数值模拟和实验的调整曲率 micro-cantilevers 使用 water-confined激光产生等离子体外文文献翻译、中英文翻译、外文翻译
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附录一：
数值模拟和实验的调整曲率 micro-cantilevers 使用 water-confined 激光产生等离子体
摘要：
本文描述了一个精确的和非接触式调整技术使用 water-confined lasergenerated 等离子体调整离散曲率(micro-mechanical 悬臂)。一系列的激光冲击微调实验进行 0.4 毫米厚铝样品使用脉冲Nd:YAG 激光操作 1064 纳米波长的验证技术可行性。系统研究的术语进行了各种因素对调整结果的影响,包括激光能量、激光焦点位置,激光冲击次数和限制制度配置。研究结果表明,可以获得不同的弯曲角度和弯曲方向通过改变激光加工参数。调整过程,没有限制制度配置也可以生成合适的弯曲变形。但是,在更大的能量的情况下,最终的表面会消融的迹象,因此导致表面质量变差。分析过程包括通过ANSYS / LS-DYNA 执行动态分析和静态分析介绍了由ANSYS 实现模拟激光冲击微调来预测最后的弯曲变形。预测弯曲的概要文件是与现有的实验数据,显示有限元分析可以预测最后的曲率micro-cantilevers 正常。
介绍：
MEMS 制造的需求增加导致生产技术的新需求[1 - 3],特别是离散的调整,比如
micro-mechanical 悬臂,广泛用作极度敏感的物理、化学和生物传感器[4 - 7],需要高精度定位、高重现性和低生产成本。满足这些需求仍然是一个最新的最关键的任务。自传统的机械调整技术未能满足要求平淡无味的精度和耗时的机械力量或动态影响部队[8]。需要一个精确的和无接触充电成为调整技术来控制一些 micro-mechanical 悬臂的弯曲角度。基于激光 micro-adjustment 提供了实现这一目标的潜力。
激光热成形,称为非接触式技术利用激光热效应塑造融化样品没有工具或外部力量, 是一个例子[9]。这项技术被认为是温度场和变形场之间的相互作用过程产生的残余应变悬臂材料表面的温度梯度[10]。当激光照射目标表面,工件表面加热并产生一个不均匀的温度场在厚度方向。生成的热应力是用来实现塑性变形等弯曲变形(11、12)。通过改变激光加工参数,得到不同的弯曲角度和弯曲方向调整的离散曲率。应用激光热成形的调整悬架预加载磁记录头堆栈组件被辛格等人企图。 [13] 。丈许,[7] 使用这种技术来调整硅micro-cantilever 的曲率。最近,格里菲思等。[9]调查热激光 micro-adjustment 使用微微秒脉冲持续时间。以前的工作表明,有三种常见的形成机制,即温度梯度机理(电报),失稳机制(博雅)和破坏机制(嗯)(14 - 16)。沈彻底调查机制激光微调。在他们的工作中,提出了耦合的电报,嗯来说明两个桥接致动器的热机械行为。
然而,热形成机制是由激光诱导温度场是影响工件的几何形状,激光功率、激光光束直径、扫描速度、扫描路径等。它使弯曲方向不确定,成为一个难以控制的过程形成复杂的形状和精度高曲率修正[18]。此外,热效应将导致不良的微观结构变化包括再结晶和相变过程中[19]。也,可以融化或燃烧表面,甚至导致小裂纹表面上[20]。因此,很难维护材料激光热成形弯曲悬臂的属性。
他的论文描述了一个精确的和非接触式调整技术使用 water-confined 激光产生等离子体。laser-shock-waves 薄金属板上的应用受到越来越多的关注(21、22)。它被认为是一个纯机械成形方法通过激光诱导冲击波修改目标曲率。激光热成形的优点,如非接触、
tool-free 和效率高。此外,其非热能的过程可以保持甚至提高他们的物质属性诱导残余应力在目标表面,这是可取的,因为它是重要的在工业的目标以防止腐蚀和疲劳产生裂缝[20]。lasershock-wave 诱导薄金属板弯曲趋势类似传统喷丸成形研究科普和舒尔茨[24]。因此, 激光冲击微调实现很简单,但非常有用的高精度曲率调整。因此它有潜力制造和微电子行业广泛应用。Ocan˜适用性的研究小组研究了激光 micro-bending 薄金属条通过 ns 脉冲激光器[25]。
在本文,water-confined 激光产生等离子体用于调整 micro-cantilever 的曲率。一系列的激光冲击微调实验是为了研究激光能量的影响,激光焦点位置,激光冲击次数和限制制度配置调整结果。此外,激光冲击的实际可行性的微调 micro-cantilevers 也通过有限元模拟研究。激光能量对弯曲变形的影响进行实验,以及实验获得的数据被用来验证相应的仿真模型。预计最终工件曲率进行了分析并与实验结果。
2 调整机制
如在图 1 中,激光冲击的典型应用程序调整过程是在政权下进行配置。目标表面首先是局部涂保护涂层,然后由一个透明的覆盖(例如水)。当一个高能聚焦和脉冲激光辐照到工件表面,涂层是瞬间蒸发成高温高压等离子体。这伤口从工件表面等离子体膨胀,反过来,对工件表面施加机械压力,这将引起工件的压缩波。保护涂层作为牺牲材料避免的热效应加热表面,透明叠加延迟热膨胀和限制等离子体对目标材料的表面,从而产生更高的压力[26]。如图 2 所示, 样品在 cantilevers-shape 免费和固定。当激光束照射在样品的自由端(如图 2 所示(一个)),向下冲击加载将传授下行惯性震惊地区和弯曲变形是刚刚开始产生震惊地区激光冲击微调过程中由于激光冲击的持续时间很短。在激光冲击停止时,继续向下运动,由于惯性的作用,使震惊地区可塑性变形。,当地的塑性变形的行动区冲击压力将导致最后可塑性变形和产生弯曲变形。形成行为可以比较一些高能量的形成过程。所以我们可以控制形成程度调整激光能量[18]。
3 调整实验
3.1. 实验仪器和准备
实验中,一个短脉冲 Nd-YAG 激光与高斯分布梁。是经营 10 赫兹和重复频率的脉冲持续时间约 8 ns。选择的波长 1064 nm 使激光束传播不再通过水梁的较低的吸收能量。激光脉冲进行的交互区域通过反射镜和聚焦透镜(f¼100 毫米),如图 1 所示。为了得到理想的光斑大小, 工件放置远离焦点在适当的距离。
图 3 显示了试样的形状和大小。样品是削减从商业 cantilever-shape 提供铝(1060 99.6% 纯度)表作为目标。采用无水酒精清洁表面的工件,以及工件的平面度和平滑应该保证了波兰。为了提高材料对激光的吸收率在弯曲过程中,样品通常应该涂上黑漆。和水用作透明叠加把生成的等离子体。确保样本空间的位置,一个特殊的夹具设计工件。一些关键实验条件和试样参数总结在表 1。
B 结束位移的非接触式图像测量系统的测量标本立体显微镜(Axio 凸轮 ERc5s)精度高和操作简单。执行所有测量在长度方向上表面的边缘。弯曲位移计算,认为基于测量数据之外的自由端激光冲击。此外,为了获得形成深度和表面的激光冲击地区的三维形态,测量系统的真彩色材料共焦显微镜显微镜与扫描阶段(700 年 Axio CSM)
Parameters
Value
Laser energy E (mJ)
675, 1020, 1550 ,
1900
Beam diameter ^D (mm)
1.6
Specimen length. L (mm)
18, 16, 14
Specimen width. W
( mm )
4.6
Specimen thickness, t ( mm )
0.4
3.2 实验结果
图 4 显示了烧蚀的保护涂层(黑漆)在样品表面,当脉冲能量 1900 mJ。它可以发现,激光冲击微调后的保护涂层完好,揭示,轻微的烧蚀的状态不会对工件质量产生不利的影响。
图 5(a)和(b)显示了测量三维表面微形貌的样品在激光焦点位置 a .它可以发现光滑的火山口形成和没有融化的迹象,燃烧,或消融观察,也就是说,非热能的形成过程。可以看到,样品产生塑性变形,工件在 micron-level 具有很高的空间分辨率。黑漆可以保护工件的热影响,这样纯粹的机械效应引起的。图 5(c)显示样品的表面轮廓曲线表面陨石坑。有趣的是,变形深度可达 50 毫米,表明除了弯曲变形,激光能量也可以用于形成 micro-crater 例举增加抗疲劳强度的激光冲击微调过程中工件。
3.2.1 激光能量的影响
为了确定脉冲能量对弯曲变形的影响,与厚度 0.4 毫米的铝标本应用不同脉冲能量。图6(a)、(b)、(c)和(d)显示了最终的形状的样品辐照后不同的激光脉冲能量(675 mJ,1020 年乔丹,675 mJ,1900 mJ)。图 7 显示弯曲位移之间的关系和脉冲能量的标本。从实验结果,可以获得不同的向下弯曲位移通过改变激光能量。可以发现,向下弯曲位移增加激光能量从 675 mJ - 1900 mJ。在调整过程中,当激光束辐照在工件自由的一面,激光诱导冲击波在工件表面施加机械压力和传授的下行惯性震惊地区。向下弯曲位移的增加会提高脉冲能量。高脉冲能量能产生更大的下行惯性在当前条件下,样品免费的一面向下运动期间将继续放松,发挥更大的弯曲位移。因此,可以推断,我们可以通过调整控制弯曲程度的激光能量、激光冲击和技术调整可以申请调整曲率和形状的目标。
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河海大学文天学院本科毕业设计（论文）
3.2.2 激光焦点位置的影响
如图 3 所示,三个激光焦点位置如下:不同工件自由端(图 3);样品中间位置(标志着图 3 B); 结位置在图 3(C)。图 8 显示了三种不同的焦点位置之间的关系(A、B 和 C)和弯曲位移相同激光能量(1900 mJ)。如图 8 所示,激光焦点位置在该地区,弯曲位移几乎达到了 1800 毫米。然而, 弯曲位移震惊在焦点位置C 减少 77.08 毫米。它可以发现弯曲位移降低逐渐从 A 到C 弯曲变形的趋势的原因之一可能是解释如下:当激光接点位置附近的样本,弯曲位移减少由于弯矩与XL(增加)。
3.2.3 激光冲击次数的影响
为了描述冲击次弯曲变形的影响,铝标本与厚度 0.4 毫米(单一冲击能量是 1900 mJ)是应用不同的冲击,和弯曲位移确定。如图 9 所示(一个),实验中使用的三种不同冲击时间(1 次,2 次和 3 次)在该地区的a .它可以发现弯曲位移与冲击时间逐渐增加。通过激光冲击次数的增加,弯曲位移增加向下弯曲。图 9(b)显示冲击次弯曲位移的影响在该地区的 C,不同于在该地区的一个趋势,弯曲方向该地区是受冲击影响的次震惊 C .它可以发现明显的弯曲位移是不同凹凸的冲击时间从 1 到 5 次。通过改变冲击,弯曲位移减少起初向下弯曲,然后变成消极向上弯曲。因此,它是可能的特殊厚度的样品得到所需的弯曲方向和位移通过改变冲击时间。
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3.2.4 在政权配置的影响下
常见的激光冲击配置使用水约束生成等离子体增强的压力,和保护涂层(黑漆),避免表面的烧蚀和融化。工业应用激光过程大多是依赖这涂层的使用或不被认为是一个关键问题。为了描述样本的行为没有保护层,铝标本与 0.4 毫米厚度应用不同脉冲能量。图 10 显示弯曲位移之间的关系和脉冲能量的标本没有保护涂层。根据实验结果,可以获得不同的向下弯曲位移通过改变激光能量。可以发现,向下弯曲位移增加激光能量从 675 mJ - 1900 mJ。与实验结
果相比图 7 所示,当震惊与相同的激光能量在焦点位置,裸试样的弯曲位移小于样品的保护涂层。看来,激光冲击微调没有保护涂层也可以应用,以及缺乏涂料是一个负担得起的配置生成合适的弯曲变形,因此授权更多的灵活性在一个工业过程配置。
然而,在图 11 中所示(一)-(d),工件表面生成的伤口陨石坑。随着激光能量的增加,表面烧蚀的程度更加严重。的重大不利影响工件表面质量的消融。在缺乏保护涂层作为牺牲材料避免热效应加热表面,激光脉冲似乎会融化或燃烧表面,甚至导致小表面裂缝。因此,根据现有的结果,它可以意味着调整处理涂层会比没有更合适的涂层。
此外,另一个案例中还应该考虑。在这种情况下,样品没有保护涂层(黑漆)和透明叠加(水) 覆盖应用不同脉冲能量和冲击时间。样品的弯曲位移调整后不会被探测脉冲的能量从 675 mJ
- 1900 mJ。当三个激光脉冲在自由端应用示例(冲击地区),一个小弯曲位移(向下弯曲位移:375.29 毫米)可以观察到,伴随着显著的消融在工件的表面。这是不可取的,因为总烧蚀工件表面有表面质量差,很难保持材料属性的目标。
4 数值模拟
整个模拟激光冲击的调整是在两个模块:完成 ANSYS / LS-DYNA 和 ANSYS。ANSYS / LS-DYNA 显式动态分析程序,用于模拟激波的传播和获取材料的动态响应。采用 ANSYS 通用程序,来确定样品的产生的弯曲变形。LS-DYNA 使用的显式的解决方法提供了快速的短期解决
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方案,高速非线性问题。当样品材料的动态应力状态大致稳定,所有瞬态压力将导入到有限元分析软件代码来执行静态分析获取最后的弯曲变形或静力平衡的残余应力场。因此,我们可以模型结构和获得显式动态解决方案通过 LS-DYNA 和审查标准 ANSYS 完成静态分析后的结果。结合策略利用的最佳功能的代码来执行显式和隐式分析。
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4.1 控制方程
4.1.1 显示有限元算法
分析材料的冲击压力的反应显式有限元的意思,基于虚功原理、动力学方程在时间 t[27]
可以表示如下:
r 质量密度,u_和u€是节点的速度和加速度,分别u 阻尼系数,杜是虚拟位移,f 我的体力密度、TG 是边界上的边界力应用G,ij 是柯西应力张量,和 D ij¼(jþduj 酒后驾车,我)/ 2 是应变率张量。
使用标准的有限元程序,Eq。(1)将离散。聚合后,动态平衡方程可以更新如下(27)
Mis 的对角线质量矩阵、U€和 U_节点加速度和速度矢量,分别 C 是对角阻尼矩阵,弗林特是内部元素力向量,Fext 占外部负载和身体力量。推进时间 tnþ1,中心差分时间集成通常使用如下(27):
中心差分格式是条件稳定的,需要时间步长不能超过临界值。稳定临界值可以定义使用元素长度勒,和材料的波速 Cd[27]:
4.1.2 隐式有限元算法
根据虚功原理、平衡方程的隐式算法可以表示如下[28]:
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年代和 e 应力和应变张量,分别f 和 TG 身体力密度和边界力,分别,杜是虚拟位移。使用标准的有限元程序,Eq。(8)将离散。聚合后,一组非线性方程组可以得到如下,要求线性化的牛顿迭代方法[28]
K¼R OBTDB 做切线刚度矩阵,一般几何矩阵 B,D 应力-应变矩阵,杜元素节点的位移增量, 弗林特¼ROBTs 牛顿迭代恢复力向量和 Fext 等于零的身体力量和外部负载释放弹性能量的问题。
执行静态分析之后,一个稳定的残余应力分布和回弹变形场将获得。假设 Uressurand Ustasur 表面节点位移模型的动态分析和静态分析,分别。然后表面变形模型可以计算如下[28]:
Uressur 是每个节点的位移激光冲击后产生的表面微量调整。
4.2 的 water-confined 激光产生等离子体加载
根据水在政权(WCR)配置研究 Berthe et al .(29),如果目标之前一直覆盖着一层水,冲击波持续约 2 倍时间比激光脉冲持续时间由于延迟冷却阶段的等离子体(虽然激光关闭)。
摘要加载时间作为 16 ns,即激光脉冲持续时间的两倍。图 12 给出了计算激光产生的冲击压力。其中 Pmax 是峰值压力,t0 激光脉冲持续时间。
有用的一维模型,提出 Berthe et al .(29),开发的预测在烧蚀模式激光感应的压力。它描述了三个不同的阶段发生这些限制等离子体(激光加热、绝热冷却和最终扩张),并允许估计在等离子体内部的压力。根据Berthe et al .,工作压力脉冲相对统一整个表面的激光点,也就是说, 现货半径内,压力大约是常数。这个最大压力 WCR 激光产生的等离子体是由以下方程:
其中一个是一小部分的内部能源致力于热能,0 是入射功率密度,和 Z 是减少冲击阻抗之间的目标和定义的封闭水以下关系:
4.3 本构模型
激光冲击过程中微量调整,目标材料受到的冲击压力几 GPa 交互时间短。材料模型模拟必须考虑材料的行为依赖高应变率的模拟高速过程。此外,吸水层(黑漆)可以保护目标从热影响,几乎纯粹的机械效应引起的。因此,Johnson-Cook 污点敏感采用塑性模型本构方程的显式模型考虑 highstrain-rate 对金属流动行为的影响。•冯•米塞斯屈服应力,根据 Johnson-Cook 模型可以表示如下(30)：
在 A、B、C 和n 被认为是材料常数,e 是等效塑性应变,和e_and e_0 是应变速率和应变率在准静态加载下,分别。以下所需材料的材料特性有限元分析仿真结果如表 2 所示[31]。
4.4 结果
激光冲击微调是基于一个传播的过程,应力波的反射和交互。总能量从外部压力脉冲的工作主要是转化为动能和内部的能量。随着时间的增加,动能逐渐转化为内能,从而导致减少的动能、内能的增加,如图 13 所示。动能、内能和总能量振动略,1.2 毫秒后趋于稳定。
图 14 显示了典型的变形阶段 Z-displacement 分布的轮廓。在调整过程中,当一个高能聚焦和脉冲激光辐照到工件表面,激光诱导冲击波在工件表面施加机械压力和传授的下行惯性冲击压力的行动区,如图 14 所示(一个)。激光冲击后停止,这继续向下运动由于惯性的影响。它使震惊区和塑性变形引起产生弯曲变形,如图 14 所示(b)和(c)。最后,图 14(d)所示,最大变形发生在 1.2 毫秒。
如上所述,紧随其后的是静态分析动态分析。在 1.2 毫秒的压力动态分析结果读入 ANSYS
代码执行静态分析获得残余应力场和回弹变形。图 15 描述弯曲位移历史节点 204 年自由的
模型和预测模型变形的轮廓。如图 15 所示(一个),自由端弯曲位移的节点增加的时间和最后达到稳定状态。图 15(b)显示了最终的弯曲变形状态通过静态分析释放弹性应变。仿真结果表明,向下弯曲位移的自由边约 1650 嗯和实验值是 1766.19 毫米(图 6 所示(d))。模拟方法产生一个好的协议但有点低估了结果。
图 16 显示了 micro-crater 概要文件之间的对比实验和数值结果。根据结果,micro-crater 通过实验的变形深度可以达到深达 53.109 毫米,而仅通过仿真获得的深度达到 49.3 毫米。此
外,从图 16 中,可以发现,实验结果显然不是对称的。激光脉冲的负载是不完美在这个实验中, 所以 micro-crater 不是轴对称变形的。结果表明,仿真与实验结果有很好的一致性,但仍存在一些错误。
重要的是要突出弯曲的比较资料和位移模型和实验。模拟和实验完成当激光脉冲的能量是 675 mJ,1020 年乔丹,1550 mJ,分别和 1900 年乔丹。图 17 显示了弯曲的概要文件的比较实验和数值结果之间具有不同的能量。虽然实验数据是有限的,由于限制能量的调整,弯曲的现有结果概要文件可以暗示有限元分析可以正确预测最后 micro-cantilevers 曲率。从图 18,它可以清楚地发现,激光能量向下弯曲位移产生重大的影响,向下弯曲位移与激光能量增加。结果表明,仿真与实验结果有很好的一致性,但仍然存在一些错误。
5 结论
激光冲击微调调整是一个精确的和非接触式技术使用 laser-shock-waves 调整离散曲率(micro-mechanical 悬臂)。系统研究的术语进行了各种因素对调整结果的影响,包括激光能量、激光焦点位置,激光冲击次数和限制制度配置。根据实验结果,可以发现不同的弯曲角度和弯曲方向可以通过改变激光加工参数。调整过程,没有限制制度配置也可以生成合适的弯曲变形授权更多的灵活性。但是,在更大的能量的情况下,最终的表面会消融的迹象,因此导致表面质量变差。此外,实验研究了激光能量对变形的影响,与实验获得的数据被用来验证相应的仿真模型。结果表明,有限元分析可以预测最后的曲率 micro-cantilevers 正常。此外,从结果,激光能量的一部分用于形成micro-crater 震惊表面增加疲劳可取的,因为它可以加强悬臂梁的弯曲强度与弯矩。
总之,通过调整激光加工参数从激光能量激光焦点位置,所需的弯曲角度和弯曲方向可以获得。这种技术很容易实现,但非常有用的应用程序涉及调整悬臂的化学和生物传感。然而, 很多需要进一步建模和实验工作,才能采用工业使用。
应答
这项工作得到了国家自然科学基金（51175235 号）、江苏省自然科学基金（BK2012712） 的优先自助的学术计划。
附录二：
Optics and Lasers in Engineering 51 (2013) 460–471
Numerical simulation and experimentation of adjusting the curvatures of micro-cantilevers using the water-confined laser-generated plasma
Chunxing Gu 1, Zongbao Shen 1,23, Huixia Liu, Pin Li, Mengmeng Lu, Yinxin Zhao, Xiao Wang
School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Xuefu Road, Zhengjiang 212013, China
1 . Introduction
The increasing demands in MEMS fabrication are leading to new requirements in production technology [1–3], especially adjustment of the micro-components, such as micro-mechanical cantilevers, which is widely used as extremely sensitive physical, chemical, and biological sensors [4–7], require high accuracy in positioning, high reproducibility and low production costs. Meeting these demands is still an up-to-date key assignment in micro-manufacturing. Since the traditional mechanical adjustment technologies failed to meet the requirement for their unideal accuracy and time consuming by mechanical forces or dynamic impact forces [8]. There is a need for a precise and contact-free adjustment technology to control the bending angles of some micro-mechanical cantilevers. Laser based microadjustment offers the potential to achieve this.
Laser thermal forming, known as a non-contact technique utilizing laser-induced thermal effect to shape melt sample without tooling or external forces, is an example of this [9]. The technique is regarded as the interaction process between
2 Corresponding author. Tel.: þ86 0511 8879 7998. E -mail address: szb@ujs.edu.cn (Z. Shen). 1
Chunxing Gu and Zongbao Shen contributed equally to this work.
3 -8166/$ - see front matter & 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2012.11.002
a r t i c l e i n f o
Laser shock adjustment
Curvature adjustment Numerical simulation
a b s t r a c t
This paper describes a precise and non-contact adjustment technique using the water-confined
Article history: Received 10
September 2012
Received in revised form
15 October 2012
Accepted 13
November 2012
Available online 21
December 2012
lasergenerated plasma to adjust the curvature of micro-components (micro-mechanical cantilevers). A series of laser shock micro-adjustment experiments were conducted on 0.4 mm-thick Al samples using pulsed Nd:YAG lasers operating at 1064 nm wavelengths to verify the technical feasibility. Systematic study was carried out in the term of effects of various factors on the adjusting results, including laser energies, laser focus positions, laser shock times and confined regime configuration. The research results have shown that the different bending angles and bending directions can be obtained by changing the laser processing parameters. And, for the adjustment process, the absence of confined regime configuration could also generate suitable bending deformation. But, in the case of larger energy, the final surfaces would have the sign of ablation, hence resulting in poor surface quality. An analysis procedure including dynamic analysis performed by ANSYS/LS-DYNA and static analysis performed by ANSYS is presented in detail to attain the
simulation of laser shock micro-adjustment to predict the final bending deformation. The predicted bending
profiles is well correlated with the available experimental data, showing the finite element analysis can
Keywords:
Laser-generated plasma
predict the final curvatures of the micro-cantilevers properly.
& 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.
temperature field and deformation field which produces a residual strain at the surface of the cantilever material by the temperature gradient [10]. When laser beam irradiates the target surface, the workpiece surface is heated and produces a nonuniform temperature field in the thickness direction. The generated thermal stress is used to achieve plastic deformation such as the bending deformation [11,12]. By changing the laser processing parameters, different bending
angles and bending directions are obtained to adjust curvature of the micro-components. Application of the laser thermal forming to the adjust the suspension preload of magnetic recording head stack assemblies was attempted by Singh et al. [13]. Zhangs and Xu [7] used this technique to adjust the curvature of the silicon micro-cantilever. Recently, Griffiths et al. [9] investigated the thermal laser microadjustment using picosecond pulse durations. The previous works show that there are three common forming mechanisms, namely temperature gradient mechanism (TGM), buckling mechanism (BM) and upsetting mechanism (UM) [14–16]. Shen [17] thoroughly investigated the mechanism of laser micro-adjustment. In their work, a coupled TGM and UM were presented to illustrate
the thermal mechanical behaviors of two-bridge actuators.
However, the thermal forming mechanisms are determined by the laser induced temperature field which is influenced by the geometry of workpiece, laser power, laser beam diameter,
scanning
velocity, scanning path, etc. It makes the bending direction
uncertain and become a hard-to-control process for forming complex shapes and high precision curvature modification [18]. In addition, the thermal effect will result in undesirable microstructure change including recrystallization and phase transformation during the process [19]. Also, it may melt or burn the surface and even result in small cracks on the surface [20]. Therefore, it is hard for laser thermal forming to maintain material properties of bended cantilevers.
This paper describes a precise and non-contact adjustment technique using the water-confined laser-generated plasma. The application of laser-shock-waves on thin sheet
metal has received more and more attentions [21,22]. It is regarded as a purely mechanical forming method achieved through the laser induced shock waves to modify the target curvature. It has the advantages of laser thermal forming, such as noncontact, tool-free and high efficiency. In addition, its non-thermal process makes it possible to maintain material properties or even improve them by inducing residual stress over the target surface, which is desirable because it is important in industry for shaped target to keep corrosion and fatigue from generating cracks [20–23]. The lasershock-wave induced thin sheet metal bending trends are similar to
traditional shot peen forming studied by Kopp and Schulz [24]. Therefore, laser shock micro-adjustment is simple to implement, yet very useful for high-precision curvature adjustment. As such it has potential for
widespread application in both the manufacturing and microelectronics industry. Ocan˜a’s research groups have studied the suitability of laser micro-bending of thin metal strips by means of ns pulsed lasers [25].
In the present paper, the water-confined laser-generated plasma is used to adjust the
curvature of micro-cantilever. A series of laser shock micro-adjustment experiments were conducted in order to investigate the influences of laser energies, laser focus positions, laser shock times and confined regime configuration on the adjusting results. In addition, the practical feasibility of laser shock micro-adjustment of micro-cantilevers was also studied by means of FEM simulations.
The effect of laser energies on the bending deformations was investigated experimentally, and experimental data obtained were then used to validate the corresponding simulation model. The predicted final curvatures of the
workpiece were analyzed and compared with the experimental results.
2. Adjustment mechanism
As illustrated in Fig. 1, the typical application
of laser shock adjustment process is carried out under a confined regime configuration. The target surface is first locally coated with a protective coating and then covered by a transparent overlay (such as water). When a high-energy focused and pulsed laser beam is irradiated onto workpiece surface, the coating is instantaneously vaporized into a high-temperature and high-pressure
Fig. 1. The layout of experiment.
Fig. 2. Schematic of laser shock micro-adjustment: (a) laser shock loading; (b) generation of bending deformation due to the effect of inertia imparted by
shock loading; and (c) final bending deformation occur along with the disappearance of inertia.
Fig. 3. Schematic of workpiece (material: Al; dimension: the width W, the length L, the thickness t; focus position: A, B, C).
56
plasma. This ablated plasma expands from the work piece surface and, in turn, exerts mechanical pressure on the workpiece surface, which would induce compressive waves in the workpiece. The protective coating acts as the sacrificial material to avoid the thermal effect from heating the surface, the transparent overlay delays the thermal expansion and confines plasma against the surface of target material, thus generating higher pressure [26]. As shown in Fig. 2, the sample was made in cantilevers-shape with a free side and a fixed side. When the laser beam is irradiating at the free side of the sample (as shown in Fig. 2(a)), the downward shock loading would impart a downward inertia to the shocked region, and the bending deformation is just beginning to generate over the shocked region during laser shock micro-adjustment process because the duration of laser shock is short. When the laser shock is stopped, this downward movement continues due to the effect of inertia to make the shocked region plastically deformed. And, the local plastic deformation in the action zone of the shock pressure would lead to plastically deforming and generating bending deformation finally. The forming behavior can be compared to that of some high energy rate forming process. So we can control the forming degree by adjustment of the laser energy [18].
3. Adjustment experiment
3.1. Experiment instruments and preparation
For experiments, a short pulse Nd-YAG laser with Gaussian distribution beam is used. It is operated at the repetition frequency of 10 Hz and the pulse duration about 8 ns. The wavelength of 1064 nm is selected to enable the laser beam to propagate longer through water with lower absorption of beam energy. The laser pulse is conducted to the interaction area by means of a reflecting mirror and focusing lens (f¼100 mm), as shown in Fig. 1. In order to get the desired spot size, the work piece is placed away from the focus at the right distance.
Fig. 3 shows the shape and size of specimen. The sample which was cut to cantilever-shape from commercially supplied Aluminum (1060 of 99.6% purity) sheets is used as the target. Anhydrous alcohol was adopted to clean the surface of work piece, and
Table 1
The detailed experimental conditions and specimen parameters.
Parameters
Value
Laser energy E (mJ)
675, 1020, 1550 ,
1900
Beam
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