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飞秒激光给先进工业制造带来最高品质与效率

来源:激光制造商情

  发布:Johnny

关键词:飞秒激光 工业制造

2017-12-11

 Victor Matylitsky, Frank Hendricks

Spectra-Physics, Feldgut 9, Rankweil 6830, Austria

 

摘要

数十微焦(μJ)脉冲能量的高平均功率、高重复频率的飞秒激光被广泛用于生物医疗和材料加工的应用中。飞秒激光在材料加工中独一无二的优点在于它高效、快速和局部的能量积沉,使其能在几乎所有的固体材料加工中达到高效和精确的烧蚀。在本篇论文中,我们将会讲解微加工应用的整体情况,通过Spectra-Physics公司的高功率与高能量Spirit® HE激光器。特别是,高效、高质量的激光加工在生物可吸收聚合物与玻璃材料的应用条件产生的影响。

1.简介

飞秒激光系统在很多材料加工应用中展示了它们的潜力。飞秒激光独特的优势,如高烧蚀效率与金属烧蚀结构精度以及电极目标已被许多研究证实。尽管加工质量达到了工业级需求,为了飞秒激光在工业应用中更加经济,其加工效率还是有待提高[1,2]。为了使零件加工快速同时成本效益高,就需要高平均功率、高重复频率的飞秒激光系统。此外,激光系统必须足够稳定耐用以承受生产车间的加工需求。对于符合工业标准的激光器,稳定性和可靠性是十分重要的两个特质。引进了飞秒激光器后,例如由Spectra-Physics开发的Spirit®平台,使用飞秒激光进行多种材料微加工,可以为工业应用带来全新的视角。[3-5]。

本文将讨论飞秒激光在工业中的两种应用。首先将展示的是生物可吸收聚合物的微加工,常常用于生物可降解支架的生产。加工参数包括脉冲宽度,激光重复率,激光波长和激光脉冲能量等对激光加工应用于生物可吸收聚左乳酸聚合物的效率和质量的影响已有很多研究。

第二个在本文中要讨论的飞秒激光应用,是用非烧蚀激光加工透明材料。此次将展示一种非烧蚀性飞秒工艺,由Spectra-Physics开发的ClearShapeTM,用于以最高质量和速度来加工透明、脆性材料。

 

 

 

 

 

2. 激光系统

本论文展示的结论是通过使用Spectra-Physics的Spirit® HE激光器进行试验而得出。

Spirit®HE激光器的紧凑型设计坚固耐用,可靠性高,脉冲持续时间<400 fs,脉冲能量> 120μJ,平均输出功率高达30 W. 这款激光器在520和1040 nm波长、340 飞秒到10皮秒之间有可编程脉冲能量,重复率和脉冲宽度的工艺灵活性。Spirit® HE激光器的一个非常实用的特征是微加工应用中的突发脉冲模式运行。飞秒脉冲能以突发脉冲串的形式出现,可以承受多达20个脉冲。一个突发脉冲里的脉冲之间的时间宽度约为13纳秒,一个突发脉冲中的脉冲数量和强度轮廓是可以控制的。

 

 

3. 应用

3.1. 可植入支架的微加工

几乎从一开始,支架制造就运用了纳秒激光切割技术。然而,纳秒激光与金属的相互热作用通常使加工完的金属表面达不到最理想,毛刺、熔化和重铸都是激光熔融切割的标准特征。此外,材料中热积沉在切口旁边产生了热影响区(HAZ)。在热影响区中,材料的物性或构成会被改变。因此,清洁、去毛刺、蚀刻和最终抛光因此也被纳入常规加工工序中,使支架表面性能达到植入设备标准水平,而通过使用飞秒激光进行支架加工可以避免一些前面提到的后加工步骤。图1显示了由Spirit®激光加工的镍钛诺微型支架。关键特点包括严密的加工公差、无热影响区,脆性晶格结构无热诱导变形,以及非常干净的切割边缘。

 

 

 

 

生物可吸收材料是一类非常有趣的化合物,因为它们可以随着时间的推移被人体所吸收[6]。用生物可吸收材料做出的支架有助于避免一些使用金属支架时会产生的内科并发症。生物可吸收聚合物在生物可降解支架生产中的应用已经持续不断地在引起外界对生物可吸收聚合物微加工的关注。用何种激光加工支架取决于材料种类与切割细节,由于生物可吸收聚合物的熔点很低(通常低于200 C°),激光加工时周围环境的任何热负荷都应该减少到最低。由于激光材料耦合的非热性质以及构造非常小的微米尺度的可能性,因此使用超快激光脉冲用于生物可吸收聚合物的微加工是非常适合的。

 

Spirit®HE激光系统已被用于研究通过单扫描消融来切割80μm厚的生物可吸收材料聚左乳酸(PLLA)带的可行性。使用光学显微镜研究了加工质量,图3总结了在无热式(无HAZ,无熔融,无重铸等)机器框架内最大切割速度,波长和脉冲宽度值都是实验中用到的函数关系。为了提高激光切割性能,要使用6巴压力的氦气作为辅助气体。

 

 

 

结果显示,切口效果和最大切割速度很大程度上取决于选择用于加工PLLA材料的激光参数,使用波长520nm、脉冲能量44µJ、340飞秒的激光脉冲切割厚度为80µm的PLLA带,最大切割速度可达到每秒50mm。获得的结果强调了Spirit®HE用于聚合物切割应用时的高脉冲能量的重要性,50mm/s的切割速度比以前的Spirit ®1040-8-SHG激光器高3倍以上,后者在520nm处具有最大脉冲能量为20μJ[5]。

 

3.2. 透明、脆性材料切割

 

虽然飞秒直接消融方法提供了高质量的激光切割,但在玻璃材料的情况下,我们的研究结果表明,300μm和1mm之间厚度的切割速度低于1mm/s[7],显然这对制造商们并无太大吸引力。由Spectra-Physics开发并拥有专利的基于非烧蚀方法的ClearShape™工艺,与直接消融技术相比,可以提高速度并进一步提高质量。

 

 

例如,切割康宁的厚度为0.55毫米化学强化大猩猩玻璃,应力层深度(DOL)为20μm,速度可达4米/秒。除了切削自由边缘,使用ClearShape工艺实现了激光切割(由截面的平均粗糙度定义)<0.1μm的质量(见图四,左)。非常高的切割质量使在玻璃的四点弯曲试验期间达到了700MPa的极高的弯曲强度,而无须任何后处理步骤(图4,右)。

除了化学强化和非强化的玻璃之外,还可以加工透明材料如蓝宝石和碳化硅。在我们以前的论文中也探讨过ClearShape加工来实现直线或曲线切割的加工[5]。

4. 结论

生物可吸收材料在支架制造中越来越受欢迎。生物可吸收的PLLA聚合物的激光烧蚀是使用了340飞秒,800飞秒和10皮秒激光脉冲来进行试验,无热切割的最大可能速度值作为激光加工中的激光脉冲的波长与脉宽的函数,是可以从实验中得到的。我们已经实现了高质量、无热加工结果,使用Spectra-Physics的波长为520nm的Spirit®HE激光系统可以实现加工80μm厚的PLLA带高达50mm/s的最大切割速度。此外,我们的实验表明,生物可吸收聚合物的切割速度可以在施加高能飞秒脉冲而不损失质量的情况下增加。根据实验的结果,脉冲能量高于40μJ的520 nm的较短脉冲(约340 fs)对生物吸收性聚合物的激光微加工具有很高的加工效率和质量。

 

通过应用Spectra-Physics开发的ClearShapeTM工艺, Spirit®HE飞秒激光也用于切割透明,脆性材料如玻璃、蓝宝石和碳化硅。该加工可以通过使用波长为1040nm的相对低的平均功率<4W来切割玻璃,从而不需要更难以处理的高功率、高次谐波的激光辐射,例如绿色或紫外激光。我们的研究结果表明,Spirit飞秒激光与新颖的ClearShape工艺相结合,为客户所需的最高加工速度下的各种透明、脆性材料的最高质量加工提供了最佳解决方案。

 

参考文献

1. Dausinger, F., Lichter, F., Lubatschowski, H., 2004. in „Femtosecond Technology for Technical and Medical Applications”, Springer.

2. König, J., Nolte, S., Tünnermann, A., 2005 Plasma evalution during metal ablation with ultrashort laser pulses, Optics Express 13, 10597-10607.

3. Matylitsky, V.V., Kubis, P., Brabec, C.J., Aus der Au, J., 2012. High Q femtoREGEN™ UC laser systems for industrial micro-processing applications, Proceedings of SPIE 8247, 82470H-1-7.

4. Hendricks, F., Patel, R., and Matylitsky, V.V., 2015. Micromachining of bio-absorbable stents with ultra-short pulse lasers. Proceedings of SPIE 9355, 935502

5. Matylitsky, V.V., Hendricks, F., 2015. Femtosecond laser machining of transparent, brittle materials: ablative and non-ablative femtosecond laser processing. Proceedings of ICALEO 2015, Atlanta, USA, paper M405.

6. Wang, Y., Castro, D., Limon, T., and Rapoza, R., 2012. Bioabsorbable stent development: the past, present, and future. Int Med Devices Conf Exposition. 7, 1-8

7. Hendricks, F., Aus der Au, J., Matylitsky, V.V., 2014. High Aspect Ratio Microstructuring of Transparent Dielectrics using Femtosecond Laser Pulses: Method for Optimization of the Machining Throughput, Appl. Phys. A 117, 149-153.