聚苯乙烯微槽感光涂层辅助激光加工研究

doi:10.3901/JME.260428

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 361-371.doi: 10.3901/JME.260428

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聚苯乙烯微槽感光涂层辅助激光加工研究

张月^1,2, 郑李娟^1,2, 冯杰^1,2,3, 江霖^1,2, 郭紫莹^1,2, 高博韬³, 王成勇^1,2

1. 广东工业大学广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室广州 510006;
2. 广东工业大学高性能工具全国重点实验室广州 510006;
3. 广东省科学院生物与医学工程研究所广州 510316

收稿日期:2025-06-18 修回日期:2025-11-02 发布日期:2026-07-08
作者简介:张月，女，1992年出生，博士。主要研究方向为微创手术器械设计与精密制造、高分子材料激光加工。E-mail：1687435176@qq. com;王成勇(通信作者)，男，1964年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为难加工材料高效精密绿色制造技术与装备以及微创手术器械设计与精密制造。E-mail：cywang@gdut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52305455)和广东省科学院专项资金(0321180007)资助项目。

Study on Laser Processing Assisted by Photosensitive Coating of Polystyrene Microgrooves

ZHANG Yue^1,2, ZHENG Lijuan^1,2, FENG Jie^1,2,3, JIANG Lin^1,2, GUO Ziying^1,2, GAO Botao³, WANG Chengyong^1,2

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Minimally Invasive Surgical Device Design and Precision Manufacturing, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006;
2. State Key Laboratory of High Performance Tools, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006;
3. Guangdong Academy of Sciences Institute of Biomedicine and Medical Engineering, Guangzhou 510316

Received:2025-06-18 Revised:2025-11-02 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 在深入理解激光直接加工聚苯乙烯微槽的机理基础上，进一步探讨感光涂层辅助加工方式下聚苯乙烯微槽的形成规律，并通过数学建模与拟合分析，建立两种加工方式下加工参数与微槽质量之间的量化关系模型。结果表明，近红外皮秒激光加工聚苯乙烯微槽时，主要通过光热效应实现，其机制为激光能量诱导聚苯乙烯发生热降解。激光直接加工方式下极易导致能量分布不均匀，产生能量过度稀疏区域、凹坑、丝状或点状喷溅物、微槽边缘凸起等缺陷。制备出的微槽尺寸宽度范围约为128～295 mm。相比之下，在聚苯乙烯表面涂覆感光涂层后，能够显著提高激光能量的吸收率，使得在极小单脉冲能量(3 mJ)可加工出无明显缺陷的微槽，且微槽周围无明显的喷射物。高质量微槽宽度约为47 mm，感光涂层辅助加工方式更适宜于加工宽度较小、深度较浅的微槽。所建立关系模型可有效预测两种方式下微槽宽度和微槽质量。

关键词: 近红外皮秒激光, 激光加工, 感光涂层辅助加工, 聚苯乙烯

Abstract: Based on a comprehensive understanding of the mechanisms involved in laser direct processing of polystyrene (PS) microgrooves, the formation principles of PS microgrooves under photosensitive coating-assisted processing are further explored. The quantitative relationship model is established to correlate processing parameters with microgroove quality for both processing methods through mathematical modeling and fitting analysis. The results indicate that near-infrared picosecond laser processing of PS microgrooves primarily occurs via the photothermal effect, wherein the laser energy induces thermal degradation of PS. Laser direct processing is likely to result in uneven energy distribution, which can lead to defects such as energy-sparse areas, pits, filamentous or dot-shaped splashes, and protrusions along the edges of microgrooves. The width of the prepared microgrooves ranges from 128 μmm to 295 μmm. In contrast, the absorption rate of laser energy can be significantly enhanced with photosensitive coating on PS surface. This improvement allows for the processing of microgrooves with minimal defects at very low single pulse energy (3 μmJ), and it eliminates noticeable spray around the microgrooves. The photosensitive coating-assisted processing method is more suitable for creating microgrooves with narrower widths and shallower depths, with microgroove width is around 47 μmm. The established relationship model can effectively predict both the microgroove width and the quality of the microgroove using two methods.

Key words: near-infrared picosecond laser, laser processing, photosensitive coating-assisted processing, polystyrene

中图分类号:

TG156

张月, 郑李娟, 冯杰, 江霖, 郭紫莹, 高博韬, 王成勇. 聚苯乙烯微槽感光涂层辅助激光加工研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 361-371.

ZHANG Yue, ZHENG Lijuan, FENG Jie, JIANG Lin, GUO Ziying, GAO Botao, WANG Chengyong. Study on Laser Processing Assisted by Photosensitive Coating of Polystyrene Microgrooves[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 361-371.

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