Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

Mikro-megmunkálás lézerekkel

Mikro-megmunkálás lézerekkel

http://www.laser-industrial.com/micro_nano_laser_machining.html

A lézeres megmunkálás (vágás, gravírozás) alapjai

Lézeres mikro-megmunkálás alatt értjük a következőket: lézeres vágása, lyukasztása, karcolás (gravírozása), anyageltávolítása, hasítása plasztikoknak, üvegeknek, kerámiáknak. Ezen műveleteknek a nagyságrendje az 1 mikrométertől az 1 milliméterig terjed. A minták vastagsága nem lehet több 1 milliméternél. Lyukasztás esetén a belépő átmérő nagyobb, mint a kilépő. A kúpnak félszöge 3-5 fok.A lézeres megmunkálás felbontóképessége függ a hullámhossztól. A legkisebb elkészíthető lyuk, vagy vágás „átmérője” a hullámhossz kétszerese. Rövid hullámhosszúságú és rövid impulzusú lézerekkel elérhető az 1 μm-es megmunkálási méret.

Lézerek üzemmód szerinti felosztása

- folytonos lézerek (CO2, Ar++)

- impulzus lézerek (CO2, Nd:YAG, XeCl, Ar,F, KrF,.. )

Folytonos lézerek a fényteljesítményük szerint lehetnek

- kis teljesítményű lézerek (néhány milliwatt: szemészet,..)

- nagy teljesítményű lézerek (100 W gravírozáshoz, operációhoz)

Impulzus lézerek az ismétlési frekvencia szerint

- alacsony ismétlési frekvenciájú, nagy impulzus teljesítményű (excimer lézerek)

- nagy ismétlési frekvenciájú, kis impulzus energiájú, nagyon rövid impulzus idejű lézerek (dióda lézer pumpált, Q-kapcsolt Nd:YAG)

A minta megmunkálásának két fő módszere van:

- Közvetlen „írás” (lézer fényt mozgatjuk, pásztázzuk)

- Maszkon keresztül történő megmunkálás

A lézerfény és a minta térbeli viszonya lehet (sík és térbeli megmunkálás esetén)

- a minta x-y mozgatásával

- a lézer „fej” x-y mozgatásával

- mind a kettő térbeli mozgatásával

A lézeres megmunkálás során, többnyire az asztalt számítógépes programmal (CAD/CAM program) vezérelt motorok mozgatják egymásra merőleges irányban:

12.19. ábra - Számítógép vezérelt lézeres felület megmunkáló rendszer sémája

Számítógép vezérelt lézeres felület megmunkáló rendszer sémája

http://www.freepatentsonline.com/6586706.pdf

12.20. ábra - Lézer nyaláb vezérlésével elérhető „lyuk formák”

Lézer nyaláb vezérlésével elérhető „lyuk formák”

http://www.mrl.columbia.edu/ntm/ch04s4.html

A maszk alkalmazásának előnye, hogy kész rajzolatú maszkot (pattern) tudunk mozgatás nélkül alkalmazni. Jó minőségű élek kialakítására van lehetőség, tintasugaras pontosság, (ink jet-type" precision) érhető el (UV excimer lézerek a fotólitográfiában, chip gyártásban )

Felületi megmunkálásnál alkalmazható lézerek

12.3.2. a) Kis ismétlési frekvenciájú (tíz, száz Hz) impulzus üzemben, dióda által pumpált Nd:YAG (neodímiummal szennyezett ittrium alumínium gránát) lézerek(Diode-pumped Solid State Lasers - DPSS) Az alapfrekvencia 1064 nm, ennek kétszerezésével az 532 nm, háromszorozásával a 355 nm, négyszerezésével pedig a 266 nm hullámhosszúságú lézerfény állítható elő. Impulzusainak hossza lehet néhány pikoszekundum, vagy néhány száz femtoszekundum. A microelektronika iparban alkalmazzák (mikro csatornák kialakítására mobil telefonokban vagy más hordozható elektronikai berendezésben) főleg az ultraibolya spektrum tartományban (355 nm, 266 nm).

12.3.2. b) Nagy ismétlési frekvenciájú (1-5 kHz) impulzus DPSS lézerek. Ezek több fő egységből állnak: oszcillátor, regeneratív erősítő, kompresszor. Ezek előnye, hogy nagyon kis energiájú, de nagyon rövid (néhány száz femtoszekundum) impulzusidejű sorozatot bocsátanak ki, ami nem eredményezi a minta felmelegedését, ezért a fokuszált nyaláb nyak átmérőjénél a keletkezett lyuk nem lesz nagyobb. Az ipari lézerrendszer átlag teljesítménye elérheti a néhány wattot. Nagyobb ismétlési frekvencia esetében (50 kHz) elvégezhető a műanyagok vágása, vékony fémfólia lyukasztása, polimerek és kerámiák nem egyforma furatmintáinak az elkészítése.

12.3.2. c) Excimer Lézerek Az ultraibolya excimer lézerek (xenon-klorid XeCl, 308 nm; kripton-fluorid, KrF, 248 nm; argon-fluorid ArF, 193 nm) impulzus lézerek, melyek 20-100 Hz ismétlési frekvenciával működhetnek. Az 1 Joule körüli, és 20-50 ns időtartamú impulzusaik csúcsteljesítménye eléri a a 10-20 MW-ot, a sorozat átlagteljesítménye pedig a 100 W-ot. Alapban alkalmasak műanyagok, üvegek, kerámiák és vékony fémlemezek megmunkálására. Alkalmazzák még a szemészetben és festmények restaurálása terén. Legnagyobb eredményességgel az UV lézeres fotolitográfia terén használják (napjainkban már az ArF lézert) a nagyon kis csík szélességű chip előállítására. Megfelelő leképező rendszerrel elérhető a hullámhosszhoz képest tízszer kisebb csíkszélesség is.

12.3.2. d) Rövid impulzusú CO2 lézer (Széndioxid) (10,6 mikron). Ismétlési frekvenciája 10 kHz, átlag teljesítménye 150-2500 W lehet. Ezzel érhető el vágás, hegesztés terén a legnagyobb megmunkálási sebesség, két nagyságrenddel gyorsabb, mint az excimer lézerekkel, és egy nagyságrenddel jobb, mint a DPSS lézerekkel összeállított rendszerek. Természetesen a fizikai folyamatok a lézer impulzust követően egészen mások az egyes lézerek esetében.

Lézeres megmunkálás eredményei

http://www.laser-industrial.com/micro_machining_examples.html

12.21. ábra - 5-20 μm-es lyukak poliuretánban, kerámiában, műanyagban

5-20 μm-es lyukak poliuretánban, kerámiában, műanyagban

12.22. ábra - Lézeres mikrolyukasztás üvegszálban és kompozit anyagokban

Lézeres mikrolyukasztás üvegszálban és kompozit anyagokban

http://www.laico.com/company-laser-drilling-composite.html

http://www.lpkf.com/applications/laser-micromachining/ceramics/micro-drilling-ceramics.htm

12.23. ábra - Mikrolyukak

Mikrolyukak

http://www.mrl.columbia.edu/ntm/ch04s4.html

Mikrolyukak 1 mm vastag acél lemezben helikális lyukasztási technikával. 40 μm-es lyuk készítése10 ns időtartamú Nd:YAG lézer impulzusokkal.

12.24. ábra - Mikromegmunkálás 4-5 μm-es szélességben az impulzus lézer időtartamától függően

Mikromegmunkálás 4-5 μm-es szélességben az impulzus lézer időtartamától függően

http://www.laser-industrial.com/micro_nano_laser_machining.html