Αν και τα υπερταχεία λέιζερ υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, οι βιομηχανικές εφαρμογές έχουν αναπτυχθεί ραγδαία τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Το 2019, η αγοραία αξία του ultrafastυλικό λέιζερΗ μεταποίηση ήταν περίπου 460 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό αύξησης 13%. Τομείς εφαρμογής όπου τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την επεξεργασία βιομηχανικών υλικών περιλαμβάνουν την κατασκευή και επισκευή φωτομάσκας στη βιομηχανία ημιαγωγών, καθώς και την κοπή σε κυβάκια πυριτίου, την κοπή/χαράσιμο γυαλιού και την αφαίρεση φιλμ ITO (οξείδιο κασσίτερου ινδίου) σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως κινητά τηλέφωνα και tablet , υφή εμβόλου για την αυτοκινητοβιομηχανία, κατασκευή στεφανιαίων στεντ και κατασκευή μικρορευστωδών συσκευών για την ιατρική βιομηχανία.
01 Κατασκευή και επισκευή φωτομάσκας στη βιομηχανία ημιαγωγών
Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ χρησιμοποιήθηκαν σε μια από τις πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές στην επεξεργασία υλικών. Η IBM ανέφερε την εφαρμογή της αφαίρεσης με λέιζερ femtosecond στην παραγωγή φωτομάσκας τη δεκαετία του 1990. Σε σύγκριση με την αφαίρεση με λέιζερ νανοδευτερόλεπτου, η οποία μπορεί να προκαλέσει πιτσίλισμα μετάλλου και ζημιά στο γυαλί, οι μάσκες λέιζερ femtosecond δεν εμφανίζουν πιτσίλισμα μετάλλου, καμία ζημιά από γυαλί κ.λπ. Τα πλεονεκτήματα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC). Η παραγωγή ενός τσιπ IC μπορεί να απαιτεί έως και 30 μάσκες και να κοστίζει >100.000$. Η επεξεργασία λέιζερ Femtosecond μπορεί να επεξεργαστεί γραμμές και σημεία κάτω από 150nm.
Εικόνα 1. Κατασκευή και επισκευή φωτομάσκας
Εικόνα 2. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης διαφορετικών μοτίβων μάσκας για ακραία υπεριώδη λιθογραφία
02 Κοπή πυριτίου στη βιομηχανία ημιαγωγών
Η κοπή σε κυβάκια γκοφρέτας πυριτίου είναι μια τυπική διαδικασία κατασκευής στη βιομηχανία ημιαγωγών και συνήθως εκτελείται με τη χρήση μηχανικής κοπής σε κύβους. Αυτοί οι τροχοί κοπής συχνά αναπτύσσουν μικρορωγμές και είναι δύσκολο να κοπούν λεπτές (π.χ. πάχος < 150 μm) γκοφρέτες. Η κοπή πλακών πυριτίου με λέιζερ χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ημιαγωγών για πολλά χρόνια, ειδικά για λεπτές γκοφρέτες (100-200μm) και πραγματοποιείται σε πολλαπλά στάδια: αυλάκωση με λέιζερ, ακολουθούμενη από μηχανικό διαχωρισμό ή μυστική κοπή (π.χ. ακτίνα λέιζερ υπέρυθρης στο εσωτερικό η χάραξη πυριτίου) ακολουθούμενη από μηχανικό διαχωρισμό ταινίας. Το παλμικό λέιζερ νανοδευτερόλεπτο μπορεί να επεξεργαστεί 15 γκοφρέτες ανά ώρα και το λέιζερ picosecond μπορεί να επεξεργαστεί 23 γκοφρέτες ανά ώρα, με υψηλότερη ποιότητα.
03 Κοπή/χαρακτηρισμός γυαλιού στη βιομηχανία αναλώσιμων ηλεκτρονικών
Οι οθόνες αφής και τα προστατευτικά γυαλιά για κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές γίνονται πιο λεπτές και ορισμένα γεωμετρικά σχήματα καμπυλώνονται. Αυτό κάνει πιο δύσκολη την παραδοσιακή μηχανική κοπή. Τα τυπικά λέιζερ παράγουν συνήθως κακή ποιότητα κοπής, ειδικά όταν αυτές οι γυάλινες οθόνες στοιβάζονται σε 3-4 στρώσεις και το προστατευτικό γυαλί πάχους 700 μm είναι σκληρυμένο, το οποίο μπορεί να σπάσει με τοπική πίεση. Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ έχουν αποδειχθεί ότι μπορούν να κόψουν αυτά τα γυαλιά με καλύτερη αντοχή στις άκρες. Για κοπή μεγάλου επίπεδου πάνελ, το λέιζερ femtosecond μπορεί να εστιαστεί στην πίσω επιφάνεια του γυάλινου φύλλου, γρατσουνίζοντας το εσωτερικό του γυαλιού χωρίς να καταστραφεί η μπροστινή επιφάνεια. Το γυαλί μπορεί στη συνέχεια να σπάσει χρησιμοποιώντας μηχανικά ή θερμικά μέσα κατά μήκος του σχεδίου χάραξης.
Εικόνα 3. Κοπή ειδικού σχήματος γυαλιού λέιζερ Picosecond υπερταχείας
04 Υφές πιστονιού στην αυτοκινητοβιομηχανία
Οι ελαφροί κινητήρες αυτοκινήτων είναι κατασκευασμένοι από κράματα αλουμινίου, τα οποία δεν είναι τόσο ανθεκτικά στη φθορά όσο ο χυτοσίδηρος. Μελέτες έχουν βρει ότι η επεξεργασία με λέιζερ femtosecond των υφών του εμβόλου αυτοκινήτου μπορεί να μειώσει την τριβή έως και 25% επειδή τα υπολείμματα και το λάδι μπορούν να αποθηκευτούν αποτελεσματικά.
Εικόνα 4. Επεξεργασία με λέιζερ Femtosecond εμβόλων κινητήρα αυτοκινήτου για βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα
05 Κατασκευή στεφανιαίων στεντ στην ιατρική βιομηχανία
Εκατομμύρια στεφανιαία stents εμφυτεύονται στις στεφανιαίες αρτηρίες του σώματος για να ανοίξουν ένα κανάλι για τη ροή του αίματος σε διαφορετικά θρομβωμένα αγγεία, σώζοντας εκατομμύρια ζωές κάθε χρόνο. Τα στεφανιαία στεντ συνήθως κατασκευάζονται από μεταλλικό πλέγμα (π.χ. από ανοξείδωτο χάλυβα, κράμα μνήμης σε σχήμα νικελίου-τιτανίου ή πιο πρόσφατα κράμα κοβαλτίου-χρωμίου) με πλάτος αντηρίδας περίπου 100 μm. Σε σύγκριση με την κοπή με λέιζερ μεγάλου παλμού, τα πλεονεκτήματα της χρήσης εξαιρετικά γρήγορων λέιζερ για την κοπή βραχιόνων είναι η υψηλή ποιότητα κοπής, το καλύτερο φινίρισμα της επιφάνειας και τα λιγότερα υπολείμματα, γεγονός που μειώνει το κόστος μετά την επεξεργασία.
06 Κατασκευή μικρορευστών συσκευών για την ιατρική βιομηχανία
Οι μικρορευστικές συσκευές χρησιμοποιούνται συνήθως στην ιατρική βιομηχανία για τον έλεγχο και τη διάγνωση ασθενειών. Αυτά συνήθως κατασκευάζονται με χύτευση με μικροέγχυση μεμονωμένων εξαρτημάτων και στη συνέχεια συγκόλληση με κόλληση ή συγκόλληση. Η εξαιρετικά γρήγορη κατασκευή μικρορευστοποιημένων συσκευών με λέιζερ έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής τρισδιάστατων μικροκαναλιών μέσα σε διαφανή υλικά όπως το γυαλί χωρίς την ανάγκη για συνδέσεις. Μια μέθοδος είναι η υπερταχεία κατασκευή λέιζερ μέσα σε ένα χύμα γυαλί που ακολουθείται από υγρή χημική χάραξη και μια άλλη είναι η αφαίρεση με λέιζερ femtosecond μέσα σε γυαλί ή πλαστικό σε απεσταγμένο νερό για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων. Μια άλλη προσέγγιση είναι η μηχανική επεξεργασία καναλιών στην γυάλινη επιφάνεια και η σφράγισή τους με ένα γυάλινο κάλυμμα μέσω συγκόλλησης με λέιζερ femtosecond.
Εικόνα 6. Επιλεκτική χάραξη επαγόμενη από λέιζερ Femtosecond για την προετοιμασία μικρορευστικών καναλιών μέσα σε γυάλινα υλικά
07 Μικροδιάτρηση ακροφυσίου μπεκ
Η μηχανική κατεργασία με μικροτρύπα λέιζερ Femtosecond έχει αντικαταστήσει το micro-EDM σε πολλές εταιρείες στην αγορά των εγχυτήρων υψηλής πίεσης λόγω της μεγαλύτερης ευελιξίας στην αλλαγή των προφίλ οπών ροής και των μικρότερων χρόνων κατεργασίας. Η δυνατότητα αυτόματου ελέγχου της θέσης εστίασης και της κλίσης της δέσμης μέσω μιας κεφαλής σάρωσης έχει οδηγήσει στη σχεδίαση προφίλ ανοιγμάτων (π.χ. κάννη, έκρηξη, σύγκλιση, απόκλιση) που μπορούν να προάγουν την εξαέρωση ή τη διείσδυση στον θάλαμο καύσης. Ο χρόνος διάτρησης εξαρτάται από τον όγκο αφαίρεσης, με πάχος τρυπανιού 0,2 – 0,5 mm και διάμετρο οπής 0,12 – 0,25 mm, καθιστώντας αυτή την τεχνική δέκα φορές ταχύτερη από το micro-EDM. Η μικροδιάτρηση εκτελείται σε τρία στάδια, συμπεριλαμβανομένης της χονδροποίησης και του φινιρίσματος των διαμπερών οπών. Το αργό χρησιμοποιείται ως βοηθητικό αέριο για την προστασία της γεώτρησης από την οξείδωση και για τη θωράκιση του τελικού πλάσματος κατά τα αρχικά στάδια.
Εικόνα 7. Επεξεργασία λέιζερ υψηλής ακρίβειας Femtosecond της ανεστραμμένης κωνικής οπής για μπεκ ψεκασμού κινητήρα ντίζελ
08 Εξαιρετικά γρήγορη υφή με λέιζερ
Τα τελευταία χρόνια, προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια της μηχανικής κατεργασίας, να μειωθούν οι υλικές ζημιές και να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας, ο τομέας της μικρομηχανικής έχει σταδιακά αποτελέσει το επίκεντρο των ερευνητών. Το εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ έχει διάφορα πλεονεκτήματα επεξεργασίας, όπως χαμηλή ζημιά και υψηλή ακρίβεια, η οποία έχει γίνει το επίκεντρο της προώθησης της ανάπτυξης της τεχνολογίας επεξεργασίας. Ταυτόχρονα, τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ μπορούν να δράσουν σε μια ποικιλία υλικών και η ζημιά υλικών επεξεργασίας λέιζερ είναι επίσης μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση. Το υπερταχύ λέιζερ χρησιμοποιείται για την αφαίρεση υλικών. Όταν η ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ είναι υψηλότερη από το κατώφλι αφαίρεσης του υλικού, η επιφάνεια του αποκομμένου υλικού θα εμφανίσει μια δομή μικρο-νανο με ορισμένα χαρακτηριστικά. Η έρευνα δείχνει ότι αυτή η ειδική δομή επιφάνειας είναι ένα κοινό φαινόμενο που συμβαίνει κατά την επεξεργασία υλικών με λέιζερ. Η προετοιμασία επιφανειακών μικρο-νανοδομών μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες του ίδιου του υλικού και επίσης να επιτρέψει την ανάπτυξη νέων υλικών. Αυτό καθιστά την προετοιμασία επιφανειακών μικρο-νανοδομών με εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ μια τεχνική μέθοδο με σημαντική αναπτυξιακή σημασία. Επί του παρόντος, για τα μεταλλικά υλικά, η έρευνα για την υπερταχεία υφή επιφάνειας λέιζερ μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες διαβροχής της επιφάνειας μετάλλων, να βελτιώσει τις ιδιότητες τριβής και φθοράς της επιφάνειας, να ενισχύσει την πρόσφυση της επίστρωσης και τον κατευθυντικό πολλαπλασιασμό και πρόσφυση των κυττάρων.
Εικόνα 8. Υπερυδρόφοβες ιδιότητες επιφάνειας πυριτίου που έχει παρασκευαστεί με λέιζερ
Ως τεχνολογία αιχμής επεξεργασίας, η υπερταχεία επεξεργασία λέιζερ έχει τα χαρακτηριστικά της μικρής ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα, της μη γραμμικής διαδικασίας αλληλεπίδρασης με τα υλικά και της επεξεργασίας υψηλής ανάλυσης πέρα από το όριο περίθλασης. Μπορεί να πραγματοποιήσει υψηλής ποιότητας και υψηλής ακρίβειας μικρο-νανο επεξεργασία διαφόρων υλικών. και κατασκευή τρισδιάστατων μικρο-νανοδομών. Η επίτευξη κατασκευής λέιζερ ειδικών υλικών, πολύπλοκων δομών και ειδικών συσκευών ανοίγει νέους δρόμους για την κατασκευή μικρο-νανο. Επί του παρόντος, το λέιζερ femtosecond έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλά επιστημονικά πεδία αιχμής: το λέιζερ femtosecond μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προετοιμασία διαφόρων οπτικών συσκευών, όπως συστοιχίες μικροφακών, οφθαλμοί βιονικής ένωσης, οπτικούς κυματοδηγούς και μεταεπιφάνειες. Χρησιμοποιώντας την υψηλή ακρίβεια, την υψηλή ανάλυση και τις δυνατότητες τρισδιάστατης επεξεργασίας, το λέιζερ femtosecond μπορεί να προετοιμάσει ή να ενσωματώσει μικρορευστοποιητικά και οπτορευστικά τσιπ, όπως εξαρτήματα μικροθερμαντήρα και τρισδιάστατα κανάλια μικρορευστού. Επιπλέον, το λέιζερ femtosecond μπορεί επίσης να προετοιμάσει διαφορετικούς τύπους επιφανειακών μικρο-νανοδομών για την επίτευξη αντιανακλαστικών, αντιανακλαστικών, υπερ-υδρόφοβων, αντιπαγωτικών και άλλων λειτουργιών. όχι μόνο αυτό, το λέιζερ femtosecond έχει επίσης εφαρμοστεί στον τομέα της βιοϊατρικής, επιδεικνύοντας εξαιρετική απόδοση σε τομείς όπως τα βιολογικά μικρο-stents, τα υποστρώματα κυτταροκαλλιέργειας και η βιολογική μικροσκοπική απεικόνιση. Ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Επί του παρόντος, τα πεδία εφαρμογής της επεξεργασίας λέιζερ femtosecond επεκτείνονται χρόνο με το χρόνο. Εκτός από τα προαναφερθέντα μικρο-οπτικά, μικρορευστήματα, πολυλειτουργικές μικρο-νανοδομές και εφαρμογές βιοϊατρικής μηχανικής, παίζει επίσης τεράστιο ρόλο σε ορισμένα αναδυόμενα πεδία, όπως η προετοιμασία μετα-επιφανειών. , κατασκευή μικρο-νανο και πολυδιάστατη αποθήκευση οπτικών πληροφοριών κ.λπ.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-17-2024
