Laser GEOFF SHANNON Siêu nhanh (còn được gọi là laser siêu ngắn) cung cấp khả năng xử lý vật liệu độc đáo vì thời gian xung của laser nhỏ hơn thời gian dẫn của vật liệu đích. Về cơ bản, điều này có nghĩa là gia công nguội các bộ phận là có thể, với vật liệu được loại bỏ bằng thăng hoa. Phương pháp gia công bay hơi này cung cấp các ưu điểm mà không thể được sản xuất bởi bất kỳ quy trình nào khác, bao gồm cả hiệu ứng nhiệt gần bằng không; các vết bẩn và mảnh vụn tối thiểu, làm giảm hoặc loại bỏ hậu xử lý; độ chính xác cao; và khả năng sản xuất các tính năng nhỏ chất lượng cao bằng kim loại, nhựa, gốm và thủy tinh. Tuy nhiên, các hệ thống này đắt tiền, vì vậy việc lựa chọn laser và hệ thống phải được xem xét cẩn thận.
Thời gian xung ngắn hơn thúc đẩy sự quan tâm
Giống như rất nhiều công nghệ laser khác, laser cực nhanh đã xuất hiện trong phòng thí nghiệm nghiên cứu. Tuy nhiên, không lâu sau thời gian xung laser cực nhanh (ngắn hơn đáng kể so với laser nano giây thương mại) đã thu hút sự quan tâm của nó đối với việc sử dụng vi xử lý và xử lý vật liệu. Khả năng xử lý hầu như bất kỳ vật liệu nào gần như không có chữ ký nhiệt nào cung cấp một công cụ sản xuất độc đáo cho phép đổi mới và phát triển sản phẩm. Trong một số trường hợp, nó thậm chí còn dẫn đến giảm chi phí.
Các laser siêu nhanh được chia thành hai loại chính. Một picosecond laser phát ra xung quang với xung xung quanh 10ps — chỉ hơn một phần nghìn (10 -12 ) giây, hoặc một phần triệu của một micro giây. Một laser femto giây phát ra các xung xung quanh 400fs - nhỏ hơn một phần nghìn tỷ của một giây trong thời gian.
Điều đáng chú ý là thuật ngữ "cực nhanh" không đề cập đến tỷ lệ loại bỏ vật liệu. Trong thực tế, hoàn toàn ngược lại là sự thật, đó là lý do tại sao những laser này vượt trội trong việc xử lý độ dày vật liệu <250µm. Vật liệu dày hơn có thể được xử lý, nhưng nếu như vậy, người ta phải xem xét thời gian chu kỳ chặt chẽ hơn.
Sự khác biệt về xử lý giữa laser picosecond và femtosecond có thể trong một số trường hợp rất tinh tế, và ở những người khác rất rõ ràng. Khi được sử dụng để xử lý kim loại, sự khác biệt là tinh tế - laser femtosecond cung cấp băm không đỉnh với các tính năng được xác định tốt hơn một chút và độ nhám bề mặt thấp hơn. Laser femtosecond cũng có thể xử lý nhiều loại nhựa hơn. Laser Picosecond thường yêu cầu bước sóng xanh hoặc tia cực tím (UV) để xử lý nhựa hiệu quả. So sánh chất lượng giữa picosecond và femtosecond phụ thuộc vào vật liệu. Khi chất lượng tốt nhất tuyệt đối là cần thiết, femtosecond là sự lựa chọn rõ ràng. Tuy nhiên, laser picosecond có xu hướng máy nhanh hơn, do đó, câu hỏi trở thành, "Làm thế nào tốt là đủ tốt cho quá trình này?"
Hiểu được tia laser nào hoạt động tốt nhất cho ứng dụng chỉ có thể được xác định thông qua kiểm tra bộ phận. Là một phần của việc xác định ứng dụng và hệ thống, Amada Miyachi America thường chạy các mẫu trên cả hai laser femto giây và picosecond và trên nhiều bước sóng cho cả hai laser, khi cần thiết.
Phân tích chất lượng quá trình, tỷ lệ loại bỏ và thời gian chu kỳ cần được cân nhắc cẩn thận giữa hai laser. Giá thông thường của một hệ thống laser cực nhanh nằm trong khoảng từ $ 400,000 trở lên. Vì vậy, trước khi bắt tay vào con đường đó, người dùng nên hiểu rõ lợi tức đầu tư (ROI) của họ để họ có thể biện minh cho đầu tư về giảm chi phí, khả năng xử lý duy nhất hoặc trong nhiều trường hợp — cả hai. Quyết định cuối cùng mà một trong những quyết định lựa chọn được thực hiện sau một quá trình lặp đi lặp lại, thường bao gồm một số các phần chạy ngắn của các bộ phận.
Hình 1 so sánh các picosecond và femtosecond laser gia công một kênh rộng 100µm bằng kim loại. Sử dụng phương pháp loại bỏ vật liệu tương tự và thời gian chu kỳ, laser femtosecond tạo ra các cạnh sạch hơn và cơ sở mượt mà hơn.
Hình 1. Kết quả từ laser picosecond (trái) và femtosecond (phải) gia công một kênh rộng 100µm bằng kim loại.
Các lựa chọn bước sóng cực nhanh cho thấy
cả hai picosecond và femtosecond laser cung cấp các lựa chọn bước sóng trong hồng ngoại (IR), xanh lá cây và UV. Một số bước sóng hoạt động tốt nhất cho các vật liệu cụ thể và / hoặc người ta cũng có thể chọn bước sóng dựa trên kích thước tính năng cụ thể được yêu cầu. Kích thước điểm lấy nét nhỏ nhất có thể đạt được có liên quan trực tiếp đến bước sóng. Vì vậy, nếu tất cả mọi thứ đều bình đẳng, tia laser UV sẽ tập trung vào một kích thước điểm một phần ba đường kính của một tia hồng ngoại. Trong cuộc thảo luận này, chúng tôi đề cập đến bước sóng theo tên (IR) thay vì một số bước sóng (1030nm), vì các công nghệ laser khác nhau hoạt động ở các bước sóng hơi khác nhau.
Mỗi laser femto giây và picosecond có thể được cung cấp với nhiều bước sóng có sẵn từ một laser đơn. Tùy chọn này thường được sử dụng nhiều hơn cho nghiên cứu và phát triển hơn là các hệ thống sản xuất, trong đó các máy sử dụng điểm bước sóng đơn được sử dụng cho một vật liệu và quy trình cụ thể. Ví dụ về các bước sóng khác nhau quan trọng bao gồm IR pic giây để cắt kính và màu xanh lá cây picosecond cho nhựa y tế như PEBAX.
Việc sử dụng và đối số cho các bước sóng khác nhau phù hợp với các vật liệu khác nhau ít rõ ràng hơn đối với các laser femto giây. Nhiều người ban đầu nghĩ rằng sự phụ thuộc vào sự hấp thụ bình thường đối với bước sóng sẽ không còn áp dụng với thời gian xung ngắn như vậy, và rằng "sự hấp thụ đa photon" sẽ thống trị. Điều này đã không được chứng minh là trường hợp đối với một số loại nhựa - stent polymer là một ví dụ tốt. Không chỉ chất lượng xử lý và tốc độ cắt tốt hơn khi sử dụng màu xanh lá cây femtosecond, nhưng cửa sổ xử lý cũng lớn hơn bằng màu xanh lá cây so với IR. Khi gia công các tính năng nhỏ hoặc mù trên nhựa xuống đến mức micron, bước sóng xanh có thể cung cấp một quy trình ổn định hơn.
Hình 2. Một so sánh của terephthalate polyethylene mù (PET) với picosecond IR (trái) và picosecond UV (phải)
Hình 2 cho thấy một so sánh của terephthalate polyethylene mù (PET) với picosecond IR (trái) và picosecond UV (bên phải). Thời gian xử lý giống nhau - độ sâu lỗ gấp ba lần tốt hơn cho picosecond UV, với ít charring hơn. Lý do duy nhất để chọn một bước sóng khác nhau cho cả xử lý laser hai giây và femtosecond của kim loại sẽ là kích thước tính năng. Từ góc độ xử lý, có rất ít sự khác biệt giữa IR, xanh lá cây và UV. BẢNG 1 cung cấp tổng quan chung về lựa chọn bước sóng tốt nhất cho các vật liệu cụ thể.
Tích hợp laser cực nhanh vào sản xuất
Tính năng chính của laser siêu nhanh là khả năng xử lý vật liệu của nó với độ chính xác cao. Do đó, yêu cầu hệ thống đầu tiên là hỗ trợ mức độ chính xác đó. Tuy nhiên, tất cả các phần cứng tốt nhất trên thế giới sẽ không cung cấp một hệ thống ổn định nếu môi trường mà hệ thống được đặt không ổn định - đặc biệt cho phương sai nhiệt độ. Trong thế giới micron của độ chính xác, chênh lệch nhiệt độ vượt quá một vài độ sẽ gây ra các vấn đề không chỉ cho đồ đạc và các giai đoạn, mà còn cho sự ổn định chỉ của laser. Ví dụ, mỗi mức độ thay đổi nhiệt độ Celsius sẽ thay đổi chiều dài nhôm 300mm bằng 7µm. Do đó, các máy cần phải được đặt trong một không gian được kiểm soát tốt và có máy lạnh.
Một hệ thống laser cực nhanh bao gồm một số yếu tố: laser, một con đường quang học để cung cấp laser cho quang học lấy nét, tập trung quang học, chuyển động, tầm nhìn, kiểm soát mảnh vụn và dụng cụ. Mỗi phải được xem xét cẩn thận như là một phần của giải pháp hệ thống tối ưu.
Tia laser được hướng dẫn tới quang học lấy nét bằng cách sử dụng gương và bộ giãn nở chùm tia thay đổi, cung cấp sự linh hoạt trong việc thay đổi đường kính chùm tia thành ống kính lấy nét và do đó kích thước của điểm lấy nét. Có hai lý do là cần thiết. Đầu tiên, mỗi đầu ra của laser hơi khác một chút, do đó, trừ khi quá trình này đủ điều kiện với cùng một laser được sử dụng với hệ thống, có thể sử dụng bộ giãn nở chùm biến để điều chỉnh kích thước điểm lấy nét cuối cùng. Thứ hai, chủ yếu là đối với các máy thiết lập linh hoạt, bộ giãn nở dầm biến có thể thay đổi kích thước điểm lấy nét cho các ứng dụng khác nhau.
Việc biết và duy trì vị trí tập trung vào phần này là rất quan trọng bởi vì trong nhiều trường hợp, độ sâu lấy nét của laser hoặc zdung sai chiều cao có thể <250µm. Nếu công cụ không thể duy trì sự khoan dung này, các cảm biến khoảng cách laser không tiếp xúc có thể được sử dụng để đóng vòng lặp với một giai đoạn z để giữ phần lấy nét.
Ống kính lấy nét có thể là đầu lấy nét cố định hoặc đầu quét. Người đứng đầu tiêu cự cố định tập trung các chùm chỉ và dựa vào các giai đoạn để di chuyển một phần hoặc bản thân, trong khi người đứng đầu quét có gương chuyển động nhỏ mà đạo chùm trong một kích thước nhất định xykhu vực và cũng tập trung laser. Ưu điểm của đầu quét là nó có thể di chuyển laser rất nhanh qua các khu vực nhỏ, thường được yêu cầu cho nhiều ứng dụng vi gia công. Tất cả các giai đoạn luôn là ổ đĩa tuyến tính. Đối với đầu quét, phần vẫn giữ cố định trong khi xử lý, nhưng có thể được lập chỉ mục đến một vùng xử lý khác nếu cần. Khu vực đầu quét có thể xử lý thường tương đối nhỏ — khoảng 40 × 40mm. Điều quan trọng là chọn đầu quét có phản hồi kỹ thuật số. Nếu không, các lỗi vị trí (đặc biệt là từ trôi dạt nhiệt) có thể thực sự đẩy lên các dung sai xử lý vị trí.
Để xử lý các tính năng chính xác nơi chúng cần, máy nhìn thường là một phần không thể tách rời của các hệ thống này. Tầm nhìn trong chính nó có thể yêu cầu phát triển đáng kể đối với độ phân giải của máy ảnh, kiểu ánh sáng và bước sóng. Trong hầu hết các trường hợp, các đối tượng địa lý có thể được đặt ở vị trí mục tiêu ± 5µm và thậm chí tốt hơn khi vị trí chính xác gần vị trí của đối tượng địa lý. Như đã nói trước đó, có thể có một số người lang thang của laser, vì vậy điều này cũng phải được xem xét. Một thủ tục datum là cần thiết để biết chùm tia ở đâu trong không gian.
Quản lý các mảnh vụn là một khía cạnh của các hệ thống này có thể dễ dàng bị bỏ qua. Trường hợp nào tất cả các tài liệu bị loại bỏ đi, và không quan trọng nếu nó đất trở lại trên một phần? Các laser siêu nhanh tạo ra các hạt nano có xu hướng bị tính phí, và do đó có khuynh hướng dính vào các bề mặt. Trong một số trường hợp, các hạt này có thể được làm sạch bằng cách sử dụng bồn tắm siêu âm, nhưng trong các trường hợp khác, hệ thống có thể yêu cầu sử dụng phương pháp chiết xuất - có thể sử dụng nhiều phương pháp chiết xuất.
Như với bất kỳ quá trình chính xác nào, công cụ là một yếu tố quan trọng. Đối với các bộ phận phẳng mỏng, mâm cặp chân không thường được sử dụng. Các bộ phận không phẳng thường cần dụng cụ tùy chỉnh. Trong mỗi trường hợp, các tính năng vị trí và tính năng ủy thác có thể được sử dụng cho vị trí một phần và vị trí tính năng đối với các hệ thống thị giác.
Tóm tắt nhu cầu hệ thống
Trước khi chuyển sang thực hiện hệ thống, người ta phải đáp ứng một số cột mốc, bao gồm tính khả thi của ứng dụng, phát triển ứng dụng cho sản xuất, sản xuất đủ số bộ phận tiền sản xuất và quan trọng nhất là phát triển một giải pháp công nghệ rõ ràng cho máy sản xuất. Có giá trị trong việc hoàn thành các bước này với một công ty duy nhất, bởi vì khái niệm hệ thống và thiết kế được thực hiện từ các kiến thức cơ bản liên quan đến việc phát triển quy trình ứng dụn