Mikroteksturowanie laserowe – precyzyjna obróbka w skali mikro

Preview
GF Machining Solutions
Reklama
Reklama

Technologie laserowe znajdują coraz szersze zastosowanie w procesach związanych z przetwarzaniem różnego rodzaju materiałów. Jednym z nich jest obróbka, a ściślej mówiąc – mikroobróbka laserowa, podczas której lasery o bardzo krótkiej wiązce światła usuwają cienkie warstwy obrabianego materiału, tworząc odpowiednie mikro- i nanostruktury.

Termin „mikroobróbka laserowa” obejmuje szereg zastosowań analogicznych do klasycznej obróbki w skali mikro. Technologia ta może być wykorzystywana do wykonywania takich procesów jak mikrocięcie, mikrofrezowanie, mikrodrążenie, mikrospawanie czy wreszcie mikroteksturowanie, czyli nadawanie określonych cech powierzchniom obrabianych detali.

Dodatkowo mikroobróbka laserowa pozwala na selektywne usuwanie cienkich warstw materiału, przez co możliwe jest usunięcie górnej cienkiej powłoki bez uszkadzania warstw poniżej. Umożliwia również efektywną strukturyzację powierzchni, a tym samym tworzenie powierzchni funkcjonalnych (np. hydrofobowych, hydrofilowych), a nawet zmianę parametrów tribologicznych czy optycznych obrabianych powierzchni. Istotną zaletą tej techniki jest szerokie spektrum materiałów, jakie mogą zostać poddane obróbce – od metali i półprzewodników, przez tworzywa sztuczne oraz szkło w skali makro i mikro, po ceramikę, a nawet diamenty, co przekłada się na wzrost zainteresowania tą technologią w kolejnych branżach.

Na obecną chwilę mikroobróbka laserowa jest najczęściej wykorzystywana w elektronice, a zwłaszcza w procesach produkcji ogniw słonecznych – tłumaczy dr inż. Tomasz Baraniecki, kierownik Laboratorium Mikroobróbki Laserowej we Wrocławskim Centrum Badań EIT+. – Kolejną branżą często korzystającą z jej możliwości jest mechanika precyzyjna, zwłaszcza jeśli chodzi o tworzenie specjalistycznych narzędzi dla medycyny. Sztandarowym przykładem jej wykorzystania w medycynie jest wycinanie stenów wykorzystywanych w procesach udrożnienia naczyń krwionośnych.

Mikroobróbkę laserową można też zdefiniować jako swego rodzaju pomost pomiędzy tradycyjną obróbką ubytkową a technologiami stosowanymi w mikroelektronice. Nie jest ona co prawda w stanie zapewnić takiej precyzji jak procesy wykorzystywane w mikroelektronice, jednak z drugiej strony umożliwia uzyskanie dużo większej precyzji niż typowa obróbka ubytkowa.

Reklama

Mikroteksturowanie laserowe
Promieniowanie laserowe, dzięki swoim licznym zaletom, jest coraz popularniejszym źródłem energii stosowanym podczas procesów teksturowania. Można wyróżnić dwa główne cele stosowania tej technologii. Po pierwsze, laserowe teksturowanie powierzchniowe ma za zadanie utwardzić warstwy wierzchnie materiału, tak by był on zdolny do przenoszenia większych obciążeń i stał się bardziej odporny na zużycie. Drugim, równie ważnym zamierzeniem jest usuwanie (tzw. ablacja) nadmiaru materiału w celu zmniejszenia tarcia i zużycia wytworzonych elementów.

Reklama

W praktyce można zaobserwować kilka rodzajów mikroteksturowania laserowego:

  • teksturowanie bezubytkowe, które nie usuwa warstwy materiału, a jedynie wpływa na zmianę jej struktury;
  • teksturowanie nadmiarowe doprowadzające dodatkowy materiał stopujący;
  • mikroteksturowanie ubytkowe, które w procesie ablacji laserowej usuwa niewielkie ilości bądź warstwy materiału z obrabianej powierzchni.

Ważna długość impulsu laserowego
Najpopularniejsza chyba dziś technika mikroteksturowania laserowego bazuje na wspomnianym wyżej procesie ablacji laserowej. Procedurę tę można najprościej scharakteryzować jako usunięcie (odparowanie) części materiału z obrabianej powierzchni przy użyciu laserów o odpowiednim impulsie – bezpośrednio do stanu gazowego z pominięciem stanu ciekłego.

W przypadku wiązki laserowej o czasie trwania impulsu w zakresie nanosekund energia przedostaje się w głąb materiału, który ulega częściowemu stopieniu, by następnie odparować. W takich sytuacjach dochodzi jednak do efektu termicznego prowadzącego do częściowej degradacji materiału w postaci jego deformacji, spiekania, mikropęknięć czy przebarwienia. Te niepożądane efekty można jednak ograniczyć przez zastosowanie krótszego impulsu laserowego – rzędu femtosekund, a nawet pikosekund. Przy tak krótkich czasach ekspozycji wiązki laserowej możemy mówić o tzw. „czystej” ablacji: zaabsorbowana wówczas energia nie zostaje przetransportowana w głąb materiału, lecz gromadzi się pod jego powierzchnią, gdzie dochodzi do ablacji laserowej, której efektem jest gwałtowna sublimacja i odparowanie części materiału. Rezultatem jest ograniczenie lub wręcz całkowita eliminacja degradacji termicznej materiału.

Coraz większe zainteresowanie
Firmy sprzedające systemy do mikroobróbki laserowej notują corocznie kilkunastoprocentowy wzrost sprzedaży, co dowodzi, że ta forma obróbki cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Jest bowiem w stanie zapewnić dużą dokładność przy wykonywaniu struktur wielkości kilkudziesięciu mikrometrów, a także bardzo szybkie przemieszczenie wiązki laserowej z prędkością kilku metrów na sekundę (w przypadku typowych układów mechanicznych prędkość posuwu narzędzia jest zdecydowanie mniejsza).

Mikroobróbka laserowa bardzo dobrze sprawdza się też w przypadku obróbki materiałów kruchych i trudno obrabialnych, takich jak szkło, ceramika czy diamenty – dodaje Tomasz Baraniecki. – W Laboratorium Mikroobróbki Laserowej będącym częścią Wrocławskiego Centrum Badań EIT+ mamy sporo zapytań odnośnie cięcia laserowego podłoży szafirowych czy blaszek molibdenowych. Nasze pierwsze zlecenie polegało na wykonaniu mikrorowków w wałkach metalowych, które następnie miały stanowić wzorzec do wykrywania mikropęknięć z użyciem metody prądów wirowych. Tak więc spektrum aplikacji może być bardzo szerokie.

Do zalet mikroobróbki laserowej można zaliczyć również dużą szybkość procesu oraz niewielki stopień jego skomplikowania. Ważna jest również jego elastyczność, która przejawia się w możliwości włączenia tej formy obróbki w bardziej złożone procesy produkcyjne. I wreszcie mikroteksturowanie laserowe pozwala na znaczną swobodę projektowania geometrii elementów.

Gdy mowa o zaletach, z reguły pojawiają się również różnego rodzaju ograniczenia. – Jak zwykle w przypadku zaawansowanych technologicznie urządzeń głównym hamulcem w ich powszechnym wykorzystaniu jest ich wysoka cena spowodowana wysokimi kosztami laserów. To też powoduje, że serwis tych urządzeń nie należy do najtańszych – wylicza Tomasz Baraniecki. – Kolejna wada to ograniczona objętość materiału, którą jesteśmy w stanie usunąć w danym czasie. W przypadku mikroobróbki laserowej materiał w większości jest odparowywany, a tym samym ilość ta będzie mniejsza niż w przypadku typowej obróbki ubytkowej. Innym ograniczeniem jest niemożność obróbki wszystkich rodzajów materiałów za pomocą jednego uniwersalnego urządzenia.

Typowe elementy budowy
Do mikroobróbki laserowej stosuje się najczęściej lasery impulsowe emitujące impulsy nanosekundowe – przeważnie na ciele stałym (np. Nd:YAG). W przypadku, gdy istotna jest jak najmniejsza strefa oddziaływania ciepła i dobra jakość krawędzi, stosuje się źródła laserowe o impulsach jeszcze krótszych – w zakresie piko- i femtosekund. Dodatkowo jako układy odpowiedzialne za przemieszczanie wiązki laserowej wykorzystuje się tzw. głowice skanujące zbudowane z dwóch zwierciadeł, których obrót powoduje przemieszczanie wiązki laserowej w osi X i Y. Na pozostałe elementy układu składają się typowe urządzenia i oprogramowanie wykorzystywane również w obróbce CNC, łącznie ze standardowymi narzędziami CAD.

Szybki rozwój nowoczesnych technologii w różnych dziedzinach przemysłowych każe sądzić, że również w segmencie konstrukcji laserowych możemy się spodziewać dynamicznego postępu technicznego. A to powinno się przełożyć nie tylko na zmniejszenie kosztów ich nabycia oraz eksploatacji, ale i rozszerzenie obszarów zastosowania. MM

MM KOMENTARZ - dr inż. Tomasz Baraniecki, kierownik Laboratorium Mikroobróbki Laserowej we Wrocławskim Centrum Badań EIT+ Sp. z o.o.
Dostępność relatywnie tanich i niezawodnych źródeł promieniowania laserowego na pewno przyspieszyłaby rozwój tej formy obróbki w zastosowaniach przemysłowych. To się sukcesywnie dzieje: do niedawna lasery femtosekundowe można było oglądać wyłącznie w laboratoriach badawczych, obecnie stopniowo chodzą one w skład linii produkcyjnych. Podobny trend obserwowaliśmy kilkanaście lat temu w przypadku laserów pikosekundowych, obecnie coraz częściej wykorzystanych w przemyśle. Na chwilę obecną wąskim gardłem tej technologii jest brak dostatecznie szybkich układów przemieszczania wiązki laserowej. Dostępne na rynku źródła laserowe mają na tyle dużą moc, że obróbka mogłaby odbywać się jeszcze szybciej niż dziś, jednak nie pozwalają na to dostępne głowice skanujące. Trwają jednak intensywne prace nad poprawą ich prędkości, jak również innymi rozwiązaniami pozwalającymi na jeszcze szybsze przemieszczanie wiązki laserowej.

Reklama

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama