[发明专利]一种减阻微结构加工方法

说明书

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种减阻微结构加工方法，克服现有激光直写加工效率、控形能力较差的问题，加工系统包括沿光路依次设置的激光器、光路传输系统、分束与光斑切换系统以及紧聚焦光学系统；具体加工时，通过将待加工V形槽进行分层，并将激光光束分束同时根据分层结果调整光斑，一次可以进行至少两条V形槽结构的加工，提高加工效率的同时可提高激光微加工的控形能力。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种利用激光制造减阻微结构的方法。

背景技术

随着民航飞机、运输机以及无人机等航空器的规模越来越大，对飞行效能等要求越来越高；同时，随着能源短缺、环保等问题的日益突出，航空器减阻研究受到国内外学者和工业界人士的广泛关注。

对于大多数处于亚音速巡航飞行的航空器，壁面摩擦力超过航空器总阻力的50％，超过1/6的发动机能耗用于克服该阻力。减小亚音速航空器壁面摩擦力，对节约能源、提高航空器的最大航程等具有重要经济效益，表面减阻研究已经成为大型航空器的基础科学问题之一。据目前研究，叶片减阻可以提高发动机整体气动减阻性能，降低油耗5％左右，增加11％以上的航程，节能减排。目前，航空器表面减阻技术主要有层流边界层控制、湍流边界层减阻等，其中湍流边界层减阻技术实用价值巨大，已经被NASA列为21世纪的航空关键技术之一。20世纪70年代，美国国家航空航天局(NASA)兰利研究中心发现，表面微沟槽结构可以改变航空器近壁区湍流结构，从而有效降低流体摩擦阻力，颠覆了传统光滑表面减阻思维。

航空器表面的V槽微结构主要能够改变流场的界面效应，抑制和延迟湍流的发生，使得流体稳定的流过接触界面，减少流体在接触面的粘附阻力，从而起到表面减阻、减摩等改善界面流体力学性能的作用。由于微结构减阻功能表面具有微尺度、几何特征复杂、功能特性与几何特征关系紧密，对三维形貌精度要求高等特点，所以对其设计，加工和检测都提出了较高的要求。

目前针对功能结构减阻结构主要采用Vibrorolling、UV-LIGA、反应离子束刻蚀、表面喷丸、表面微织构技术等方法进行，但均存在诸多问题，如反应离子束刻蚀需辅助装置或特殊气氛而且工艺过程繁琐；表面喷丸处理技术对环境有一定的危害，不环保；UV-LIGA光刻技术的精度高但工艺过程复杂且成本较高；超声波微织构加工技术不能精确地控制凹坑形貌和分布。

与其它的微织构加工技术相比激光表面微织构加工技术有其独特的优势，如可以在大气环境中进行而且对环境无污染，制作简单无需其它工艺辅助，设备成本较低，加工对象范围宽，可控制适当的尺寸和形貌等。因而激光表面微织构加工技术被认为是减阻表面织构加工领域中最具发展前景的加工技术之一。其具有材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸等加工优势。同时也由于加工中非接触、无需液体/酸碱辅助的特点。但是普通的激光直写的加工效率较低、加工能力受限、控形能力较差。

因此本发明针对上述问题，拟发明一种激光分束、分层直写制造新方法，通过分束解决效率低的问题，通过与分层方法结合实现百微米级结构的精准控形。

发明内容

本发明针对现有激光直写加工效率、控形能力较差的问题，提供一种减阻微结构加工系统及方法。

本发明的技术解决方案是提供一种减阻微结构加工系统，包括激光器，其特殊之处在于：还包括光路传输系统、分束与光斑切换系统以及紧聚焦光学系统；

上述激光器用于产生激光；

上述光路传输系统位于激光器的出射光路中，用于将激光传输至分束与光斑切换系统；

上述分束与光斑切换系统用于将激光分束及切换光斑尺寸；

上述紧聚焦光学系统位于分束与光斑切换系统的出射光路中，用于将分束及光斑尺寸切换后的激光光束聚焦至加工面。

进一步地，上述分束与光斑切换系统为空间光调制器SLM。