Iako ultrabrzi laseri postoje već decenijama, njihova industrijska primjena je u posljednje dvije decenije naglo porasla. U 2019. godini, tržišna vrijednost ultrabrzih...laserski materijalPrerada je iznosila približno 460 miliona američkih dolara, sa složenom godišnjom stopom rasta od 13%. Područja primjene u kojima su ultrabrzi laseri uspješno korišteni za obradu industrijskih materijala uključuju izradu i popravku fotomaski u industriji poluprovodnika, kao i rezanje silicija na kockice, rezanje/crtanje stakla i uklanjanje ITO filma (indijum-kalaj-oksid) u potrošačkoj elektronici kao što su mobilni telefoni i tableti, teksturiranje klipova za automobilsku industriju, proizvodnju koronarnih stentova i proizvodnju mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju.
01 Proizvodnja i popravak fotomaski u industriji poluprovodnika
Ultrabrzi laseri su korišteni u jednoj od najranijih industrijskih primjena u obradi materijala. IBM je izvijestio o primjeni 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, oštećenja stakla itd. Prednosti. Ova metoda se koristi za proizvodnju integriranih kola (IC). Proizvodnja IC čipa može zahtijevati do 30 maski i koštati >100.000 dolara. Femtosekundna laserska obrada može obraditi linije i tačke ispod 150 nm.
Slika 1. Izrada i popravak fotomaske
Slika 2. Rezultati optimizacije različitih uzoraka maski za ekstremnu ultraljubičastu litografiju
02 Rezanje silicija u industriji poluprovodnika
Rezanje silicijumskih pločica je standardni proizvodni proces u industriji poluprovodnika i obično se izvodi mehaničkim rezanjem. Ovi rezni točkovi često razvijaju mikropukotine i teško ih je rezati na tanke (npr. debljine < 150 μm) pločice. Lasersko rezanje silicijumskih pločica se koristi u industriji poluprovodnika već dugi niz godina, posebno za tanke pločice (100-200 μm), i provodi se u više koraka: lasersko urezivanje žljebova, nakon čega slijedi mehaničko odvajanje ili prikriveno rezanje (tj. infracrveni laserski snop unutar silicijumskog graviranja) nakon čega slijedi mehaničko odvajanje trake. Nanosekundni pulsni laser može obraditi 15 pločica na sat, a pikosekundni laser može obraditi 23 pločice na sat, sa višim kvalitetom.
03 Rezanje/oštricanje stakla u industriji potrošne elektronike
Ekrani osjetljivi na dodir i zaštitne naočale za mobilne telefone i laptope postaju tanji, a neki geometrijski oblici su zakrivljeni. To otežava tradicionalno mehaničko rezanje. Tipični laseri obično daju loš kvalitet rezanja, posebno kada su ovi stakleni ekrani složeni u 3-4 sloja, a gornje zaštitno staklo debljine 700 μm je kaljeno, što može slomiti pod lokaliziranim naprezanjem. Pokazalo se da ultrabrzi laseri mogu rezati ova stakla s boljom čvrstoćom rubova. Za rezanje velikih ravnih panela, femtosekundni laser može se fokusirati na stražnju površinu staklene ploče, grebući unutrašnjost stakla bez oštećenja prednje površine. Staklo se zatim može razbiti mehaničkim ili termičkim sredstvima duž urezanog uzorka.
Slika 3. Pikosekundno ultrabrzo lasersko rezanje stakla specijalnog oblika
04 Teksture klipova u automobilskoj industriji
Lagani automobilski motori izrađeni su od aluminijskih legura, koje nisu toliko otporne na habanje kao liveno gvožđe. Studije su pokazale da femtosekundna laserska obrada tekstura klipova automobila može smanjiti trenje do 25% jer se ostaci i ulje mogu efikasno skladištiti.
Slika 4. Femtosekundna laserska obrada klipova automobilskih motora radi poboljšanja performansi motora
05 Proizvodnja koronarnih stentova u medicinskoj industriji
Milioni koronarnih stentova implantiraju se u koronarne arterije tijela kako bi se otvorio kanal za protok krvi u inače začepljene krvne sudove, spašavajući milione života svake godine. Koronarni stentovi se obično izrađuju od metalne (npr. nehrđajućeg čelika, legure nikl-titanijuma sa memorijom oblika ili, u novije vrijeme, legure kobalt-hroma) žičane mreže sa širinom šipke od približno 100 μm. U poređenju sa laserskim rezanjem dugim pulsom, prednosti korištenja ultrabrzih lasera za rezanje bravica su visok kvalitet rezanja, bolja završna obrada površine i manje ostataka, što smanjuje troškove naknadne obrade.
06 Proizvodnja mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju
Mikrofluidni uređaji se često koriste u medicinskoj industriji za testiranje i dijagnosticiranje bolesti. Obično se proizvode mikro-brizganjem pojedinačnih dijelova, a zatim spajanjem lijepljenjem ili zavarivanjem. Ultrabrza laserska izrada mikrofluidnih uređaja ima prednost proizvodnje 3D mikrokanala unutar prozirnih materijala poput stakla bez potrebe za spajanjem. Jedna metoda je ultrabrza laserska izrada unutar stakla nakon čega slijedi mokro hemijsko nagrizanje, a druga je femtosekundna laserska ablacija unutar stakla ili plastike u destiliranoj vodi radi uklanjanja ostataka. Drugi pristup je mašinsko izrezivanje kanala u staklenu površinu i njihovo zatvaranje staklenim poklopcem putem femtosekundnog laserskog zavarivanja.
Slika 6. Selektivno nagrizanje izazvano femtosekundnim laserom za pripremu mikrofluidnih kanala unutar staklenih materijala
07 Mikro bušenje mlaznice injektora
Femtosekundna laserska obrada mikrorupa zamijenila je mikro-EDM u mnogim kompanijama na tržištu injektora visokog pritiska zbog veće fleksibilnosti u promjeni profila rupa za protok i kraćeg vremena obrade. Mogućnost automatske kontrole položaja fokusa i nagiba snopa kroz precesnu glavu za skeniranje dovela je do dizajna profila otvora (npr. cijev, proširenje, konvergencija, divergencija) koji mogu promovirati atomizaciju ili prodiranje u komoru za sagorijevanje. Vrijeme bušenja ovisi o volumenu ablacije, s debljinom svrdla od 0,2 – 0,5 mm i promjerom 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 i završnu obradu prolaznih pilot rupa. Argon se koristi kao pomoćni plin za zaštitu bušotine od oksidacije i za zaštitu konačne plazme tokom početnih faza.
Slika 7. Visokoprecizna obrada inverznog konusnog otvora za injektor dizel motora femtosekundnim laserom
08 Ultra brzo lasersko teksturiranje
Posljednjih godina, kako bi se poboljšala tačnost obrade, smanjilo oštećenje materijala i povećala efikasnost obrade, područje mikroobrade postepeno je postalo fokus istraživača. Ultrabrzi laser ima različite prednosti obrade, kao što su mala oštećenja i visoka preciznost, što je postalo fokus razvoja tehnologije obrade. Istovremeno, ultrabrzi laseri mogu djelovati na različite materijale, a laserska obrada oštećenja materijala također je glavni smjer istraživanja. Ultrabrzi laser se koristi za ablaciju materijala. Kada je gustoća energije lasera veća od praga ablacije materijala, površina abliranog materijala će pokazati mikro-nano strukturu s 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, a također omogućiti razvoj novih materijala. To čini pripremu površinskih mikro-nano struktura ultrabrzim laserom tehničkom metodom od važnog razvojnog značaja. Trenutno, za metalne materijale, istraživanja ultrabrzog laserskog teksturiranja površine mogu poboljšati svojstva kvašenja metalne površine, poboljšati površinsko trenje i svojstva habanja, poboljšati prianjanje premaza te usmjerenu proliferaciju i prianjanje ćelija.
Slika 8. Superhidrofobna svojstva laserski pripremljene površine silicija
Kao vrhunska tehnologija obrade, ultrabrza laserska obrada ima karakteristike male zone utjecaja topline, nelinearnog procesa interakcije s materijalima i obrade visoke rezolucije izvan granice difrakcije. Može ostvariti visokokvalitetnu i visokopreciznu mikro-nano obradu različitih materijala i izradu trodimenzionalnih mikro-nano struktura. Postizanje laserske proizvodnje specijalnih materijala, složenih struktura i specijalnih uređaja otvara nove mogućnosti za mikro-nano proizvodnju. Trenutno se femtosekundni laser široko koristi u mnogim vrhunskim naučnim oblastima: femtosekundni laser može se koristiti za pripremu različitih optičkih uređaja, kao što su nizovi mikroleća, bioničke složene oči, optički talasovodi i metapovršine; koristeći svoju visoku preciznost, visoku rezoluciju i trodimenzionalne mogućnosti obrade, femtosekundni laser može pripremiti ili integrirati mikrofluidne i optofluidne čipove kao što su komponente mikrogrijača i trodimenzionalni mikrofluidni kanali; Osim toga, femtosekundni laser može pripremiti različite vrste površinskih mikro-nanostruktura kako bi se postigle antirefleksne, antirefleksne, superhidrofobne, anti-iceing i druge funkcije; ne samo to, femtosekundni laser je primijenjen i u oblasti biomedicine, pokazujući izvanredne performanse u poljima kao što su biološki mikro-stentovi, supstrati za ćelijske kulture i biološko mikroskopsko snimanje. Široki izgledi za primjenu. Trenutno se područja primjene femtosekundne laserske obrade šire iz godine u godinu. Pored gore spomenute mikro-optike, mikrofluidike, multifunkcionalnih mikro-nanostruktura i primjena u biomedicinskom inženjerstvu, on također igra veliku ulogu u nekim novim poljima, kao što su priprema metapovršina, proizvodnja mikro-nano i višedimenzionalno optičko skladištenje informacija itd.
Vrijeme objave: 17. april 2024.
