Přestože ultrarychlé lasery existují již desítky let, průmyslové aplikace v posledních dvou desetiletích rychle rostly. V roce 2019 je tržní hodnota ultrafastlaserový materiálzpracování činilo přibližně 460 milionů USD se složenou roční mírou růstu 13 %. Oblasti použití, kde se ultrarychlé lasery úspěšně používají ke zpracování průmyslových materiálů, zahrnují výrobu a opravy fotomasek v polovodičovém průmyslu, stejně jako řezání křemíkových kostek, řezání/rytí skla a odstraňování filmu (oxid indium cínu) ITO ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní telefony a tablety. , texturování pístů pro automobilový průmysl, výroba koronárních stentů a výroba mikrofluidních zařízení pro lékařský průmysl.
01 Výroba a opravy fotomasek v polovodičovém průmyslu
Ultrarychlé lasery byly použity v jedné z prvních průmyslových aplikací při zpracování materiálů. IBM oznámilo použití femtosekundové laserové ablace při výrobě fotomasek v 90. letech. Ve srovnání s nanosekundovou laserovou ablací, která může způsobit kovový rozstřik a poškození skla, femtosekundové laserové masky nevykazují žádný kovový rozstřik, žádné poškození skla atd. Výhody. Tato metoda se používá k výrobě integrovaných obvodů (IC). Výroba IC čipu může vyžadovat až 30 masek a stát > 100 000 USD. Femtosekundové laserové zpracování dokáže zpracovat čáry a body pod 150nm.
Obrázek 1. Výroba a oprava fotomasky
Obrázek 2. Výsledky optimalizace různých vzorů masek pro extrémní ultrafialovou litografii
02 Řezání křemíku v polovodičovém průmyslu
Drcení křemíkových plátků je standardní výrobní proces v polovodičovém průmyslu a obvykle se provádí pomocí mechanického krájení. Tyto řezné kotouče často vytvářejí mikrotrhliny a je obtížné řezat tenké (např. tloušťky < 150 μm) destičky. Řezání křemíkových plátků laserem se používá v polovodičovém průmyslu již řadu let, zejména u tenkých plátků (100-200μm), a provádí se v několika krocích: laserové drážkování, po kterém následuje mechanické oddělení nebo stealth řezání (tj. infračervený laserový paprsek uvnitř křemíkové rýhování) následované mechanickým oddělením pásky. Nanosekundový pulzní laser dokáže zpracovat 15 waferů za hodinu a pikosekundový laser dokáže zpracovat 23 waferů za hodinu s vyšší kvalitou.
03 Řezání/rytí skla v průmyslu spotřební elektroniky
Dotykové displeje a ochranná skla pro mobilní telefony a notebooky jsou stále tenčí a některé geometrické tvary jsou zakřivené. To ztěžuje tradiční mechanické řezání. Typické lasery obvykle produkují špatnou kvalitu řezu, zvláště když jsou tyto skleněné displeje naskládány 3-4 vrstvy a vrchní ochranné sklo o tloušťce 700 μm je tvrzené, což se může při lokalizovaném namáhání rozbít. Ukázalo se, že ultrarychlé lasery dokážou tato skla řezat s lepší pevností hran. Pro řezání velkých plochých panelů lze femtosekundový laser zaostřit na zadní plochu skleněné tabule a poškrábat vnitřek skla bez poškození předního povrchu. Sklo pak může být rozbito pomocí mechanických nebo tepelných prostředků podél rýhovaného vzoru.
Obrázek 3. Pikosekundové ultrarychlé laserové řezání skla speciálního tvaru
04 Textury pístu v automobilovém průmyslu
Lehké automobilové motory jsou vyrobeny z hliníkových slitin, které nejsou tak odolné proti opotřebení jako litina. Studie zjistily, že zpracování textur automobilových pístů femtosekundovým laserem může snížit tření až o 25 %, protože nečistoty a olej lze efektivně ukládat.
Obrázek 4. Femtosekundové laserové zpracování pístů automobilového motoru pro zlepšení výkonu motoru
05 Výroba koronárních stentů v lékařském průmyslu
Miliony koronárních stentů jsou implantovány do koronárních tepen těla, aby otevřely kanál pro proudění krve do jinak sražených cév, což každý rok zachraňuje miliony životů. Koronární stenty jsou typicky vyrobeny z kovového pletiva (např. nerezová ocel, slitina nikl-titan s tvarovou pamětí nebo nověji slitina kobalt-chrom) s šířkou vzpěry přibližně 100 μm. Ve srovnání s laserovým řezáním s dlouhými pulzy jsou výhody použití ultrarychlých laserů k řezání držáků vysoká kvalita řezu, lepší povrchová úprava a méně nečistot, což snižuje náklady na následné zpracování.
06 Výroba mikrofluidních zařízení pro lékařský průmysl
Mikrofluidní zařízení se běžně používají v lékařském průmyslu pro testování a diagnostiku nemocí. Ty se typicky vyrábějí mikrovstřikováním jednotlivých dílů a následným spojením pomocí lepení nebo svařování. Ultrarychlá laserová výroba mikrofluidních zařízení má tu výhodu, že produkuje 3D mikrokanály v průhledných materiálech, jako je sklo, bez nutnosti spojování. Jednou metodou je ultrarychlá laserová výroba uvnitř velkoobjemového skla následovaná mokrým chemickým leptáním a další je ablace femtosekundovým laserem uvnitř skla nebo plastu v destilované vodě k odstranění nečistot. Dalším přístupem je strojní obrábění kanálků do povrchu skla a jejich utěsnění skleněným krytem pomocí svařování femtosekundovým laserem.
Obrázek 6. Selektivní leptání indukované femtosekundovým laserem pro přípravu mikrofluidních kanálků uvnitř skleněných materiálů
07 Mikrovrtání trysky vstřikovače
Femtosekundové laserové obrábění mikrootvorů nahradilo mikro-EDM u mnoha společností na trhu vysokotlakých vstřikovačů díky větší flexibilitě při změnách profilů průtokových otvorů a kratším dobám obrábění. Schopnost automaticky řídit polohu zaostření a naklonění paprsku prostřednictvím předprocesorové skenovací hlavy vedla k návrhu profilů clony (např. hlaveň, světlice, konvergence, divergence), které mohou podporovat atomizaci nebo pronikání do spalovací komory. Doba vrtání závisí na objemu ablace, s tloušťkou vrtáku 0,2 – 0,5 mm a průměrem otvoru 0,12 – 0,25 mm, díky čemuž je tato technika desetkrát rychlejší než mikro-EDM. Mikrovrtání se provádí ve třech fázích, včetně hrubování a dokončování průchozích otvorů. Argon se používá jako pomocný plyn k ochraně vrtu před oxidací a k odstínění konečného plazmatu během počátečních fází.
Obrázek 7. Femtosekundové laserové vysoce přesné zpracování obráceného kuželového otvoru pro vstřikovač dieselového motoru
08 Ultra rychlé laserové texturování
S cílem zlepšit přesnost obrábění, snížit poškození materiálu a zvýšit efektivitu zpracování se v posledních letech postupně stala oblast mikroobrábění středem zájmu výzkumníků. Ultrarychlý laser má různé výhody zpracování, jako je nízké poškození a vysoká přesnost, což se stalo středem zájmu podpory rozvoje technologie zpracování. Zároveň mohou ultrarychlé lasery působit na různé materiály a poškození materiálu při laserovém zpracování je také hlavním směrem výzkumu. Ultrarychlý laser se používá k ablaci materiálů. Když je hustota energie laseru vyšší než ablační práh materiálu, bude povrch ablatovaného materiálu vykazovat mikro-nano strukturu s určitými vlastnostmi. Výzkum ukazuje, že tato speciální povrchová struktura je běžným jevem, ke kterému dochází při laserovém zpracování materiálů. Příprava povrchových mikro-nano struktur může zlepšit vlastnosti samotného materiálu a také umožnit vývoj nových materiálů. To dělá z přípravy povrchových mikro-nano struktur ultrarychlým laserem technickou metodu s významným vývojovým významem. V současné době u kovových materiálů může výzkum ultrarychlého laserového texturování povrchu zlepšit vlastnosti smáčení kovového povrchu, zlepšit vlastnosti povrchového tření a opotřebení, zlepšit adhezi povlaku a směrovou proliferaci a adhezi buněk.
Obrázek 8. Superhydrofobní vlastnosti laserem připraveného křemíkového povrchu
Jako špičková technologie zpracování má ultrarychlé laserové zpracování vlastnosti malé tepelně ovlivněné zóny, nelineární proces interakce s materiály a zpracování s vysokým rozlišením za hranicí difrakce. Dokáže realizovat vysoce kvalitní a vysoce přesné mikro-nano zpracování různých materiálů. a výrobu trojrozměrné mikro-nano struktury. Dosažení laserové výroby speciálních materiálů, složitých struktur a speciálních zařízení otevírá nové cesty pro mikro-nano výrobu. V současné době je femtosekundový laser široce používán v mnoha špičkových vědeckých oborech: femtosekundový laser lze použít k přípravě různých optických zařízení, jako jsou pole mikročoček, bionické složené oči, optické vlnovody a metapovrchy; díky své vysoké přesnosti, vysokému rozlišení a schopnostem trojrozměrného zpracování může femtosekundový laser připravit nebo integrovat mikrofluidní a optofluidní čipy, jako jsou komponenty mikroohřívačů a trojrozměrné mikrofluidní kanály; femtosekundový laser navíc dokáže připravit různé typy povrchových mikronanostruktur pro dosažení antireflexních, antireflexních, superhydrofobních, protinámrazových a dalších funkcí; nejen to, femtosekundový laser byl také použit v oblasti biomedicíny a vykazuje vynikající výkon v oblastech, jako jsou biologické mikrostenty, substráty pro buněčné kultury a biologické mikroskopické zobrazování. Široké možnosti uplatnění. V současné době se aplikační oblasti zpracování femtosekundovým laserem rok od roku rozšiřují. Kromě výše zmíněné mikrooptiky, mikrofluidiky, multifunkčních mikronanostruktur a aplikací biomedicínského inženýrství hraje obrovskou roli také v některých nově vznikajících oborech, jako je preparace metapovrchů. , mikro-nano výroba a vícerozměrné optické ukládání informací atd.
Čas odeslání: 17. dubna 2024
