超疏水表面激光加工技术研究进展

超疏水表面作为最具代表性的功能性表面得到广泛的应用,激光加工技术凭借超高加工精度和高度可控等特性,成为制备超疏水表面微纳尺度结构的有利工具。已有大量相关试验研究,但鲜有对加工机理和方法等进行归纳总结。从润湿理论出发,分析超疏水表面激光加工技术研究现状。按照微纳结构成型方式,归纳总结增材和减材激光加工制备超疏水表面的成型机理。基于成型机理系统梳理超疏水表面制备的研究进展。分析制备过程中影响材料表面超疏水性的因素。针对超疏水表面机械稳定性问题,梳理改善和提高表面机械稳定性的方法。简述超疏水表面研究中存在的问题及其发展趋势,指出试验研究结果的规律性总结的局限。与仅论述激光减材制备超疏水表面的综述类文章不同,从增材和减材两个方面论述激光加工制备超疏水表面的机理,详细分析激光减材制备超疏水表面的制备方法和表面疏水性影响因素,对未来激光加工制备超疏水表面更深层次的研究具有指导意义。

《工程测试技术》项目教学法的研究与实践

《工程测试技术》是一门体系庞大,知识覆盖面广,理论性和应用性都很强的学科,但是内容过于繁杂,学生难以理清掌握。该门课在实施教学中,以油气管道的自动化巡检为例,采用项目教学方法,通过问题引导和工程实践加深学生对该课程进行深入的理解与掌握。该项目研发一种自动化油气管道自动巡检平台,解决固定布局式传感器所存在误检漏检率高的问题,同时减少人工介入,实现全天候无缝隙巡检。采用气体传感器、光电传感器、GPS定位传感器等,并搭载通信传输系统和控制系统,实现了具有完整功能的测试系统。该项目的顺利实施使得学生对该门课程得到了新的领悟,提高了学习兴趣、自学能力和创新能力。

基于数字孪生的激光加工零件表面温度监控系统的构建

数字孪生是一个旨在物理空间与虚拟空间之间建立实时映射的概念。为拓展数字孪生技术在激光加工领域的应用,以纳秒激光打标机加工7075铝合金为例,阐述了有限元仿真在激光加工领域的重要作用,但由于有限元仿真计算量较大且目前计算机的运算水平有限,存在仿真计算时间较长的问题,无法满足数字孪生技术所需的实时映射。为此,提出了利用CGAN(conditional generative adversarial network,条件生成对抗网络)模型代替有限元仿真的方法。该方法先利用图像化处理后的工况图像和由有限元仿真获得的温度云图对CGAN模型进行训练,随后将训练好的CGAN模型封装,用于构建基于数字孪生的激光加工零件表面温度监控系统。在完成数字孪生温度监控系统虚拟端的搭建后,使用MQTT(message queuing telemetry transport,消息队列遥测传输)通信协议与实体端进行数据交互,实现数字孪生系统的远程监控与操作。基于数字孪生的激光加工零件表面温度监控系统实现了零件表面温度的快速仿真计算,解决了有限元仿真计算时间长、无法实现实时映射的问题,基本能够满足激光加工零件表面温度的监控与预测,在激光加工温度监测领域具有一定的参考价值。

激光加工散射网点火山口对导光板光学的影响

针对激光加工导光板散射网点周围存在环状熔融物(火山口)对导光板光学影响的问题,进行了网点加工实验和光学仿真研究。采用CO2激光在PMMA上进行打点实验,观察测量火山口的三维形貌尺寸,分析在不同能量参数下火山口的特征变化。为了提高激光导光板的光学性能,按照散射网点密度正比于其所在位置距光源距离的网点密度分布理论,在UG和TracePro软件中建立模型,仿真分析了火山口宽度和高度变化对导光板光学的影响,通过多次仿真得知,火山口在一定程度上提升了出光平均值,但随着火山口高度和宽度的增加出光平均值的增加减弱;另外火山口参数变化对导光板均匀度的影响较小,均匀度均可维持在88%以上。

基于数字孪生的光学位移台交互控制系统

为解决自建激光并行加工实验平台因设备安装位置隐蔽、难以加装辅助装置等而造成实验操作不便、设备运行状态监测困难和交互性差的问题,以实验平台中单个光学位移台为例,利用Unity引擎设计了一种基于数字孪生技术的交互控制系统。该交互控制系统采用MQTT(message queuing telemetry transport,消息队列遥测传输)通信协议,利用服务器中转数据的方式完成跨软件间的信息交互。光学位移台的Kinesis控制软件和Unity引擎中的虚拟控制面板作为MQTT通信中的客户端,共同承担订阅者和发布者的角色。光学位移台的数字孪生模型根据数据信息对物理实体的运动状态进行实时映射,用户通过Kinesis控制软件或虚拟控制面板完成对物理实体和数字孪生模型的同步交互控制。采取引用.dll文件对Kinesis控制软件进行二次开发,调用Kinesis控制软件运动控制类的方法完成对光学位移台的运动控制,并将运动数据变量设置为高精度的float型和decimal型,确保数据精度不丢失。选取10组实际加工数据对交互控制系统运行的延时性、同步性进行测试。结果显示,Kinesis控制软件端数据发布耗时和Unity引擎端数据订阅耗时分别控制在20 ms和10 ms内。所设计的系统能够较好地保证数字孪生模型与物理实体间同步控制的一致性、动作映射的实时性,实现了光学位移台运动状态的可视化监测功能。此外,设置的运动数据类型可满足微米级的信息传递,保证了光学位移台使用时的精度要求;同时虚拟控制面板各功能正常运行,提升了光学位移台控制的便利性。

激光微纳连接技术研究进展

激光微纳连接技术是实现微纳米结构、电子元器件批量化生产的基础,是微纳制造领域的关键技术。在简要介绍微纳连接技术的应用需求和主要技术方法的基础上,重点对微纳尺度的激光连接技术进行了分析和论述。首先介绍了激光连接技术的尺寸范围,然后根据其工艺特性的不同选取三种典型的激光微纳连接技术,即激光微焊接,微纳尺度的激光软钎焊和激光植球,分别论述该三种技术的加工原理及特点、工艺参数和应用现状。通过对激光微纳连接技术工艺参数的研究和应用现状的总结,探讨激光微纳连接技术在航空航天、微电子封装、医疗器件等领域的重要应用,并对激光微纳连接技术的发展方向和未来研究工作进行了总结。

激光加工微孔质量的研究

激光加工凭借加工精度高、效率高、无污染、应用材料范围广的独特优势,成为加工微孔的首选,尤其是在高质量微孔的加工中有着不可替代的作用。介绍了激光加工微孔的优势及研究意义,总结了激光加工微孔的质量特征(如深径比、锥度、圆度、重铸层等),综述了激光加工微孔质量的研究现状,讨论了打孔方式、激光工艺参数(如脉冲宽度、波长、重复频率等)和加工环境(如真空、气体、液体等)三个因素对激光加工微孔质量的影响及其造成影响的原因,并对激光加工微孔的发展方向和今后研究的重点进行了总结。

基于皮秒激光7075 Al合金超疏水表面的制备及其工艺优化

为在Al合金表面获得稳定的超疏水性能,进一步拓宽Al合金材料在工业领域的应用范围,研究了一种简单、灵活、可靠的超疏水表面制备方法。首先,基于超疏水表面结构特征,采用单因素控制变量法和响应面法对激光加工参数进行了选取和优化。后采用皮秒激光刻蚀和硬脂酸处理相结合的方式获得了(超)疏水表面。通过控制激光扫描间距间接操控表面形貌的方式研究了微纳结构对表面润湿性的影响。利用接触角测量仪、SEM、共聚焦显微镜、FTIR等分析了样品的表面润湿性、形貌及化学成分。结果表明:最佳激光刻蚀参数为:扫描次数2次,扫描速度460 mm/s,频率835 kHz,平均功率21 W;扫描间距为20~80μm的表面具有超疏水性,扫描间距为100~160μm的表面具有疏水性。当扫描间距为20、80μm时,接触角最大为154°,且表面黏附性很低。本文对在金属表面快速获得稳定超疏水性具有指导意义。

水辅助激光诱导等离子体背部刻蚀Pyrex7740玻璃

提出了水辅助激光诱导等离子体背部刻蚀Pyrex7740玻璃的方法,制备了缩小型十字通道微流控芯片。通过理论分析和加工试验,研究了激光能量密度和激光加工次数对平均刻蚀深度的影响,以及刻蚀过程中去离子水的作用。研究结果表明,平均刻蚀深度与激光能量密度和激光加工次数有较大关系;去离子水有助于实现持续刻蚀,制得的芯片沟槽宽度为77.8μm,刻蚀深度为20.4μm,刻蚀边缘齐整,无明显崩边现象;而在没有去离子水辅助的情况下,当激光能量密度为3.4J/cm^2时,最大刻蚀深度为2.8μm。