Obróbka z wykorzystaniem ultrakrótkich impulsów laserowych

© ROFIN

Udostępnij:

 

Bardzo szybki rozwój przemysłu elektronicznego i związanego z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (w tym baterii słonecznych), stał się przyczyną poszukiwania nowych urządzeń do mikroobróbki materiałów. Dziś w tym celu powszechnie wykorzystuje się lasery pracujące z ultrakrótkimi impulsami – w zakresie nano-, femto- czy pikosekund.

Technologia obróbki mikrolaserem rozwinęła się znacząco w ciągu ostatnich lat wraz z rozwojem systemów ablacji laserowej, pracujących na bazie laserów o impulsach nanosekundowych i femtosekundowych. Obróbka taka jest stosowana rutynowo w przemyśle i wiele produktów z rożnych dziedzin jest dziś tworzonych tą techniką. Szybki rozwój laserowych technik mikroobróbki wiąże się z koniecznością niezwykle dokładnej obróbki takich elementów i materiałów w elektronice, które muszą charakteryzować się elastycznością (np. elementy akcelerometrów) i trwałością (np. mikrozębatki) lub muszą być przewodnikami elektrycznymi (np. mikroelektrody) oraz innych materiałów, które nie poddają się klasycznym procesom mikroobróbki.

Jak mówi Bernard Rzany z firmy Rofin, lasery krótkoimpulsowe USP i UV (długości fali od 1064 przez 532 do UV (ultrafiolet) o λ=355 nm) są niezbędne w rozwoju i produkcji elementów elektrowni słonecznych, w dziedzinie zwiększania efektywności jednostek kryształów mono- i multikrystalicznych. – Nowe systemy oświetlenia, na podstawie technologii LED, produkowane są przy pomocy laserów USP i UV. Zarówno cięcie materiałów kruchych np. szkła (nowe przez ROFIN-a opatentowane technologie cięcia materiałów kruchych, znane jako SmartCleave), jak i obróbka powierzchni z bardzo wysoką dokładnością, prowadzą do wzrostu dokładności i efektywności produkcji, jak i samych produktów wykonanych przy pomocy tych technologii laserowych. Redukcja emisji spalin i zużycia środków napędowych możliwa jest dzięki nowym, laserowym metodom wiercenia otworów w dyszach do silników samochodowych i systemów chłodzenia w silnikach samolotowych – podkreśla Bernard Rzany.

Im krócej, tym lepiej
Wysoka jakość mikroobróbki za pomocą laserów piko- czy femtosekundowych sprawia, że technologia ta jest idealnym narzędziem w wysokozaawansowanych procesach wytwarzania elementów w skali mikro. Termin mikroobróbka laserowa odnosi się zazwyczaj do techniki wykorzystującej wiązkę laserową do usuwania niewielkich ilości lub cienkich warstw obrabianego materiału w tzw. procesie ablacji laserowej, czyli odparowywania (usuwania) materiału z powierzchni ciała stałego, przez doprowadzenie go do stanu gazowego lub plazmy z pominięciem stanu ciekłego. Do podstawowych procesów mikroobróbki laserowej zalicza się cięcie, drążenie otworów oraz strukturyzację powierzchni.

Podczas mikroobróbki impulsy laserowe ogniskowane są na powierzchni materiału (np. metalu).
W zależności od właściwości fizykooptycznych materiału i długości fali promieniowania laserowego część promieniowania laserowego ulegnie odbiciu, natomiast pozostała część zostanie zaabsorbowana i przetransportowana w głąb materiału w procesie przewodnictwa cieplnego. W mikroobróbce jest to zjawisko na ogół wysoce niepożądane. Ciepło przekazywane do materiału przez impuls laserowy podczas mikroobróbki powoduje powstawanie tzw. stref oddziaływania cieplnego, które znacząco obniżają jakość elementów poddanych obróbce. W zależności od materiału i konkretnego zastosowania, może to spowodować odbarwienie materiału, lokalne stopienia, odkształcenia wewnątrz i na powierzchni materiału, mikropęknięcia, powstanie szklistej powierzchni i wiele innych negatywnych efektów. Przy wystarczająco wysokiej gęstości energii wiązki laserowej i krótkim czasie trwania impulsów laserowych (femtosekundowych, pikosekundowych) zaabsorbowana przez materiał energia jest wystarczająco wysoka (wyższa niż ciepło odparowania), aby wywołać zjawisko ablacji laserowej materiału z warstwy podpowierzchniowej – dochodzi do sublimacji, czyli przejścia ze stanu stałego do gazowego (z pominięciem fazy ciekłej). Każdy impuls tworzy plazmę, bardzo gorący gaz składający się ze zjonizowanych cząsteczek, który rozprzestrzenia się gwałtownie z miejsca powstania i tym samym odprowadza większość energii cieplnej. Koncentracja energii w pojedynczym impulsie jest na tyle duża – rzędu setek megawatów mocy szczytowej – że odrywanie się cząsteczek materiału zachodzi praktycznie bez przekazania ciepła do materiału. W ten sposób, eliminując transport ciepła w głąb materiału, unika się jego degradacji termicznej.

Dzięki użyciu małej długości fal i krótkotrwałych impulsów, koncentracja i absorpcja energii jest tak wysoka, że poddaje się jej praktycznie każdy materiał, wliczając w to wszystkie metale, polimery, materiały ceramiczne, szkło, a nawet diament.

Badania pokazały, że skracanie czasu trwania impulsu laserowego istotnie ogranicza powstawanie stref oddziaływania cieplnego, co przekłada się na jakość obrabianych struktur. Dlatego też rozwiązania wykorzystujące lasery o coraz krótszym czasie trwania impulsów cieszą się tak dużym zainteresowaniem przemysłu.

W skali mikro liczy się jakość
Choć wywołanie procesu ablacji laserowej jest możliwe za pomocą lasera pracującego w trybie ciągłym, to zwykle termin ten odnosi się do efektu wywołanego za pomocą laserów pracujących impulsowo (o czasie trwania impulsów z zakresu nanosekund, femtosekund czy pikosekund).

Oprócz strefy wpływu ciepła i strefy przetopu, w wypadku laserów o dłuższych impulsach, otrzymujemy także mniej gładkie powierzchnie (dotyczy to szczególnie frezowania laserem). Regularne struktury na powierzchni, niedokładne narożniki i pęcznienie powierzchni, powstające przy pracy lasera długoimpulsowego, powodują, że powierzchnie obrobionego materiału stają się bardziej nieregularne, podczas gdy obróbka laserem femto- czy pikosekundowym daje znacznie lepsze rezultaty. Różnice są zauważalne już w przypadku laserów nanosekundowych – dzięki zastosowaniu impulsów femtosekundowych do mikroobróbki materiałów, jakość wykonywanych elementów jest dużo lepsza niż w przypadku mikroobróbki impulsami lasera nanosekundowego.

Do zalet ultrakrótkiej mikroobróbki laserowej elementów miniaturowych urządzeń elektromechanicznych należy zaliczyć przede wszystkim możliwość mikroobróbki szerokiej gamy materiałów: metali, polimerów, ceramiki, szkła, izolatorów, przewodników oraz prostotę i dużą szybkość procesu. Istotna jest również duża elastyczność przy projektowaniu geometrii elementów, stosunkowo niewielka cena samego urządzenia do laserowej mikroobróbki, jak i urządzeń pomocniczych (w porównaniu z np. urządzeniem do formowania elementów za pomocą wiązki elektronów), oraz możliwość włączenia mikroobróbki laserowej w nawet najbardziej złożone procesy produkcyjne. W porównaniu z technikami mikroobróbki klasycznej, mikroobróbka laserowa jest stosunkowo tania i jednocześnie mało skomplikowana.

Dynamiczny wzrost obrotów w przemyśle laserowym rośnie dzięki nowym technologiom źródeł i maszyn laserowych – w tym także laserów wykorzystujących ultrakrótkie impulsy wiązki. – Objętość światowego rynku systemów laserowych wzrosła od 1993 roku o około 600%, kiedy wzrost globalnego rynku maszyn w tym samym czasie wynosi 190%. Analizy rynku maszyn podają, że w roku 2012 obrot maszynami laserowy wyniósł ok. 7,9 miliardów euro, co odpowiada ok. 12% obrotów globalnego rynku maszyn. Około jedna czwarta tych obrotów w przemyśle laserowym generuje rynek mikroobróbki materiałów, gdzie wraz z rozwojem nowych źrodeł laserowych, tzw. laserow krótkoimpulsowych, powstają całkiem nowe rynki i zastosowania lub rośnie zasięg ich aktualnych zadań – podsumowuje Bernard Rzany.



Udostępnij:

Drukuj




Tadeusz Krępy




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również