用于大面积制备纳米结构圆柱模具的自感知深度补偿动态压痕

《Journal of Manufacturing Processes》：Self-sensing depth-compensated dynamic indentation for large-area fabrication of nanostructured cylindrical molds

　　**摘要要点**• 一种自传感动态压印方法实现了圆柱模具的表面纹理加工。• 速度匹配的椭圆振动抑制了切向划伤。• PID径向补偿提高了深度稳定性和加工均匀性。• 22毫米宽的纳米结构模具实现了PET薄膜的卷对卷复制。**引言**大面积纳米结构功能薄膜越来越多地应用于光伏组件[1]、显示器件[2]、柔性电子[3]、[4]以及其他光学应用领域[5]、[6]，其中表面微/纳米结构被用于调控光的传播、表面反射和界面响应。受蛾眼启发的亚波长阵列因抗反射应用而尤为引人注目，因为它们用渐变的有效折射率过渡取代了气-固界面处的突变折射率不连续性[7]、[8]、[9]。卷对卷纳米压印光刻为在柔性聚合物薄膜上连续复制此类纳米结构提供了一条高效途径[10]、[11]、[12]。然而，复制薄膜的性能和均匀性从根本上受限于母版模具的质量。在纳米尺度下，加工过程中的局部变形和材料去除行为会强烈影响所制造结构的尺寸精度和表面完整性[13]。对于卷对卷制造，圆柱模具必须提供高结构精度、大面积均匀性、机械耐久性和无缝周向覆盖[14]。因此，高质量纳米结构圆柱模具的高效制造仍然是功能薄膜可扩展制造的关键瓶颈。动态压印，或纳米压印，提供了一种直接机械方法来制造纳米结构金属模具[15]、[16]、[17]。在此工艺中，携带纳米特征的有结构金刚石压头反复接触移动的金属表面，通过局部塑性变形将工具图案转移。现有的纳米压印研究已经展示了高通量能力[18]。如Cates等人[19]所报道的，一种纳米图案化的金刚石模具安装在超声驱动器上，以每秒约45,000次的频率压入旋转的金属滚筒，使无缝圆柱模具能够以超过1000 mm2/min的速率和比电子束光刻[20]快500多倍的速度进行图案化。这些结果表明纳米压印在大面积模具制造方面具有潜力。然而，现有系统通常依赖于高频或超声共振振动来实现如此高的吞吐量。虽然共振构型提供高频压印和足够的振动幅度，但工具轨迹在很大程度上由系统的共振模式决定[21]。因此，轨迹形状、振幅比、相位关系和接触时机相对固定或仅能在有限范围内调整。当需要不同的结构周期、特征几何或模具条件时，这限制了压印间距、接触持续时间、法向穿透和切向速度匹配的灵活控制。另一个限制是圆柱加工过程中刀具-工件距离的控制[22]。在圆柱表面纹理加工过程中，实际刀具-工件距离受主轴跳动、装夹偏心、角偏差和模具圆柱度误差的影响。虽然高精度主轴、超精密车削模具表面和仔细的机械对位可以减少这些误差，但它们不能完全消除旋转和轴向进给期间的动态径向间隙变化[14]、[17]。这一问题在纳米结构动态压印中尤为关键，因为所需的压印深度通常在微米或亚微米尺度，而残余跳动或装夹引起的偏差可能大得多[23]、[24]。因此，固定的刀具位置可能导致接触不稳定、缺失结构、过度压印、切向划伤或特征复制不均匀。因此，可控圆柱纳米压印不仅需要可调节的工具轨迹来减少相对滑动，还需要一种在加工过程中传感和补偿的策略，以在实际制造误差下保持稳定的压印深度[25]、[26]、[27]。在这项工作中，开发了一种压电自传感深度补偿方法，以提高主轴跳动和装夹误差条件下圆柱动态压印的一致性。二维压电振动工具架产生可调节的椭圆轨迹，其切向运动根据已建立的速度匹配条件进行配置以减少相对滑动。环形压电传感单元集成在压头后方，处理后的接触信号用于刀具-工件距离的基于PID的径向补偿。系统地研究了闭环补偿对有效加工宽度、未加工区域比率和复制纳米结构形貌的影响。最后，将制造的圆柱模具用于纳米结构PET薄膜的卷对卷UV复制，并在470-800 nm范围内评估了其抗反射性能。本研究为改善纳米结构圆柱模具制造中的压印深度稳定性和大面积一致性提供了一种实用的控制方法。**章节摘要****制造原理**图1说明了本研究中提出的跨尺度制造路线。该工艺从数十至数百纳米尺度的蛾眼状抗反射纳米结构设计开始。这些纳米结构首先在金刚石压头的工作表面上制造[28]、[29]。然后，有结构的金刚石压头作为可重复使用的复制工具，通过动态压印将纳米特征转移到旋转的圆柱模具上，从而扩大……**有结构压头的制造与表征**有结构的金刚石压头在动态压印过程中作为主要的复制工具。与传统的平滑金刚石尖端不同，本研究使用的有结构压头在其工作表面上包含周期性纳米结构阵列，使得纳米特征可以在压印过程中直接转移到金属模具上。纳米结构设计受蛾眼抗反射表面的启发，其中亚波长周期特征通过……**装夹误差的测量与补偿方法**图7表征了机械调整前后的装夹引起的误差。如图7(a)所示，当圆柱模具的装夹轴线与旋转轴不重合时，在旋转和轴向进给过程中，实际表面轨迹偏离理想圆柱面。这一偏差直接改变了刀具-工件距离，并可能导致动态压印过程中压印深度的大幅波动。为了量化这一误差，径向位置……**结论**本研究通过将有结构金刚石压头动态压印与卷对卷转印相结合，开发了一种可控的跨尺度制造方法，用于大面积纳米结构抗反射薄膜。主要结论如下：1. 有结构的金刚石压头作为可重复使用的复制工具，通过动态压印将蛾眼状纳米结构转移到金属圆柱模具上。随后制造的圆柱模具用于卷对卷UV转印……**CRediT作者贡献声明****杨鑫：** 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，调查。**李湛：** 可视化，方法学。**贾博森：** 软件。**楼再震：** 监督，软件。**严永达：** 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取，形式分析。**廖志荣：** 撰写 – 审阅与编辑，监督。**耿岩权：** 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。**资金支持**受国家自然科学基金支持（52035004, 52222512）。**利益冲突声明**作者声明不存在竞争性经济利益。**致谢**作者衷心感谢北京航空航天大学分析与测试中心的何倩倩研究员在结构化压头FIB制造方面提供的技术支持。**作者：** 杨鑫 | 李湛 | 贾博森 | 楼再震 | 严永达 | 廖志荣 | 耿岩权