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精密激光微加工技术与新颖三维钟表制造

发布时间:2019-10-20 08:59

作者:Giulia Bottarini  瑞士 FEMTOprint,  SAMuzzano 公司区域销售主管


图1. 在FREAK neXt手表中具有发光效应的3D玻璃管

(照片来源:Ulysse Nardin / FEMTOprint)

在玻璃中生产3D组件的技术

与金属和聚合物等材料相比,玻璃具有独特的性质和优点,因为它具有透光性、耐热冲击、耐磨损和划痕、天然生物相容性、化学稳定性和电绝缘性;此外,它还具有一个不太明显的优点,即化学处理后仍具有良好的弹性和较高的强度。


因此,玻璃已成为广泛应用于钟表制造和精密机械的材料,而其摩擦学性能与三维结构能力相的完美结合使得Fondation de la Haute Horlogerie中知名品牌相继采用FEMTOprint精密制造平台进行手表机芯、表盘、执行器、摆轮和表针等产品的制造。


瑞士奢华手表制造商Ulysse Nardin自1846年成立以来一直是制表业的先锋。在2017年它所推出的InnoVision Two概念腕表,因其自动上弦机构、振荡器、3D玻璃分针和带有集成防震保护功能的玻璃桥吸引了爱好者的关注,以致该制表商现在又推出了其FREAK neXt手表。这款原型腕表配备3D飞行振荡器的新型飞行转盘机芯,旨在展示Ulysse Nardin的技术实力和FEMTOprint的玻璃激光微加工专业技术。

微加工组件

FREAK neXt手表中的飞行振荡器利用硅叶片的弹性并去掉了中心枢轴,使振荡器悬浮在半空中的灵活机构。这种调节机构的主要设计理念为通过完全省略摆轮轴来创建一个虚拟枢轴点,消除轴承上的摩擦,以优化全局品质因数,进而优化机芯的能耗。该技术是基于发源于17世纪的平衡弹簧调节传统原理改进而成。


凭借材料物理极限,无限的设计自由度以及激光技术赋予的非常规表面平滑度和形状精度,FREAK neXt手表具有出近似梯形机芯(精加工齿轮系)的玻璃桥结构。设计灵感来自星球大战中的宇宙飞船,该部件由四个发光透明玻璃管构成(图1),每个玻璃管直径为400μm(入口直径为200μm),长度为8.34 mm,填充物为Super-LumiNova(一种铝酸锶基,具有非放射性、无毒光致发光的颜料)。


颜料的磷光效果仅在夜间可见。将这些管叠置成两个套管为一组的整体,并以几微米的精度悬挂在长方形机芯上。在不影响其形状精度和透明度的情况下,从将玻璃管掏空一直是制造过程中的主要焦点。

图2.显示带有3D玻璃徽标装饰的FREAK neXt手表。(图片来源:Ulysse Nardin / FEMTOprint)

Ulysse Nardin特有的海蓝色标志被颜料的光照亮,并被刻在玻璃镜片上,构成长方形机芯的装饰(图2)。该核心零件直径为5.0毫米,高度为1.95毫米,揭示了在玻璃上制造3D结构和整体结构的主要技术挑战:多重高度(从镜片轮廓到表面的沟槽标志,体积130~180μm深),具有不同角度和半径的平面和凸面形状、装饰雕刻和选择性表面抛光,精度高达几微米的装配几何公差和表面粗糙度低于20nm Ra的严格要求。


精密激光微细加工技术

FEMTOPRINT激光微加工平台将流体、光学和机械功能结合到独特的单件玻璃器件中。该平台可应用于精密机械、光子学、微光学、微流体和封装等学科中,为集成光学电路(例如,波导和透镜)、2D和3D制造、多种玻璃抛光和气密功能、以及定制玻璃微器件的选择性金属结构化工艺等的工业制造和系列化制造提供了条件。


该平台功能还包括在无掩模、无洁净技术和宽高比超过1:500的亚微米分辨率条件下批量处理尺寸200毫米、高度12毫米的晶圆的能力,其高重复性、光学表面精加工和较高的几何精度、以及无缝阶梯效应,可用于各种具有挑战性的应用,并由符合ISO 13485:2016医疗器械证书的制造流程提供支持。

图3.FREAK neXt手表原型

(图片来源:Ulysse Nardin)

展望

该公司称,虽然Ulysse Nardin FREAK neXt仍是一款概念腕表,但它可能会在不久的将来投入生产。正如变化多样的系列产品历史所证明的那样,手表行业的悠久传统伴随着设计、显示和技术方面的创新和激进概念,将会产生商业化的产品。FEMTOprint将继续与制表业、医疗技术、生物技术、光学、光子学、汽车、航空航天和电子行业的行业合作伙伴合作。(杨瑾译)


(注:FEMTOPRINT是FEMTOprint SA 的注册商标)


 

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