针对激光定向能量沉积（LDED）成形零件尺寸精度低、表面粗糙度大的问题，采用机器人增减材复合制造平台，研究了不同工艺策略（先增材后减材成形及增减材交替成形）对增减材成形316L不锈钢试样表面质量和力学性能的影响，阐明了增减材交替工艺策略的层间作用对成形试样表面质量和力学性能的影响机理。对增材和减材工艺参数进行优化，确定优化后的参数为激光扫描间距2.5 mm、刀具主轴转速3600 r/min、刀具进给速度3 mm/s、铣削深度0.3 mm和铣削宽度3 mm，并采用该优化参数在不同工艺策略下成形了316L不锈钢试样。结果显示：先增材后减材和增减材交替成形试样的力学性能相当，增减材交替工艺策略可以实现内部结构复杂的316L不锈钢零件的成形，对零件成形性能没有消极影响。最后采用增减材交替工艺策略进行了阀门模具的制造，验证了增减材复合制造工艺的工业应用可行性。

介绍一种用在初型模平行开关上的垂直冷却技术，将模具冷却方式由过去的横向冷却改为模具内部垂直冷却，可提高冷却效率，提升制瓶产量。

为了探究激光清洗工艺对铝合金轮胎模具表面性能的影响, 采用平均功率500 W的全固态激光器作为清洗光源, 在激光峰值功率密度约为5.3 J/cm2时, 研究激光清洗前后铝合金轮胎模具表面宏观形貌、微观形貌、疏水性、表面元素含量及残余应力的变化。结果表明, 激光清洗后表面粗糙度达到Ra0.2相比未清洗表面降低83.3％; 激光清洗后提高模具表面疏水性, 水接触角可达116.6°, 表面能低至12.9 mN/m; 经过激光清洗后表面碳元素含量下降, 由清洗前23.91%降为4.07%; 激光清洗使模具表面应力状态由压应力变为拉应力。此结果为激光清洗在铝合金轮胎模具清洗的实际应用提供了参考。

高精度微结构玻璃光学元件在光学系统、精密测量、微流控芯片等领域的应用日趋广泛, 而阵列模压成形技术是生产玻璃光学元件最具革命性的制造技术, 具有高精度、无污染、净成形、低成本等特点, 可望实现高精度微结构玻璃元件的低成本和稳定性量产。本文介绍了微结构玻璃光学元件阵列模压技术的优势及应用需求, 综述了国内外近年来利用阵列模压技术制造微结构玻璃光学元件的重要研究进展, 包括模具材料及加工技术、玻璃材料及热力学特性、阵列模压过程有限元仿真及模压工艺试验、微结构玻璃元件质量检测技术等。重点阐述了微结构光学元件制备过程中在模具材料、镀膜材料、模具加工设备及工艺、阵列模压仿真与成形工艺等方面所取得的新成果和面临的技术难题。最后, 对微结构玻璃光学元件阵列模压成形制造技术的发展趋势进行了展望。

为了获得可靠的金属纳米尖的制作方法, 设计了基于模板微电铸工艺制备金字塔型纳米Ni尖的工艺流程并进行了实验验证。利用(100)型单晶硅的各向异性腐蚀特性在40%的KOH溶液中腐蚀以制备倒金字塔型的硅模具, 采用磁控溅射与正胶剥离工艺获得了厚度为200 nm的Ni种子层薄膜并进行金属图形化, 之后进行微电铸实验, 最后, 利用KOH腐蚀硅模具以释放金字塔型实体Ni纳米尖。实验结果表明: 利用ICP干法刻蚀代替HF酸腐蚀SiO2掩蔽窗口, 可将模具制作的相对误差降低约9%; 金字塔型Ni纳米尖的底部边长尺寸约为140 μm, 纳米尖最小曲率半径为54 nm; 微电铸工艺复制精度约为99%。采用微电铸工艺并结合硅片自停止刻蚀技术, 能够稳定可靠地制备出金字塔型Ni纳米尖, 实现了金属纳米尖的批量化制备, 从而降低了制造成本, 为纳米尖的广泛应用奠定了基础。

在汽车塑料模具钢P20表面激光熔覆了镍基合金强化层, 利用金相显微镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机等设备检测了合金强化层的组织和性能。试验结果表明, 激光熔覆可在汽车塑料模具钢P20基材表面获得组织致密, 晶粒细化, 与基体结合牢固的强化层。强化层的硬度呈梯度分布范围为474~678 HV0.2, 比基材提高75.3%以上。激光合金强化试样在20 ℃和200 ℃环境下的耐磨损性比基材提高了33.1%和34.7%。利用激光熔覆对汽车塑料模具表面制备合金强化层, 将大大延长模具的寿命。

为了解决在大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底上高效低成本批量化制造大面积微纳结构这一难题, 提出一种面向大面积微结构批量化制造的复合微纳压印光刻工艺。阐述了复合压印光刻的基本原理和工艺流程, 通过实验揭示了主要工艺参数(覆模速度、压印力、压印速度、固化时间)对于压印结构的影响及规律。最后, 利用课题组自主研发的复合压印光刻机, 并结合优化的工艺参数, 在3种不同的硬质基材(玻璃、PMMA、蓝宝石)上实现了微尺度柱状结构(最大图形区域为132 mm×119 mm)、微尺度光栅结构(最大直径为1524 cm的圆形区域)和纳尺度柱状结构(图形区域为47 mm×47 mm)的大面积微纳结构制造。研究结果表明, 提出的复合微纳米压印工艺为大面积微纳结构宏量可控制备、以及大尺寸非平整刚性衬底/易碎衬底大面积图形化提供了一种全新的解决方案, 具有广阔的工业化应用前景。

为实现辊筒模具大面积微透镜阵列的高效率与高精度加工, 对微透镜阵列成形法的加工轨迹优化和进给轴伺服参数的优化方法进行了理论分析与实验研究。首先, 通过分析微透镜阵列的特征轮廓, 确定微透镜表面振纹的主要诱因为过渡台阶的突变;其次, 为使加工轨迹的二阶导数具有连续性, 提出采用三次样条插值与傅里叶级数拟合对加工轨迹进行分段优化设计; 最后, 在优化加工轨迹的基础上, 通过调整伺服系统的前馈参数, 改善了进给轴的响应能力, 减小了因驱动质量和阻尼而产生的跟踪误差。口径为800 μm、深度为26.7 μm的微透镜阵列的加工实验表明: 采用优化的刀具轨迹和伺服参数, 微透镜加工效率可以达到8 Hz, 进给轴跟踪误差小于300 nm, 并消除了微透镜阵列的表面振纹。微透镜单元口径尺寸精度为设计值的1.075%, 随机检测50组, 口径尺寸变化范围控制在2 μm内, 表明微透镜具有良好的尺寸一致性。实验结果表明, 加工轨迹的分段设计方法和伺服参数优化可有效抑制进给轴的振动, 改善了微透镜阵列表面质量。

为了解决金属箔材微拉深工艺中高昂的微型模具设计制造成本问题, 采用无模具激光冲击微成形方法, 对脉宽5ns、直径50μm的高重复频率激光光斑微冲击成形20μm厚T2铜箔进行了理论分析和实验验证。结果表明,在约束层没有破损的情况下, 凹坑深度h、凹坑底平面直径L1和凹坑壁倾斜程度(L-L1)随着单脉冲能量E及光斑搭接率增加线性增大; 激光扫描内外圆周顺序对凹坑深度没有影响, 但会对凹坑底平面直径有影响, 先扫描外圆周时会形成更大的凹坑底平面直径, 无需模具, 凹坑形貌是可控的。这一结果对激光无模微拉深渐进成形的进一步研究是有帮助的。

为了提高国内大尺寸光学微结构薄膜的光学级模具制造水平, 打破国外在辊筒模具超精密加工装备的垄断, 完成了国内首台套大尺寸光学微结构辊筒模具超精密机床的设计、集成以及典型微结构工艺的研究工作。首先, 根据辊筒模具表面微结构加工工艺的特点, 分析了辊筒模具超精密机床的关键技术并完成了机床结构与运动控制系统设计。在机床系统集成后, 完成了运动控制系统的调试。直线轴执行阶梯运动完成了直线轴运动分辨率的测试。其次, 通过准直仪和激光干涉仪完成了机床关键轴系的直线度及定位精度的测试和补偿。最后, 采用多步切削法切削实验, 以降低毛刺高度为目标, 完成了V槽阵列的加工工艺参数优化。经测试, 该超精密加工机床的直线运动分辨可达到5 nm, 直线轴的双向定位精度均优于1 μm/1 100 mm; 采用多步切削法加工V槽阵列, 最后一次切削深度建议在1~2 μm, 可以获得合格的V槽阵列。