Deși laserele ultrarapide există de zeci de ani, aplicațiile industriale au crescut rapid în ultimele două decenii. În 2019, valoarea de piață a ultrarapidmaterial laserprocesarea a fost de aproximativ 460 milioane USD, cu o rată de creștere anuală compusă de 13%. Domeniile de aplicare în care laserele ultrarapide au fost utilizate cu succes pentru prelucrarea materialelor industriale includ fabricarea și repararea măștilor foto în industria semiconductoarelor, precum și tăierea cu siliciu, tăierea/cretarea sticlei și îndepărtarea peliculei ITO (oxid de indiu staniu) în electronice de larg consum, cum ar fi telefoanele mobile și tabletele. , texturarea pistonului pentru industria auto, fabricarea de stenturi coronariene și fabricarea de dispozitive microfluidice pentru industria medicală.
01 Fabricarea și repararea măștilor foto în industria semiconductoarelor
Laserele ultrarapide au fost utilizate într-una dintre cele mai timpurii aplicații industriale în prelucrarea materialelor. IBM a raportat aplicarea ablației cu laser femtosecunde în producția de măști foto în anii 1990. În comparație cu ablația cu laser în nanosecunde, care poate produce stropi de metal și deteriorarea sticlei, măștile laser cu femtosecunde nu prezintă stropi de metal, nicio deteriorare a sticlei etc. Avantajele. Această metodă este utilizată pentru a produce circuite integrate (CI). Producerea unui cip IC poate necesita până la 30 de măști și poate costa > 100.000 USD. Procesarea laser cu femtosecunde poate procesa linii și puncte sub 150 nm.
Figura 1. Fabricarea și repararea măștii foto
Figura 2. Rezultatele optimizării diferitelor modele de măști pentru litografie ultravioletă extremă
02 Tăierea siliciului în industria semiconductoarelor
Tăierea plachetelor de siliciu este un proces standard de fabricație în industria semiconductoarelor și se realizează în mod obișnuit folosind tăierea în cuburi mecanice. Aceste roți de tăiere dezvoltă adesea microfisuri și sunt greu de tăiat napolitane subțiri (de exemplu, grosime < 150 μm). Tăierea cu laser a plachetelor de siliciu este folosită de mulți ani în industria semiconductoarelor, în special pentru napolitanele subțiri (100-200μm), și se realizează în mai multe etape: canelare cu laser, urmată de separare mecanică sau tăiere furtivă (adică fascicul laser infraroșu în interior). scrierea cu silicon) urmată de separarea mecanică a benzii. Laserul cu impuls de nanosecundă poate procesa 15 napolitane pe oră, iar laserul cu picosecunde poate procesa 23 de napolitane pe oră, cu o calitate mai bună.
03 Tăierea/cretarea sticlei în industria electronică a consumabilelor
Ecranele tactile și ochelarii de protecție pentru telefoane mobile și laptopuri devin din ce în ce mai subțiri și unele forme geometrice sunt curbate. Acest lucru face ca tăierea mecanică tradițională să fie mai dificilă. Laserele tipice produc în mod obișnuit o calitate slabă a tăierii, mai ales atunci când aceste afișaje din sticlă sunt stivuite în 3-4 straturi și sticla de protecție de 700 μm grosime este călită, ceea ce se poate rupe cu stresul localizat. S-a demonstrat că laserele ultrarapide pot tăia acești ochelari cu o rezistență mai bună a marginilor. Pentru tăierea cu ecran plat mare, laserul în femtosecundă poate fi focalizat pe suprafața din spate a foii de sticlă, zgâriind interiorul sticlei fără a deteriora suprafața frontală. Apoi sticla poate fi spartă folosind mijloace mecanice sau termice de-a lungul modelului marcat.
Figura 3. Tăiere cu formă specială de sticlă laser ultrarapidă în picosecundă
04 Texturi pistoane în industria auto
Motoarele auto ușoare sunt fabricate din aliaje de aluminiu, care nu sunt la fel de rezistente la uzură precum fonta. Studiile au descoperit că procesarea cu laser în femtosecundă a texturilor pistonului auto poate reduce frecarea cu până la 25%, deoarece resturile și uleiul pot fi depozitate eficient.
Figura 4. Prelucrarea laser femtosecundă a pistoanelor motorului de automobile pentru a îmbunătăți performanța motorului
05 Fabricarea de stenturi coronariene în industria medicală
Milioane de stenturi coronariene sunt implantate în arterele coronare ale corpului pentru a deschide un canal prin care sângele să curgă în vasele altfel coagulate, salvând milioane de vieți în fiecare an. Stenturile coronariene sunt de obicei realizate din plasă de sârmă metalică (de exemplu, oțel inoxidabil, aliaj cu memorie de formă nichel-titan sau, mai recent, aliaj de cobalt-crom) cu o lățime a barei de aproximativ 100 μm. În comparație cu tăierea cu laser cu impulsuri lungi, avantajele utilizării laserelor ultrarapide pentru tăierea suporturilor sunt calitatea înaltă a tăierii, finisarea suprafeței mai bună și mai puține resturi, ceea ce reduce costurile de post-procesare.
06 Fabricarea dispozitivelor microfluidice pentru industria medicală
Dispozitivele microfluidice sunt utilizate în mod obișnuit în industria medicală pentru testarea și diagnosticarea bolilor. Acestea sunt de obicei fabricate prin turnare prin micro-injecție a pieselor individuale și apoi prin lipire prin lipire sau sudură. Fabricarea cu laser ultrarapidă a dispozitivelor microfluidice are avantajul de a produce microcanale 3D în materiale transparente, cum ar fi sticla, fără a fi nevoie de conexiuni. O metodă este fabricarea ultrarapidă cu laser în interiorul unui pahar în vrac, urmată de gravarea chimică umedă, iar alta este ablația cu laser de femtosecundă în interiorul sticlei sau plasticului în apă distilată pentru a îndepărta resturile. O altă abordare este de a prelucra canalele în suprafața de sticlă și de a le etanșa cu un capac de sticlă prin sudare cu laser femtosecundă.
Figura 6. Gravura selectivă indusă de laser de femtosecundă pentru a pregăti canale microfluidice în interiorul materialelor din sticlă
07 Microforare a duzei injectorului
Prelucrarea cu microgăuri cu laser cu femtosecundă a înlocuit micro-EDM la multe companii de pe piața injectoarelor de înaltă presiune datorită flexibilității mai mari în modificarea profilurilor găurilor de curgere și timpilor de prelucrare mai scurti. Capacitatea de a controla automat poziția de focalizare și înclinarea fasciculului printr-un cap de scanare precesat a condus la proiectarea unor profile de deschidere (de exemplu, butoi, flare, convergență, divergență) care pot promova atomizarea sau pătrunderea în camera de ardere. Timpul de găurire depinde de volumul de ablație, cu grosimea burghiului de 0,2 – 0,5 mm și diametrul găurii de 0,12 – 0,25 mm, făcând această tehnică de zece ori mai rapidă decât micro-EDM. Microforajul se realizează în trei etape, inclusiv degroșarea și finisarea găurilor de trecere. Argonul este folosit ca gaz auxiliar pentru a proteja forajul de oxidare și pentru a proteja plasma finală în fazele inițiale.
Figura 7. Procesarea de înaltă precizie cu laser femtosecundă a găurii conice inversate pentru injectorul motorului diesel
08 Texturare laser ultra-rapidă
În ultimii ani, pentru a îmbunătăți precizia prelucrării, a reduce daunele materiale și a crește eficiența prelucrării, domeniul microprelucrării a devenit treptat în centrul atenției cercetătorilor. Laserul ultrarapid are diverse avantaje de procesare, cum ar fi deteriorarea redusă și precizia ridicată, care a devenit punctul central al promovării dezvoltării tehnologiei de procesare. În același timp, laserele ultrarapide pot acționa asupra unei varietăți de materiale, iar deteriorarea materialului de prelucrare cu laser este, de asemenea, o direcție majoră de cercetare. Laserul ultrarapid este folosit pentru a elimina materialele. Când densitatea de energie a laserului este mai mare decât pragul de ablație al materialului, suprafața materialului ablat va prezenta o structură micro-nano cu anumite caracteristici. Cercetările arată că această structură de suprafață specială este un fenomen comun care apare atunci când se prelucrează materialele cu laser. Pregătirea micro-nanostructurilor de suprafață poate îmbunătăți proprietățile materialului în sine și, de asemenea, poate permite dezvoltarea de noi materiale. Acest lucru face ca prepararea micro-nanostructurilor de suprafață cu laser ultrarapid să fie o metodă tehnică cu o importanță importantă de dezvoltare. În prezent, pentru materialele metalice, cercetările privind texturarea suprafeței cu laser ultrarapide pot îmbunătăți proprietățile de umezire a suprafeței metalice, pot îmbunătăți frecarea suprafeței și proprietățile de uzură, pot îmbunătăți aderența acoperirii și proliferarea direcțională și aderența celulelor.
Figura 8. Proprietățile superhidrofobe ale suprafeței de siliciu preparate cu laser
Ca tehnologie de procesare de ultimă oră, procesarea laser ultrarapidă are caracteristicile unei zone mici afectate de căldură, proces neliniar de interacțiune cu materialele și procesare de înaltă rezoluție dincolo de limita de difracție. Poate realiza procesarea micro-nano de înaltă calitate și de înaltă precizie a diferitelor materiale. și fabricarea structurii micro-nano tridimensionale. Realizarea fabricării cu laser a materialelor speciale, structurilor complexe și dispozitivelor speciale deschide noi căi pentru producția micro-nano. În prezent, laserul cu femtosecunde a fost utilizat pe scară largă în multe domenii științifice de ultimă oră: laserul cu femtosecundă poate fi folosit pentru a pregăti diverse dispozitive optice, cum ar fi matrice de microlens, ochi compuși bionici, ghiduri de undă optice și metasuprafețe; folosindu-și de înaltă precizie, de înaltă rezoluție și cu capacități de procesare tridimensională, laserul femtosecunde poate pregăti sau integra cipuri microfluidice și optofluidice, cum ar fi componente de microîncălzitor și canale microfluidice tridimensionale; în plus, laserul femtosecunde poate pregăti, de asemenea, diferite tipuri de micro-nanostructuri de suprafață pentru a obține funcții anti-reflex, anti-reflex, super-hidrofob, anti-givrare și alte funcții; nu numai că, laserul femtosecundă a fost aplicat și în domeniul biomedicinei, prezentând performanțe remarcabile în domenii precum micro-stenturile biologice, substraturile de cultură celulară și imagistica biologică microscopică. Perspective largi de aplicare. În prezent, domeniile de aplicare ale procesării laser femtosecunde se extind de la an la an. Pe lângă micro-optica, microfluidica, micro-nanostructurile multifuncționale și aplicațiile de inginerie biomedicală menționate mai sus, acesta joacă, de asemenea, un rol imens în unele domenii emergente, cum ar fi pregătirea metasuprafeței. , producție micro-nano și stocare de informații optice multidimensionale etc.
Ora postării: 17-apr-2024
