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　　在各種增材制造技術中，雙光子聚合(2PP)已成為制造納米級高分辨率結構的有力工具，但2PP工藝的特定工藝屬性可能導致極長的打印時間和由于FOV拼接而導致的部分打印缺陷。近年來，運動控制技術的進步為克服這些挑戰提供了替代解決方案，使2PP系統制造商能夠顯著提高生產效率。

　　文/艾羅德克Aerotech BRYAN GERMANN

　　增材制造，也被稱為3D打印，通過其前所未有的精度和靈活性創造復雜的定制的零件，已經徹底革新了制造業。在各種增材制造技術中，雙光子聚合(2PP)已成為制造納米級高分辨率結構的有力工具。該技術令人印象深刻的分辨率展示了其獨特的可擴展性挑戰：即為了實現最小體素尺寸(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(FOV)使得可擴展性進一步受到挑戰。

　　2PP工藝的這些特定工藝屬性可能導致極長的打印時間和由于FOV拼接而導致的部分打印缺陷。

　　標準的3D打印努力生產功能交織的結構，如鏈甲，因為這些結構必須在生產過程中得到物理支持。相比之下，多光子聚合技術可以打印懸浮在凝膠或液體單體中的結構，從而實現無支撐的3D打印(由Femtika提供)。

　　近年來，運動控制技術的進步為克服這些挑戰提供了替代解決方案，使2PP系統制造商能夠顯著提高生產效率。

　　在深入研究這種運動控制解決方案的工程基礎之前，有必要了解多光子聚合的基礎知識及其與增材制造的相關性。

　　與其低分辨率的姊妹技術——立體光刻技術(利用放置在平面層中的激光硬化光敏聚合物液體)一樣，2PP技術是利用飛秒激光發出的超短激光脈沖來誘導多光子聚合。來自飛秒源的激光脈沖非常短，以至于目標聚合物鏈只能在激光的最大焦點處固化。這意味著大量的聚合物可以在自由空間中硬化，而且極低的質量可以使其在周圍的液體中保持位置。在液體體積內的選定X/Y/Z位置重復此過程，可以逐層創建所需的固體結構。高精度、精細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、微光學和生物醫學工程應用的理想選擇。

　　2PP系統中的激光光斑通常使用激光掃描頭定位，激光掃描頭通過移動反射鏡穿過聚焦物鏡將聚焦光束移動到一個區域上。然而，其中一個關鍵的挑戰是，激光掃描頭的有限視場決定了可以打印的結構的最大尺寸。高數值孔徑物鏡是減小激光光斑尺寸所必需的，它進一步減小了工作距離和視場，從而使這一挑戰復雜化。因此，如果不使用線性平臺來移動掃描儀或打印機床，在單次掃描中打印大型結構或多個結構將是困難的。

　　1 超越掃描頭的視野限制

　　與激光掃描頭光學相關的視場限制產生較小的光斑尺寸，并不局限于2PP的亞微米工藝需求。所有利用激光掃描頭進行光束運動的激光過程通常都會遇到這些限制。這種復雜性促使了先進的新控制器功能的拓展，使視場的擴展成為可能。

　　實現這種行為的最常見方法是視場的拼接，在一個掃描儀的視場內的運動于線性伺服平臺將視場移動到一個全寬度之前執行。這使得下一個視場得以進行。重復這個過程，直到整個所需區域進行完成。

　　實例：采用步進重復拼接法擴展激光掃描頭視場時，常見的不一致拼接誤差。使用無限視野(IFOV)，(右上)消除了相同特征中的邊界誤差(由Femtika提供)。

　　這種方法為更先進的運控創造了機會，有助于消除拼接過程中的邊界誤差，例如，需要多個視場拼接的特征可能會導致加工材料中的間隙或不連貫。在2PP過程中，這些錯誤會導致應力點，缺失特征，或打印的過度或錯誤固化區域。

　　實現超越透鏡視場極限的精確軌跡的更有效方法是同時移動激光束和被加工組件。這可以實現無限視野(IFOV)。

　　IFOV允許小光斑尺寸和需要高數值孔徑鏡頭的視野，在整個線性平臺區域上應用2PP的過程中不會損失任何定位速度或分辨率。

　　關于無限視野(IFOV)如何利用線性XY伺服軸來擴展激光掃描頭的視場(FOV)的演示。當掃描器視場沿伺服平臺運動的同時，它可以處理視場內的任何圖形特征(由Femtika提供)。

　　分辨率高達150納米的多光子聚合技術可以以亞微米大小的細胞單元制造類似支架的結構(由Femtika提供)。

　　例如，在Aerotech開發的系統中，IFOV允許單個控制器架構用于激光掃描頭軸(Gx/Gy)以及外部線性軸來移動部件(X/Y)。控制Gx/Gy的振鏡伺服驅動器具有來自X/Y驅動器的編碼器信號的物理外部輸入。所有驅動器都使用基于光纖的低延遲通信總線連接;一個實時的基于pc的運動控制器來維持控制。IFOV進一步使系統的軌跡能夠通過發送到激光掃描頭軸(Gx/Gy)的簡單g代碼命令來執行。

　　IFOV的工作原理是根據發送給掃描儀Gx/Gy軸的位置命令生成X/Y伺服軸的命令。這是因為Gx/Gy軸以200khz的軌跡速率工作，而線性伺服軸以20khz的速率工作——高出一個數量級。但是所有的軸都是實時同步的。

　　更高的軌跡速率意味著Gx/Gy可以在X/Y之前移動，而X/Y執行命令的速度更慢——允許更多的X/Y錯誤，而不會影響打印機床上激光光斑的精度。激光的位置精度和速度在四個運動軸(Gx/Gy/X/Y)之間共享，允許在線性平臺的整個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一步提高了2PP工藝的精度和效率。由于單個激光脈沖產生單個固化材料的體素，因此對脈沖的不準確控制將導致糟糕的打印質量。位置同步輸出(PSO)可以通過同步激光的脈沖速率與來自激光掃描頭軸(Gx/Gy)的原始編碼器反饋來實現。這確保了沿設定軌跡的激光脈沖的正確間隔，并且獨立于掃描儀在每層上的移動速度。

　　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脈沖的功率水平。當激光在表面上移動時，當該位置滿足預定義的事件類型標準時，PSO觸發事件成為當前編碼器計數位置。在此觸發事件中沒有基于軟件的計算或延遲。控制器“知道”PSO輸出直接由相關軸的位置驅動。這意味著，無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程通量。確保每個位置的影響一致，進一步確保在2PP過程中保持一致的尺寸和準確定位的體素。

　　PSO作為一種控制激光觸發的解決方案而出現。這是因為大多數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于這種精度具有挑戰性。PSO允許掃描頭在不需要觸發的區域快速移動，但仍然保持準確的激光點位且不會減速。矢量和基于光柵的激光軌跡都可受益于這種激光觸發控制方法。PSO與IFOV的結合使得激光掃描頭和線性軸編碼器都可以觸發激光脈沖。

　　3 價值體現

　　IFOV和PSO不僅僅是工程學的概念。它們在由立陶宛維爾紐斯大學激光研究中心衍生公司Femtika開發的基于激光的3D微處理工具中的實例中展現了真實的能力。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相結合組成。為了達到這種精度，Femtika利用了線性平臺和激光掃描頭以及由Aerotech開發的IFOV和PSO控制器技術。

　　Femtika的首席技術官Vytautas Purlys表示，當Femtika第一次著手開發這些系統時，他們的工作假設是，納米精度只能通過壓電級和固定光學設備來實現。當時最常見的解決方案是將壓電工作臺安裝在較大的、不太精確的機械工作臺上。

　　Femtika發現這種方法足以應對小型結構的工藝，但在處理較大型結構生產時，會出現拼接問題和導致極其漫長的制造時間。另外，利用基于IFOV和PSO控制器技術的高精度線性平臺和振鏡， Femtika不僅在加工較大的微結構時看到了質量的提高，而且制造速度也提高了10倍。Femtika發現，通過整合Aerotech的激光掃描頭，它可以將處理速度進一步提高10倍。

　　Purlys說，Femtika的老式壓電2PP系統可以在一夜之間生產幾十個零件，而使用IFOV和PSO功能以及先進的運動控制硬件，使其能夠在相同的時間內生產數千個高質量的結構。

　　將打印時間提高20倍，使2PP工藝能夠在更短的時間內生產出體積更大、質量更高的零件。此外，它使微米級增材制造工藝超越樣機生產，變得更加實用。

　　4 展望

　　先進的控制器功能，如IFOV和PSO，直擊2PP增材制造工藝以及其他激光微加工應用的關鍵質量和產量的挑戰。它使大規模生產高度可重復的零件具有成本效益，使一個曾經看起來效率與精確度不足的生產過程轉變為一種更實用和更有價值的制造方式。