Лазерный мир

Показано, что лазерная система с ультракороткими импульсами увеличивает скорость выхода на рынок.

РИСУНОК 1. Показаны  примеры микрообработки от сотен микрон до субмикронного уровня.

Лазерная микрообработка ультракороткими импульсами (USP), ставшая предметом любопытства нескольких исследовательских лабораторий, за последние 20 лет стала широко распространенным промышленным сегментом. Некогда резкое неприятие промышленности в отношении использования лазеров USP в повседневной деятельности пошло на убыль, так как все больше и больше конечных пользователей осознают положительное влияние этого метода обработки материала. Это особенно актуально, когда детали становятся меньше и предполагают добавленную физическую, электрическую, химическую, биологическую и оптическую функциональность для удовлетворения требований в области медицины, бытовой электроники, промышленного приборостроения и автомобильного рынка.

Лазерная микрообработка ультракороткими импульсами получит еще более широкое распространение, поскольку 5G обеспечивает мир, полный Интернета вещей (IoT), для которого требуются микроскопические устройства IoT, тенденции дизайна которых требуют интегрированных в нишу многофункциональных решений в форме различных датчиков, которые подразумевают подключение. Кроме того, инновации в области автоматизации предложат оптимизированные и недорогие рабочие станции для микрообработки, которые могут улучшить рабочий процесс и тем самым оптимизировать скорость работы конечного пользователя в соответствии с рыночными соображениями.

Тенденции, возможности роста

Тенденции проектирования машиностроения и электротехники в направлении монолитных компонентов будут обеспечиваться оптимизированными процессами механической и лазерной микрообработки, которые поддерживают сенсорные приложения в беспроводной связи, умной одежде, умных часах, фитнес-трекерах и автомобилях. Применение в автомобилестроении и на транспорте будет стимулировать рынок датчиков IoT, поскольку этот сектор неуклонно переходит в автономную эру благодаря недавним деловым сотрудничеству и совместным предприятиям среди автомобильных гигантов, разработчиков программного обеспечения, поставщиков кибербезопасности, производителей микросхем и системных интеграторов.

В целом, ожидается, что рынок датчиков IoT вырастет с 2018 года с 9,6 млрд долларов до прогнозируемых 34,4 млрд долларов к 2024 году, при этом CAGR составит 24,05% в прогнозируемый период 2019-2024 годов. Этот тип роста потребности в IoT-датчиках приведет к тому, что лазерная микрообработка USP будет использоваться в высокоуровневых приложениях для трехмерного структурирования, сверления отверстий, резки, фрезерования и структурирования поверхности, размеры которых будут включать нанометры (<1 мкм), более мелкие микроотверстия (<5 мкм) при более узких шагах и более высоком соотношении сторон (> 10: 1), более низких конических стенках (<2%) и минимальной ширине канала (<50 мкм) в таких приложениях, как многослойные жесткие печатные платы HD (PCB, printed circuit boards ), гибкие печатные платы, подложки интегральных схем (ИС), переходные пластины, калиброванные отверстия потока и отверстия (РИСУНОК 1).

Ландшафт поставщиков лазерных систем USP состоит из растущего числа OEM-производителей лазерных систем, OEM-производителей автоматизированных систем, системных интеграторов, не являющихся OEM-производителями, технических консультантов и компаний, занимающихся обслуживанием производственных контрактов. Инновации, ведущие к дифференциации продукта и обработки среди этой области игроков, будут ключевыми для установления долгосрочного участия поставщика в его целевых нишевых рынках. Примеры поставщиков, добившихся успеха в одной ключевой позиции и развивающих стратегическое партнерство вокруг этой единственной позиции, продолжают расти в областях применения для устройств для ухода за больными, лабораторий на чипах, карт зондов, гибкой электроники, сверления пластин и бытовой электроники клиентов. С особенностями компонентов, стремящимися к наноразмерным размерам, естественно, будут продолжаться новые достижения в энергии импульса луча, скорости / движении, размере пятна, длине волны и архитектуре лазерной системы. Поставщики, предоставляющие услуги по контракту, имеют уникальную позицию не только к компонентам машины, но и к добавленной стоимости при рассмотрении сборок или процессов следующего уровня, которые соответствуют ресурсам поставщика услуг и будущему бизнес-планированию.

Для технологического мира, движущегося вперед с нелинейными скоростями, инновационные лазеры USP в сочетании с интеллектуальными проектами автоматизации позволяют внедрять очень креативные решения для микрообработки, которые обеспечивают преимущества для многогранных бизнес-задач, таких как эффективность работы, удовлетворенность клиентов и скорость выхода на рынок. Компании с оптимизированными возможностями по разработке продуктов получают огромные конкурентные преимущества благодаря большей способности прогнозировать время выхода на рынок и распределение ресурсов для развертывания продукта в нужное время и в нужном месте. Сроки выхода продукта на рынок содержат четыре основных этапа: 1) генерация идеи продукта; 2) полный цикл проектирования; 3) развитие; и 4) выход на рынок. Умелое выполнение этих четырех этапов в сочетании с тщательно управляемыми ресурсами цепочки поставок обеспечивает оптимизацию бизнес-планов и удовлетворение ожиданий инвесторов.

Решение проблем

Эффективные цепочки поставок требуют альянсов с партнерскими организациями, которые могут предлагать уникальные инновационные продукты и услуги, которые быстро адаптируются к меняющимся рыночным тенденциям и реагируют на соглашения об открытых поставках. Например, решения о покупке основного оборудования могут быть лучше обоснованы путем принятия инновационных продуктов поставщиков, которые предлагают выдающиеся ценовые предложения как для систем работы с ресурсами, так и с точки зрения эффективности потоков.

Группы ресурсоэффективности состоят из узкоспециализированных людей, в которых рабочие процессы переходят от одного человека к другому, и прогресс происходит только тогда, когда последующий человек выполняет свою задачу.

С другой стороны, эффективность потока ориентирована на целую команду, которая специализируется на определенных возможностях. Это означает, что когда один из участников недоступен, команда все еще может работать и выполнять установленные сроки. Большинство организаций, однако, содержат группы обеих рабочих моделей, и эти модели могут перекрываться, что может поставить под угрозу графики, например, когда отделы исследований и разработок (ресурсосберегающие) и производственные (экономичные) совместно используют ресурсы инструмента лазерной микрообработки. В этом случае инновационное решение найдено на настольной фемтосекундной рабочей станции для фемтосекундной лазерной микрообработки SolaFab от Clark-MXR (Dexter, MI) — первой в своем роде. Этот модернизированный, недорогой и простой в использовании инструмент хорошо подходит для уникальных потребностей рабочего процесса лаборатории R & D, позволяя тем самым непрерывно развиваться (РИСУНОК 2).

РИСУНОК 2. Настольная фемтосекундная  рабочая станция микрообработки SolaFab.

Когда капитальные закупки оборудования для  обработки не имеют смысла, цепочки поставок могут рассчитывать на опытного поставщика, обеспеченного ресурсами, для организации контрактных услуг для выполнения прототипа с учетом требований к объему производства. В этих случаях поставщик является расширением группы управления заказчиком, выполняющей роль процесса разработки, создания прототипа и производственного ресурса до тех пор, пока не понадобится готовая к производству машина. Контрактные сервисные соглашения также предоставляют возможности, когда поставщик может распознавать усовершенствования конструкции и более дешевые возможности производства благодаря вертикально интегрированным соображениям сборки и / или более эффективным решениям производственного потока. Например, Clark-MXR, который производит фемтосекундные волоконные лазеры, зависит от высококвалифицированных специалистов по точной сборке микрооптических компонентов. Кроме того, эти производственные навыки легко переносятся на другие очень маленькие сборки, требующие аналогичных стратегий соединения, выравнивания, метрологии и монтажа микрокомпонентов.

С исторической точки зрения лазерные генераторы USP (иногда называемые ультрабыстрыми или фемтосекундными лазерными генераторами) были впервые коммерциализированы доктором Уильямом (Биллом) Кларком в его запуске в 1987 году, Clark Instrumentation. Clark-MXR, как известно сегодня, был основан в 1992 году в результате слияния Clark Instrumentation с MXR, чьи регенеративные усилители использовали задающие генераторы  Clark Instrumentation, использующие присужденную Нобелевской премией технику усиления чирпированных импульсов (CPA, chirped-pulse amplification ), изобретенную проф. Жерар Муру. Лазерная микрообработка ультракороткими импульсами была впервые коммерциализирована Clark-MXR на основе исследований, проведенных профессором Муру в Мичиганском университете.

РИСУНОК 3. Первая коммерческая система усилителя с чирпированными импульса

Вступление Clark-MXR в промышленные приложения для микрообработки означало, что большие конфигурации оптических столов должны были быть переупакованы в прочные, небольшие и удобные для пользователя конструкции. Инновация Clark-MXR привела к разработке серии CPA-2000, занимающей в пять раз меньше места ранее выпущенных версий. Более того, это была первая в отрасли модульная CPA, специально разработанная для микросистем, которая могла работать в режиме «plug-and-play» в автоматическом режиме (РИСУНОК 3). Этот революционно новый лазерный источник позволил впервые продемонстрировать Clark-MXR живую промышленную фемтосекундную лазерную микрообработку на выставке LASER World of PHOTONICS 1997 года в Мюнхене, Германия (РИСУНОК 4).

РИСУНОК 4. На изображении выше изображено предметное стекло, обработанное фемтосекундными лазерными импульсами лазера серии CPA от Clark-MXR, как было продемонстрировано на выставке LASER World of PHOTONICS 1997 года в Мюнхене, Германия.

Clark-MXR продолжает внедрять инновационные фемтосекундные лазерные источники и автоматизированные решения в структуре компании, принадлежащей сотрудникам. Доктор Ларри Уокер, президент с 2017 года, говорит: «Наша организация гордится тем, что продолжает превосходить ожидания клиентов в глобальном масштабе. Миссия компании не изменилась — мы хотим, чтобы наши передовые ученые, наши провидцы, прислушивались к клиентам и разрабатывали передовые решения по изготовлению, учитывая уникальный набор навыков и ресурсов под нашей крышей ».

Источник: https://www.industrial-lasers.com/micromachining/article/14073566/innovation-for-expanding-requirements-of-ultrashortpulse-lasers