑的部分，是鍾表行業(ye) 應用的一個(ge) 測試幾何形狀。
右：藍寶石和矽也可以用這個(ge) 方法來切割。

提高零件質量的後續處理方法

各種後續的處理也許能夠進一步提高工件質量。在絲(si) 電火花加工和微細銑削的情況下，可以考慮熱處理以獲得目標強度、硬度或退火材料。為(wei) 了優(you) 化粗糙的表麵，如果需要的話，可以用一些化學的機械後處理方法。激光切割工件，有時會(hui) 通過電化塗層來達到理想的表麵。鍾表業(ye) 是應用固定光學微切割或鑽加工方式最重要的領域之一，如紅寶石微軸承、手表手柄或其他元素。

圖4：TruMicro 5000皮秒和飛秒係列激光器可提供的平均功率達100瓦，脈衝(chong) 能量高達250 微焦耳。超短脈衝(chong) 的脈寬與(yu) 其它參數結合，有助於(yu) 減少和消除熱影響區域（HAZ）。

為(wei) 鑽小孔設計的開孔加工頭

在加工過程中，通常我們(men) 需要得到一個(ge) 陡的90度錐角。對於(yu) 小孔的鑽孔，使用所謂的開孔加工頭可以做到。當它涉及到更複雜的幾何形狀的微切割時，這種類型的方法也變得越來越有優(you) 勢。從(cong) 熱管理的角度來看，這個(ge) 加工方式與(yu) 使用精確的機械軸固定加工頭微切割來加工是類似的。然而，一些開發工作仍需改進現有開孔加工頭，使得它們(men) 變得更人性化，適用於(yu) 比較複雜的工業(ye) 微切割應用。一個(ge) 有趣而具有挑戰性的選擇是工件夾具由一個(ge) 傾(qing) 斜的錐角來補償(chang) ，特別是切割出整個(ge) 工件。