Deși laserele ultrarapide există de zeci de ani, aplicațiile industriale au crescut rapid în ultimele două decenii. În 2019, valoarea de piață a laserelor ultrarapidematerial laserPrelucrarea a fost de aproximativ 460 de milioane USD, cu o rată anuală compusă de creștere de 13%. Domeniile de aplicare în care laserele ultrarapide au fost utilizate cu succes pentru procesarea materialelor industriale includ fabricarea și repararea fotomăștilor în industria semiconductorilor, precum și tăierea siliciului în cuburi, tăierea/scrierea sticlei și îndepărtarea peliculei ITO (oxid de indiu și staniu) în electronicele de larg consum, cum ar fi telefoanele mobile și tabletele, texturarea pistoanelor pentru industria auto, fabricarea de stenturi coronariene și fabricarea de dispozitive microfluidice pentru industria medicală.
01 Fabricarea și repararea fotomăștilor în industria semiconductorilor
Laserele ultrarapide au fost utilizate într-una dintre primele aplicații industriale în prelucrarea materialelor. IBM a raportat aplicarea ablației laser cu femtosecundă în producția de fotomăști în anii 1990. Comparativ cu ablația laser cu nanosecundă, care poate produce stropi de metal și deteriorarea sticlei, măștile laser cu femtosecundă nu prezintă stropi de metal, nu prezintă deteriorarea sticlei etc. Avantajele. Această metodă este utilizată pentru a produce circuite integrate (IC). Producerea unui cip IC poate necesita până la 30 de măști și poate costa >100.000 USD. Prelucrarea cu laser femtosecundă poate procesa linii și puncte sub 150 nm.
Figura 1. Fabricarea și repararea fotomăștii
Figura 2. Rezultate de optimizare a diferitelor modele de măști pentru litografia ultravioletă extremă
02 Tăierea siliciului în industria semiconductorilor
Tăierea cu laser a napolitanelor de siliciu este un proces standard de fabricație în industria semiconductorilor și se realizează de obicei prin tăiere mecanică. Aceste discuri de tăiere dezvoltă adesea microfisuri și sunt dificil de tăiat napolitane subțiri (de exemplu, grosime < 150 μm). Tăierea cu laser a napolitanelor de siliciu este utilizată în industria semiconductorilor de mulți ani, în special pentru napolitane subțiri (100-200 μm) și se realizează în mai multe etape: canelare cu laser, urmată de separare mecanică sau tăiere ascunsă (adică fascicul laser infraroșu în interiorul gravajului de siliciu) urmată de separare mecanică cu bandă. Laserul cu impulsuri nanosecunde poate procesa 15 napolitane pe oră, iar laserul cu picosecunde poate procesa 23 de napolitane pe oră, cu o calitate mai mare.
03 Tăierea/șmirghierea sticlei în industria electronicii de consum
Ecranele tactile și sticla de protecție pentru telefoane mobile și laptopuri devin din ce în ce mai subțiri, iar unele forme geometrice sunt curbate. Acest lucru face tăierea mecanică tradițională mai dificilă. Laserele tipice produc de obicei o calitate slabă a tăierii, mai ales atunci când aceste afișaje din sticlă sunt suprapuse în 3-4 straturi, iar sticla de protecție superioară, cu grosimea de 700 μm, este călită, ceea ce se poate rupe sub stres localizat. S-a demonstrat că laserele ultrarapide pot tăia aceste sticle cu o rezistență mai bună la muchii. Pentru tăierea panourilor plate de mari dimensiuni, laserul femtosecundă poate fi focalizat pe suprafața din spate a foii de sticlă, zgâriind interiorul sticlei fără a deteriora suprafața frontală. Sticla poate fi apoi spartă folosind mijloace mecanice sau termice de-a lungul modelului marcat.
Figura 3. Tăiere cu laser ultrarapidă în picosecunde, formă specială a sticlei
04 Texturi de pistoane în industria auto
Motoarele mașinilor ușoare sunt fabricate din aliaje de aluminiu, care nu sunt la fel de rezistente la uzură ca fonta. Studiile au descoperit că prelucrarea cu laser femtosecundă a texturilor pistoanelor mașinilor poate reduce frecarea cu până la 25%, deoarece resturile și uleiul pot fi stocate eficient.
Figura 4. Prelucrarea cu laser femtosecundă a pistoanelor motoarelor de automobile pentru îmbunătățirea performanței motorului
05 Fabricarea de stenturi coronariene în industria medicală
Milioane de stenturi coronariene sunt implantate în arterele coronare ale organismului pentru a deschide un canal prin care sângele să curgă în vase altfel coagulate, salvând milioane de vieți în fiecare an. Stenturile coronariene sunt de obicei fabricate din plasă de sârmă metalică (de exemplu, oțel inoxidabil, aliaj nichel-titan cu memorie de formă sau, mai recent, aliaj cobalt-crom) cu o lățime a montantului de aproximativ 100 μm. Comparativ cu tăierea cu laser cu impulsuri lungi, avantajele utilizării laserelor ultrarapide pentru tăierea bracket-urilor sunt calitatea ridicată a tăierii, finisajul mai bun al suprafeței și mai puține resturi, ceea ce reduce costurile post-procesare.
06 Fabricarea de dispozitive 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 microinjecție a pieselor individuale și apoi prin lipire prin lipire sau sudare. Fabricarea ultrarapidă cu laser 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 unei sticle în vrac, urmată de gravare chimică umedă, iar o alta este ablația cu laser femtosecundă în interiorul sticlei sau plasticului în apă distilată pentru a îndepărta resturile. O altă abordare este prelucrarea canalelor în suprafața sticlei și sigilarea lor cu un capac de sticlă prin sudare cu laser femtosecundă.
Figura 6. Gravare selectivă indusă cu laser femtosecundă pentru prepararea canalelor microfluidice în interiorul materialelor din sticlă
07 Micro-găurire a duzei injectorului
Prelucrarea micro-găurilor cu laser femtosecundă a înlocuit micro-EDM la multe companii de pe piața injectoarelor de înaltă presiune datorită unei flexibilități mai mari în schimbarea profilelor găurilor de curgere și timpilor de prelucrare mai scurți. Capacitatea de a controla automat poziția focalizării și înclinarea fasciculului prin intermediul unui cap de scanare cu precesare a condus la proiectarea unor profiluri de deschidere (de exemplu, butoi, evazare, convergență, divergență) care pot promova atomizarea sau penetrarea în camera de ardere. Timpul de găurire depinde de volumul de ablație, cu o grosime a găurii de 0,2 – 0,5 mm și un diametru al găurii de 0,12 – 0,25 mm, ceea ce face ca această tehnică să fie de zece ori mai rapidă decât micro-EDM. Microgăurirea se efectuează în trei etape, inclusiv degroșarea și finisarea găurilor pilot traversante. Argonul este utilizat ca gaz auxiliar pentru a proteja gaura de oxidare și pentru a proteja plasma finală în timpul etapelor inițiale.
Figura 7. Prelucrare laser de înaltă precizie cu femtosecundă a unei găuri conice inversate pentru injectorul motorului diesel
08 Texturare laser ultra-rapidă
În ultimii ani, pentru a îmbunătăți precizia prelucrării, a reduce deteriorarea materialelor și a crește eficiența procesării, domeniul microprelucrarii a devenit treptat un punct de interes pentru cercetători. Laserul ultrarapid are diverse avantaje de procesare, cum ar fi deteriorarea redusă și precizia ridicată, ceea ce a devenit punctul central al promovării dezvoltării tehnologiei de procesare. În același timp, laserele ultrarapide pot acționa asupra unei varietăți de materiale, iar deteriorarea materialelor prin prelucrarea cu laser este, de asemenea, o direcție majoră de cercetare. Laserul ultrarapid este utilizat pentru ablația materialelor. Atunci când densitatea de energie a laserului este mai mare decât pragul de ablație al materialului, suprafața materialului ablaționat va prezenta o micro-nanostructură cu anumite caracteristici. Cercetările arată că această structură specială de suprafață este un fenomen comun care apare la prelucrarea cu laser a materialelor. Prepararea micro-nanostructurilor de suprafață poate îmbunătăți proprietățile materialului în sine și poate permite, de asemenea, dezvoltarea de noi materiale. Acest lucru face ca prepararea micro-nanostructurilor de suprafață cu laser ultrarapid să fie o metodă tehnică cu o semnificație importantă pentru dezvoltare. În prezent, pentru materialele metalice, cercetarea privind texturarea ultrarapidă a suprafeței cu laser poate îmbunătăți proprietățile de umectare a suprafeței metalice, poate îmbunătăți proprietățile de frecare și uzură ale suprafeței, poate spori aderența straturilor de acoperire și proliferarea și aderența direcțională a celulelor.
Figura 8. Proprietățile superhidrofobe ale suprafeței de siliciu preparate cu laser
Ca tehnologie de procesare de ultimă generație, procesarea ultrarapidă cu laser are caracteristici precum o zonă mică afectată termic, un proces neliniar de interacțiune cu materialele și o procesare de înaltă rezoluție dincolo de limita de difracție. Aceasta poate realiza procesare micro-nano de înaltă calitate și precizie a diverselor materiale, precum și fabricarea structurilor micro-nano tridimensionale. Realizarea fabricării cu laser a materialelor speciale, a structurilor complexe și a dispozitivelor speciale deschide noi căi pentru micro-nanofabricație. În prezent, laserul femtosecundă a fost utilizat pe scară largă în multe domenii științifice de ultimă generație: laserul femtosecundă poate fi utilizat pentru a prepara diverse dispozitive optice, cum ar fi rețele de microlentile, ochi compuși bionici, ghiduri de undă optice și metasuprafețe; folosind precizia ridicată, rezoluția înaltă și capacitățile sale de procesare tridimensională, laserul femtosecundă poate prepara sau integra cipuri microfluidice și optofluidice, cum ar fi componente de microîncălzire și canale microfluidice tridimensionale; În plus, laserul femtosecundă poate prepara diferite tipuri de micro-nanostructuri de suprafață pentru a obține funcții antireflexie, antireflexie, super-hidrofobie, anti-îngheț și alte funcții; nu numai atât, laserul femtosecundă a fost aplicat și în domeniul biomedicinei, demonstrând performanțe remarcabile în domenii precum micro-stenturi biologice, substraturi pentru culturi celulare și imagistică microscopică biologică. Perspective largi de aplicare. În prezent, domeniile de aplicare ale procesării cu laser femtosecundă 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 metasuprafețelor, fabricarea de micro-nano și stocarea informațiilor optice multidimensionale etc.
Data publicării: 17 aprilie 2024
