紫外皮秒激光精密切割ABS薄膜的机理研究与工艺优化

为解决ABS薄膜高精度切割难题，研究人员首次采用355 nm紫外皮秒激光开展切割机理与工艺优化研究。通过仿真与副产物表征揭示光化学反应主导、光热效应协同的作用机制，建立正交试验优化体系，最终获得26.4±3.2 μm窄切缝与25.3±2.8 μm热影响区(HAZ)，为电子和航空航天领域精密元件制造提供新方案。

　　

在精密制造领域，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)薄膜因其优异的机械性能和化学稳定性，被广泛应用于电子封装、航空航天部件等高端场景。然而传统切割技术面临严峻挑战：机械切割易产生毛刺和变形，水射流切割精度不足，电火花加工(EDM)仅适用于导电材料。虽然CO₂激光可实现非接触加工，但其产生的热影响区(HAZ)宽度超过100 μm，且伴随微裂纹缺陷，难以满足微米级精密制造需求。

针对这一技术瓶颈，华中科技大学的研究团队在《Optics》发表创新性研究，首次系统探究了355 nm紫外皮秒激光切割ABS薄膜的机理与工艺。研究采用独特的"仿真-表征"双轨分析法，通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析副产物成分，结合有限元热力学模拟，揭示了紫外激光与ABS材料的相互作用机制。工艺优化方面，团队设计了三因素四水平正交试验，重点考察切割速度、激光功率和重复次数对切缝宽度和HAZ的影响规律。

在"Materials and laser cutting system"部分，研究使用30 W最大功率的皮秒紫外激光系统，对100 μm厚ABS薄膜进行加工。通过控制脉冲宽度10 ps、重复频率100 kHz等参数，建立了可量化评估切割质量的指标体系。

"Analysis of by-products"章节的突破性发现在于：紫外光子能量(3.5 eV)与ABS分子中C=C(6.3 eV)、C-H(4.3 eV)等化学键能级匹配，引发直接光解离反应。质谱检测到苯乙烯单体特征峰(m/z=104)证实了该机制，而热模拟显示材料表面温度始终低于300°C，说明光热效应仅起辅助作用。

"Conclusions"部分归纳的核心结论包括：当参数优化为80 mm/s切割速度、1.63 W功率、3次重复加工时，实现了26.4±3.2 μm的切缝精度，HAZ控制在25.3±2.8 μm。相比传统CO₂激光切割，HAZ范围缩小75%以上，且无微裂纹产生。

该研究的科学价值在于建立了"机理指导工艺"的新型研究范式，提出的"高速-低功率"参数优化策略可推广至其他聚合物精密加工领域。工程应用方面，所得成果已成功用于柔性电路板微连接件和卫星用轻量化结构的制造，为突破国外高端装备技术封锁提供了自主解决方案。研究团队特别指出，该技术未来在生物可降解支架精密加工等领域具有重大应用潜力。