Iako ultrabrzi laseri postoje decenijama, industrijske primjene su brzo rasle u posljednje dvije decenije. U 2019. tržišna vrijednost ultrabrzoglaserski materijalprerada je iznosila oko 460 miliona USD, sa kombinovanom godišnjom stopom rasta od 13%. Područja primjene u kojima su ultrabrzi laseri uspješno korišćeni za obradu industrijskih materijala uključuju proizvodnju i popravku fotomaski u industriji poluprovodnika, kao i kockanje silikona, rezanje stakla/šibanje i (indijev kalaj oksid) uklanjanje ITO filma u potrošačkoj elektronici kao što su mobilni telefoni i tableti. , teksturiranje klipa za automobilsku industriju, proizvodnju koronarnih stentova i proizvodnju mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju.
01 Proizvodnja i popravka fotomaski u industriji poluprovodnika
Ultrabrzi laseri korišteni su u jednoj od najranijih industrijskih primjena u obradi materijala. IBM je prijavio primjenu femtosekundne laserske ablacije u proizvodnji fotomaski 1990-ih. U poređenju sa nanosekundnom laserskom ablacijom, koja može izazvati prskanje metala i oštećenje stakla, femtosekundne laserske maske ne pokazuju prskanje metala, bez oštećenja stakla, itd. Prednosti. Ova metoda se koristi za proizvodnju integrisanih kola (IC). Proizvodnja IC čipa može zahtijevati do 30 maski i koštati >100.000 dolara. Femtosekundna laserska obrada može obraditi linije i tačke ispod 150nm.
Slika 1. Izrada i popravka fotomaske
Slika 2. Rezultati optimizacije različitih uzoraka maski za ekstremnu ultraljubičastu litografiju
02 Rezanje silicijuma u industriji poluprovodnika
Rezanje silikonskih pločica je standardni proizvodni proces u industriji poluvodiča i obično se izvodi mehaničkim kockicama. Ovi rezni točkovi često razvijaju mikropukotine i teško se režu tanke (npr. debljine < 150 μm) pločice. Lasersko rezanje silicijumskih pločica koristi se u industriji poluprovodnika dugi niz godina, posebno za tanke pločice (100-200μm), a izvodi se u više koraka: lasersko urezivanje, nakon čega slijedi mehaničko odvajanje ili skrovito sečenje (tj. infracrveni laserski snop unutar silikonsko scribing) nakon čega slijedi mehaničko odvajanje trake. Nanosekundni pulsni laser može obraditi 15 vafla na sat, a pikosekundni laser može obraditi 23 vafla na sat, uz veći kvalitet.
03 Rezanje/pisanje stakla u industriji potrošne elektronike
Ekrani osetljivi na dodir i zaštitne naočare za mobilne telefone i laptope postaju sve tanji, a neki geometrijski oblici su zakrivljeni. Ovo otežava tradicionalno mehaničko rezanje. Tipični laseri obično proizvode lošu kvalitetu rezanja, posebno kada su ovi stakleni displeji naslagani u 3-4 sloja i gornje 700 μm debelo zaštitno staklo je kaljeno, koje se može slomiti uz lokalizirano opterećenje. Pokazalo se da ultrabrzi laseri mogu rezati ove naočare s boljom snagom rubova. Za sečenje velikih ravnih ploča, femtosekundni laser se može fokusirati na zadnju površinu staklenog lima, grebajući unutrašnjost stakla bez oštećenja prednje površine. Staklo se zatim može razbiti mehaničkim ili termičkim sredstvima duž narezanog uzorka.
Slika 3. Pikosekundno ultrabrzo lasersko rezanje stakla specijalnog oblika
04 Teksture klipa u automobilskoj industriji
Lagani automobilski motori napravljeni su od aluminijskih legura, koje nisu otporne na habanje kao liveno željezo. Studije su otkrile da femtosekundna laserska obrada tekstura klipa automobila može smanjiti trenje do 25% jer se krhotine i ulje mogu efikasno skladištiti.
Slika 4. Femtosekundna laserska obrada klipova automobila automobila za poboljšanje performansi motora
05 Proizvodnja koronarnih stentova u medicinskoj industriji
Milioni koronarnih stentova se implantiraju u koronarne arterije tijela kako bi se otvorio kanal za protok krvi u inače zgrušane sudove, spašavajući milione života svake godine. Koronarni stentovi se obično izrađuju od metalne (npr. nehrđajućeg čelika, legure nikl-titanijuma sa memorijom oblika ili novije legure kobalta i hroma) žičane mreže sa širinom stuba od približno 100 μm. U poređenju sa dugopulsnim laserskim rezanjem, prednosti upotrebe ultrabrzih lasera za rezanje nosača su visok kvalitet rezanja, bolja završna obrada površine i manje otpadaka, što smanjuje troškove naknadne obrade.
06 Proizvodnja mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju
Mikrofluidni uređaji se obično koriste u medicinskoj industriji za testiranje i dijagnozu bolesti. Oni se obično proizvode mikrobrizganjem pojedinačnih dijelova, a zatim spajanjem pomoću lijepljenja ili zavarivanja. Ultrabrza laserska proizvodnja mikrofluidnih uređaja ima prednost proizvodnje 3D mikrokanala unutar prozirnih materijala kao što je staklo bez potrebe za konekcijama. Jedna metoda je ultrabrza laserska proizvodnja unutar staklenog stakla praćena mokrim hemijskim jetkanjem, a druga je femtosekundna laserska ablacija unutar stakla ili plastike u destilovanoj vodi za uklanjanje ostataka. Drugi pristup je obrada kanala u staklenoj površini i njihovo zatvaranje staklenim poklopcem putem femtosekundnog laserskog zavarivanja.
Slika 6. Selektivno jetkanje izazvano femtosekundnim laserom za pripremu mikrofluidnih kanala unutar staklenih materijala
07 Mikro bušenje mlaznice injektora
Femtosekundna laserska obrada mikrorupa zamenila je mikro-EDM u mnogim kompanijama na tržištu injektora visokog pritiska zbog veće fleksibilnosti u promeni profila protočnih rupa i kraćeg vremena obrade. Sposobnost automatske kontrole položaja fokusa i nagiba zraka putem glave za precesiranje dovela je do dizajna profila otvora (npr. cijev, baklja, konvergencija, divergencija) koji mogu promovirati atomizaciju ili prodiranje u komoru za sagorijevanje. Vreme bušenja zavisi od zapremine ablacije, sa debljinom burgije od 0,2 – 0,5 mm i prečnikom rupe od 0,12 – 0,25 mm, što ovu tehniku čini deset puta bržom od mikro-EDM-a. Mikrobušenje se izvodi u tri faze, uključujući grubu obradu i završnu obradu probnih rupa. Argon se koristi kao pomoćni gas za zaštitu bušotine od oksidacije i za zaštitu konačne plazme u početnim fazama.
Slika 7. Femtosekundna laserska visokoprecizna obrada obrnutog konusnog otvora za injektor dizel motora
08 Ultra brzo lasersko teksturiranje
Posljednjih godina, kako bi se poboljšala točnost strojne obrade, smanjila materijalna šteta i povećala efikasnost obrade, područje mikromašinske obrade postepeno je postalo fokus istraživača. Ultrabrzi laser ima različite prednosti obrade kao što su mala oštećenja i visoka preciznost, što je postalo fokus promocije razvoja tehnologije obrade. Istovremeno, ultrabrzi laseri mogu djelovati na različite materijale, a oštećenje materijala za lasersku obradu također je glavni istraživački pravac. Ultrabrzi laser se koristi za ablaciju materijala. Kada je gustoća energije lasera viša od praga ablacije materijala, površina abliranog materijala će pokazati mikro-nano strukturu sa određenim karakteristikama. Istraživanja pokazuju da je ova posebna površinska struktura uobičajena pojava koja se javlja prilikom laserske obrade materijala. Priprema površinskih mikro-nano struktura može poboljšati svojstva samog materijala i omogućiti razvoj novih materijala. Ovo čini pripremu površinskih mikro-nano struktura ultrabrzim laserom tehničkom metodom sa važnim razvojnim značajem. Trenutno, za metalne materijale, istraživanje ultrabrzog laserskog površinskog teksturiranja može poboljšati svojstva vlaženja površine metala, poboljšati površinsko trenje i svojstva habanja, poboljšati adheziju premaza i usmjerenu proliferaciju i adheziju ćelija.
Slika 8. Superhidrofobna svojstva laserski pripremljene silikonske površine
Kao najsavremenija tehnologija obrade, ultrabrza laserska obrada ima karakteristike male zone zahvaćene toplotom, nelinearnog procesa interakcije sa materijalima i obrade visoke rezolucije iznad granice difrakcije. Može da realizuje kvalitetnu i preciznu mikro-nano obradu različitih materijala. i izrada trodimenzionalne mikro-nano strukture. Postizanje laserske proizvodnje specijalnih materijala, složenih struktura i specijalnih uređaja otvara nove puteve za mikro-nano proizvodnju. Trenutno, femtosekundni laser ima široku primenu u mnogim najsavremenijim naučnim oblastima: femtosekundni laser se može koristiti za pripremu različitih optičkih uređaja, kao što su nizovi mikrosočiva, bioničke složene oči, optički talasovodi i metapovršine; koristeći svoju visoku preciznost, visoku rezoluciju i sa mogućnostima trodimenzionalne obrade, femtosekundni laser može pripremiti ili integrirati mikrofluidne i optofluidne čipove kao što su komponente mikrogrijača i trodimenzionalni mikrofluidni kanali; osim toga, femtosekundni laser također može pripremiti različite vrste površinskih mikro-nanostruktura za postizanje antirefleksnih, antirefleksnih, superhidrofobnih, protiv zaleđivanja i drugih funkcija; ne samo to, femtosekundni laser je također primijenjen u polju biomedicine, pokazujući izvanredne performanse u poljima kao što su biološki mikro-stenti, supstrati ćelijske kulture i biološko mikroskopsko snimanje. Široki izgledi za primjenu. Trenutno, polja primjene femtosekundne laserske obrade se iz godine u godinu šire. Uz gore spomenutu mikrooptiku, mikrofluidiku, multifunkcionalne mikro-nanostrukture i primjenu biomedicinskog inženjeringa, također igra veliku ulogu u nekim novonastalim poljima, kao što je priprema metapovršina. , mikro-nano proizvodnja i višedimenzionalno optičko skladištenje informacija, itd.
Vrijeme objave: Apr-17-2024
