Hoci ultrarýchle lasery existujú už desaťročia, priemyselné aplikácie sa v posledných dvoch desaťročiach rýchlo rozrástli. V roku 2019 je trhová hodnota ultrarýchlelaserový materiálspracovanie bolo približne 460 miliónov USD so zloženým ročným rastom 13 %. Oblasti použitia, v ktorých sa ultrarýchle lasery úspešne používajú na spracovanie priemyselných materiálov, zahŕňajú výrobu a opravu fotomasiek v polovodičovom priemysle, ako aj rezanie kremíkových kociek, rezanie/rysovanie skla a odstraňovanie filmu (oxid indium cínu) ITO v spotrebnej elektronike, ako sú mobilné telefóny a tablety. , tvarovanie piestov pre automobilový priemysel, výroba koronárnych stentov a výroba mikrofluidných zariadení pre medicínsky priemysel.
01 Výroba a opravy fotomasiek v polovodičovom priemysle
Ultrarýchle lasery sa používali v jednej z prvých priemyselných aplikácií pri spracovaní materiálov. IBM ohlásilo aplikáciu ablácie femtosekundovým laserom pri výrobe fotomasiek v 90. rokoch. V porovnaní s nanosekundovou laserovou abláciou, ktorá môže spôsobiť rozstrek kovu a poškodenie skla, femtosekundové laserové masky nevykazujú rozstrek kovu, žiadne poškodenie skla atď. Výhody. Táto metóda sa používa na výrobu integrovaných obvodov (IC). Výroba čipu IC si môže vyžadovať až 30 masiek a stojí viac ako 100 000 dolárov. Femtosekundové laserové spracovanie dokáže spracovať čiary a body pod 150 nm.
Obrázok 1. Výroba a oprava fotomasky
Obrázok 2. Výsledky optimalizácie rôznych vzorov masiek pre extrémnu ultrafialovú litografiu
02 Rezanie kremíka v polovodičovom priemysle
Rezanie kremíkových plátkov je štandardný výrobný proces v polovodičovom priemysle a zvyčajne sa vykonáva pomocou mechanického krájania. Tieto rezné kotúče často vytvárajú mikrotrhlinky a je ťažké rezať tenké (napr. hrúbka < 150 μm) plátky. Laserové rezanie kremíkových doštičiek sa používa v polovodičovom priemysle už mnoho rokov, najmä pre tenké doštičky (100-200μm), a vykonáva sa vo viacerých krokoch: laserové drážkovanie, po ktorom nasleduje mechanické oddelenie alebo stealth rezanie (tj infračervený laserový lúč vo vnútri kremíkové ryhovanie), po ktorom nasleduje mechanické oddelenie pásky. Nanosekundový pulzný laser dokáže spracovať 15 plátkov za hodinu a pikosekundový laser dokáže spracovať 23 plátkov za hodinu s vyššou kvalitou.
03 Rezanie/rysovanie skla v priemysle spotrebnej elektroniky
Dotykové obrazovky a ochranné sklá pre mobilné telefóny a notebooky sú čoraz tenšie a niektoré geometrické tvary sú zakrivené. To sťažuje tradičné mechanické rezanie. Typické lasery zvyčajne produkujú zlú kvalitu rezu, najmä ak sú tieto sklenené displeje naskladané v 3 až 4 vrstvách a vrchné ochranné sklo s hrúbkou 700 μm je tvrdené, čo sa môže pri lokálnom namáhaní rozbiť. Ukázalo sa, že ultrarýchle lasery dokážu rezať tieto sklá s lepšou pevnosťou hrán. Pri rezaní veľkých plochých panelov môže byť femtosekundový laser zaostrený na zadnú plochu sklenenej tabule a poškriabať vnútornú stranu skla bez poškodenia predného povrchu. Sklo sa potom môže rozbiť pomocou mechanických alebo tepelných prostriedkov pozdĺž ryhovaného vzoru.
Obrázok 3. Pikosekundové ultrarýchle laserové rezanie skla špeciálneho tvaru
04 Textúry piestu v automobilovom priemysle
Ľahké motory automobilov sú vyrobené z hliníkových zliatin, ktoré nie sú také odolné voči opotrebovaniu ako liatina. Štúdie zistili, že spracovanie textúr automobilových piestov femtosekundovým laserom môže znížiť trenie až o 25 %, pretože nečistoty a olej sa dajú efektívne skladovať.
Obrázok 4. Spracovanie piestov automobilového motora femtosekundovým laserom na zlepšenie výkonu motora
05 Výroba koronárnych stentov v medicínskom priemysle
Milióny koronárnych stentov sa implantujú do koronárnych artérií tela, aby otvorili kanál pre prúdenie krvi do inak zrazených ciev, čím sa ročne zachránia milióny životov. Koronárne stenty sú typicky vyrobené z kovovej (napr. nehrdzavejúcej ocele, zliatiny niklu a titánu s tvarovou pamäťou alebo novšie zliatiny kobaltu a chrómu) drôteného pletiva so šírkou vzpery približne 100 μm. V porovnaní s laserovým rezaním s dlhým pulzom sú výhody použitia ultrarýchlych laserov na rezanie konzol vysoká kvalita rezu, lepšia povrchová úprava a menej nečistôt, čo znižuje náklady na následné spracovanie.
06 Výroba mikrofluidných zariadení pre medicínsky priemysel
Mikrofluidné zariadenia sa bežne používajú v lekárskom priemysle na testovanie a diagnostiku chorôb. Typicky sa vyrábajú mikrovstrekovaním jednotlivých dielov a následným spájaním pomocou lepenia alebo zvárania. Ultrarýchla laserová výroba mikrofluidných zariadení má tú výhodu, že produkuje 3D mikrokanály v priehľadných materiáloch, ako je sklo, bez potreby spojov. Jednou z metód je ultrarýchla laserová výroba vo vnútri objemového skla, po ktorej nasleduje mokré chemické leptanie, a ďalšou je ablácia femtosekundovým laserom vo vnútri skla alebo plastu v destilovanej vode na odstránenie nečistôt. Ďalším prístupom je strojové obrábanie kanálov do povrchu skla a ich utesnenie skleneným krytom pomocou zvárania femtosekundovým laserom.
Obrázok 6. Selektívne leptanie indukované femtosekundovým laserom na prípravu mikrofluidných kanálikov vo vnútri sklenených materiálov
07 Mikrovŕtanie trysky vstrekovača
Femtosekundové laserové obrábanie mikrootvorov nahradilo mikro-EDM v mnohých spoločnostiach na trhu vysokotlakových vstrekovačov vďaka väčšej flexibilite pri zmene profilov prietokových otvorov a kratším časom obrábania. Schopnosť automaticky ovládať polohu zaostrenia a naklonenie lúča pomocou predbežnej skenovacej hlavy viedla k návrhu profilov clony (napr. hlaveň, svetlice, konvergencia, divergencia), ktoré môžu podporovať atomizáciu alebo penetráciu v spaľovacej komore. Čas vŕtania závisí od objemu ablácie, s hrúbkou vrtáka 0,2 – 0,5 mm a priemerom otvoru 0,12 – 0,25 mm, vďaka čomu je táto technika desaťkrát rýchlejšia ako mikro-EDM. Mikrovŕtanie sa vykonáva v troch fázach, vrátane hrubovania a dokončovania priechodných pilotných otvorov. Argón sa používa ako pomocný plyn na ochranu vrtu pred oxidáciou a na tienenie finálnej plazmy počas počiatočných fáz.
Obrázok 7. Femtosekundové laserové vysoko presné spracovanie obráteného kužeľového otvoru pre vstrekovač dieselového motora
08 Ultra rýchle laserové textúrovanie
V posledných rokoch sa s cieľom zlepšiť presnosť obrábania, znížiť poškodenie materiálu a zvýšiť efektivitu spracovania, oblasť mikroobrábania postupne stala stredobodom záujmu výskumníkov. Ultrarýchly laser má rôzne výhody spracovania, ako je nízke poškodenie a vysoká presnosť, čo sa stalo stredobodom podpory rozvoja technológie spracovania. Zároveň môžu ultrarýchle lasery pôsobiť na rôzne materiály a poškodenie materiálu pri laserovom spracovaní je tiež hlavným smerom výskumu. Ultrarýchly laser sa používa na odstraňovanie materiálov. Keď je hustota energie lasera vyššia ako ablačný prah materiálu, povrch ablatovaného materiálu bude vykazovať mikro-nano štruktúru s určitými vlastnosťami. Výskum ukazuje, že táto špeciálna povrchová štruktúra je bežný jav, ktorý sa vyskytuje pri laserovom spracovaní materiálov. Príprava povrchových mikro-nano štruktúr môže zlepšiť vlastnosti samotného materiálu a tiež umožniť vývoj nových materiálov. To robí z prípravy povrchových mikro-nano štruktúr ultrarýchlym laserom technickú metódu s významným vývojovým významom. V súčasnosti, pokiaľ ide o kovové materiály, výskum ultrarýchlych laserových povrchových textúr môže zlepšiť vlastnosti zmáčania kovového povrchu, zlepšiť povrchové trenie a vlastnosti opotrebenia, zlepšiť priľnavosť povlaku a smerovú proliferáciu a adhéziu buniek.
Obrázok 8. Superhydrofóbne vlastnosti laserom pripraveného kremíkového povrchu
Ako špičková technológia spracovania má ultrarýchle laserové spracovanie charakteristiky malej tepelne ovplyvnenej zóny, nelineárneho procesu interakcie s materiálmi a spracovania s vysokým rozlíšením za hranicou difrakcie. Dokáže realizovať vysokokvalitné a vysoko presné mikro-nano spracovanie rôznych materiálov. a výrobu trojrozmerných mikro-nano štruktúr. Dosiahnutie laserovej výroby špeciálnych materiálov, zložitých štruktúr a špeciálnych zariadení otvára nové cesty pre výrobu mikro-nano. V súčasnosti je femtosekundový laser široko používaný v mnohých špičkových vedeckých oblastiach: femtosekundový laser možno použiť na prípravu rôznych optických zariadení, ako sú polia mikrošošoviek, bionické zložené oči, optické vlnovody a metapovrchy; vďaka svojej vysokej presnosti, vysokému rozlíšeniu a schopnostiam trojrozmerného spracovania môže femtosekundový laser pripraviť alebo integrovať mikrofluidné a optofluidné čipy, ako sú komponenty mikroohrievačov a trojrozmerné mikrofluidné kanály; okrem toho dokáže femtosekundový laser pripraviť aj rôzne typy povrchových mikronanoštruktúr na dosiahnutie antireflexných, antireflexných, superhydrofóbnych, protinámrazových a ďalších funkcií; nielen to, femtosekundový laser sa tiež používa v oblasti biomedicíny, pričom vykazuje vynikajúci výkon v oblastiach, ako sú biologické mikrostenty, substráty pre bunkové kultúry a biologické mikroskopické zobrazovanie. Široké možnosti uplatnenia. V súčasnosti sa aplikačné oblasti spracovania femtosekundovým laserom z roka na rok rozširujú. Okrem vyššie spomínanej mikrooptiky, mikrofluidiky, multifunkčných mikronanoštruktúr a aplikácií biomedicínskeho inžinierstva zohráva obrovskú úlohu aj v niektorých vznikajúcich oblastiach, ako je príprava metapovrchov. , mikro-nano výroba a viacrozmerné optické ukladanie informácií atď.
Čas odoslania: 17. apríla 2024
