Высокопроизводительная ультракороткоимпульсная лазерная микрообработка

ИноСМИ, Лазерные технологии Комментарии к записи Высокопроизводительная ультракороткоимпульсная лазерная микрообработка отключены

Как увеличить скорость лазерной микрообработки? С помощью правильной технологии процесса. 

РИСУНОК 1. Схемы обработки с многолучевыми системами должны быть тщательно спланированы, чтобы снизить тепловую нагрузку и при этом сохранить высокую производительность.

Лазеры с ультракороткими импульсами (USP), то есть лазеры с длительностью импульсов, кратной пикосекунде или даже меньше, вызвали большой интерес в последние годы. Они могут обрабатывать практически каждый материал, и они делают это с точностью до микрона без брызг или тепловых побочных эффектов. Их единственным ограничением была средняя мощность и, следовательно, производительность. Теперь стали доступны киловаттные источники для пикосекундных или фемтосекундных импульсов, что ставит вопрос о том, как превратить увеличенную мощность в более высокую производительность. В этой статье мы обсудим несколько способов повышения производительности процессов сверления и структурирования поверхности.

Лазерные источники

Теперь лазеры USP со средней мощностью 150 Вт и импульсами 150 мкДж можно приобрести со склада с более мощными машинами, предлагающими импульсы в киловаттах или миллиджоулях от растущего числа поставщиков. Немецкий Fraunhofer Gesellschaft объявил о многомиллионных усилиях по разработке лазерных источников и технологии обработки в 10 кВт или более в течение следующих 2–5 лет.

Есть несколько способов усовершенствовать лазеры USP. Как правило, разработчики увеличивают энергию за импульс и / или частоту повторения источника. Оба числа при умножении дают доступную среднюю мощность источника в качестве простого средства для сравнения лазерных источников. В старом мире лазеров с непрерывным излучением большая мощность означала большую производительность. Для лазеров USP все становится сложнее, поскольку цена системы оправдана только в том случае, если сохраняется точность обработки.

Следует отметить, что производительность также может зависеть от других параметров. Для определенных материалов лучшие результаты абляции могут быть достигнуты с использованием более коротких импульсов или более коротких длин волн. В недавней статье в Industrial Laser Solutions подробно рассказывалось об увеличении скорости абляции. Основные эффекты сильно зависят от вида материала.

Но ключевой вопрос заключается в следующем: как  увеличенная мощность превращается на более высокую производительность?

Некоторые хитрости и правила

Процесс абляции ультракороткими импульсами является сложным и был предметом обширных исследований. Один простой вывод заключается в том, что если лазерные импульсы USP с высокой частотой повторения освещают одно и то же пятно, тогда тепло накапливается в материале детали, и выгода от «холодной» абляции (то есть без зоны термического влияния) исчезает. Таким образом, простое увеличение количества импульсов не приводит к повышению производительности с той же точностью.

В общем, чем больше энергии вы вкладываете в один импульс, тем больше вы аблируете, но плюс в абляционном  объеме уменьшается с увеличением энергии. И вскоре качество абляционных конструкций страдает. Есть несколько практических правил, чтобы найти оптимальную энергию для абляции.

В этот момент мы можем видеть, что физическая величина, которая больше всего влияет на результат структурирования, представляет собой интенсивность, то есть энергию импульса, деленную на размер фокального пятна. Было обнаружено, что для лазеров USP абляция становится наиболее эффективной, когда интенсивность равна e2 (примерно 7) кратному пороговой интенсивности.

Основным вопросом для процессов структурирования поверхности является использование пачек импульсов, когда применяется короткая последовательность импульсов. Только первый импульс удаляет первозданную поверхность, все последующие импульсы могут видеть над фокусом струйку, которая поглощает часть энергии. Таким образом, абляция, например, пяти отдельных импульсов с интервалом в одну секунду всегда будет выше, чем для пяти импульсов в одном пакете. Тем не менее, пачка импульсов удалит больше материала в секунду. Подробное обсуждение обработки лазерными импульсами USP можно найти в другом месте (1).

20 000 просверленных отверстий в секунду

Одним из перспективных путей к повышению производительности с использованием мощных лазерных источников USP является разделение мощного луча. Разделение пучка на большое количество пучков позволяет проводить параллельную обработку. В частности, с периодическими структурами можно использовать большое количество похожих лучей и реализовать существенный прирост производительности.

Ключом к этому способу масштабирования является правильный подход для разделения мощного пучка на множество пучков с похожими свойствами. Типичным решением являются дифракционные оптические элементы (DOE), которые представляют собой плоскую оптику со сложной вписанной структурой, которая дифрагирует оптическую волну луча. Таким образом, DOE может создать одно пятно, одну линию или даже более 100 похожих лучей из одного луча. Несмотря на то, что легко создать множество копий исходного луча, можно также использовать DOE для создания специальных профилей лучей, таких как лучи с плоским верхом или бесселевых лучей.

Структура поверхности DOE выгравирована на стекле с предельной точностью с использованием методов литографии. В результате DOE представляет собой плоский кусок стекла, который создает статическое распределение луча. Чаще всего это требует дополнительных линз и технологии сканирования для промышленной обработки.

Специалисты Института лазерных технологий им. Фраунгофера (Fraunhofer ILT; Аахен, Германия) работают над такими концепциями формирования лучей с 2012 года. В 2019 году они достигли рекордной скорости 20 000 отверстий в секунду, просверленных в тонкой металлической пленке. Они использовали DOE с более чем 200 бимлетами для сверления отверстий диаметром 1 мкм в фольге толщиной 10 мкм для применения в фильтрах.Даже с лазерами USP некоторое количество тепла остается в заготовке, что становится актуальным при высоких энергиях импульса и / или высокой частоте повторения. С небольшими пространственными расстояниями между отверстиями становится необходимым использовать индивидуальное управление температурой, чтобы избежать теплового повреждения. Поэтому команда Fraunhofer ILT разработала программное обеспечение для детального моделирования физических процессов во время и после поглощения лазера. С помощью этого инструмента можно изучать тепловые эффекты и тестировать схемы обработки (РИСУНОК 1).

Концепция простого шаблона для сверления или формирования поверхности может систематически расширяться для большей гибкости. Поэтому специалисты Fraunhofer ILT исследуют несколько различных многолучевых концепций. В европейском проекте под названием «MultiFlex» они разрабатывают своего рода оптический матричный принтер, в котором лазерный луч USP мощностью 1 кВт разделяется на матрицу из 60 лучей. Эти лучи будут передаваться через набор акустооптических модуляторов (AOM), чтобы они могли включаться и выключаться независимо. Пока что они показали контроль 8 бимлетов в одном АОМ. Проект нацелен на матрицу пучка 8 × 8. Следует отметить, что типичное время переключения AOM составляет менее 1 мкс, поэтому возможен мегагерцовый запуск швов лазерного матричного принтера.

Следующим шагом к большей гибкости является полный инструмент для динамического формирования луча. Там жидкокристаллический модулятор заменяет DOE. Такой пространственный модулятор света (SLM, spatial light modulator) может создавать произвольные структуры для дифракции. Время переключения обычно составляет порядка 10 мс, поэтому переключение шаблонов с частотой 100 Гц является реалистичным.

Сравнивая эти три понятия, мы видим ряд различий. Формирование луча с помощью DOE является статическим, но имеет высокую точность и обеспечивает высокую долговечность в промышленных применениях. Если мы добавим AOM к этой концепции, мы сможем очень быстро включать и выключать отдельные лучи и генерировать различные распределения лучей. SLM допускает изменение всей схемы, но это сравнительно медленно, и SLM имеют сравнительно низкий порог повреждения.

Применения

Первый пример применения уже упоминался. Сверление 20000 отверстий размером  в микрон в металлическую фольгу дает хороший микрофильтр. С таким металлическим поверхностным фильтром некоторые частицы могут быть отделены. Это работает, например, в фильтрах для воды для мультирезистентных микробов или для микропластиков, а также во многих других биотехнологических применениях. Использование микрофильтров также интересно для пищевой промышленности, например, в области стерильной фильтрации, где необходимо сохранять все виды микроорганизмов. Другие возможные применения включают фильтрацию мелкой пыли в воздухе (классы PM от 10 до 1) или механическое разделение белых и красных кровяных клеток в медицинской технике, и это всего лишь несколько применений для микрофильтров.

Гравировальные печатные валики (или более общие цилиндры для рулонной обработки) — еще одно многообещающее применение, которое было показано в промышленных процессах. На последнем семинаре UKP Стефан Брюнинг (Schepers) сообщил о лазере мощностью 500 Вт с импульсами 10 пс для удаления структур глубиной 200 мкм с поверхности меди с использованием индивидуально адресуемых многолучевых диаграмм (РИСУНОК 2). Он достиг эффективной мощности 20 Вт на канал в системе лучей 2 × 8. Та же технология была применена к закаленным стальным и алюминиевым цилиндрам.

РИСУНОК 2. Текстуры поверхности на пластине для тиснения 1 × 1,2 м, изготовленной с использованием набора из 8 лучей, которые по отдельности включаются и выключаются во время процесса.

Исследователи из TRUMPF (Дитцинген, Германия) продемонстрировали использование SLM для гибкого формирования луча на конференции LASE 2019 года в Сан-Франциско, Калифорния. Они создали различные лучи с распределением Бесселя и продемонстрировали резку стекла с помощью этих лучей. Кроме того, они создали ряд специальных профилей лучей, таких как прямоугольник, Т-образная форма или матрица из 15 квадратов, чтобы доказать способность системы создавать острые края. Профили пучка были использованы для обработки испытаний и достигли разрешения лучше, чем 1000 точек на дюйм. Ряд электронных приложений, таких как сверление слепых отверстий (микровиа), могут извлечь выгоду из этой технологии.

Прогноз

С появлением мощных пикосекундных и фемтосекундных лазеров необходимы новые решения для превращения увеличенной средней мощности лазерных систем в повышенную производительность. Многолучевая оптика предлагает несколько возможностей для усовершенствования процессов обработки. В зависимости от типа оптики существуют статические решения (например, DOE) для создания периодических структур или более медленные динамические решения (SLM) для обработки изменяющихся шаблонов. Кроме того, с помощью наборов AOM можно генерировать быстро переключаемые диаграммы направленности, как на матричном принтере. Все эти решения в настоящее время применяются в машинах промышленного уровня. Остаются проблемы с лучевой оптикой и технологиями сканирования.

Йоханнс Фингер и Андреас Тосс

Источник: https://www.industrial-lasers.com/micromachining/article/14073583/highthroughput-ultrashortpulse-laser-micromachining

Видео по теме: 

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top