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飞秒激光钻孔,可以加工30微米以下的高精度小孔!

来源:金属加工

  发布:cici

关键词:飞秒激光 激光机

2018-01-08

 说到钻孔技术,上次小编给大家介绍了一下超微钻头直径0.01,长100,这个超微钻头为什么这么牛?!不过科学技术发展到现在,超微钻头已经不算什么了?


飞秒激光钻孔技术,那才更牛,可以加工30微米以下的高精度小孔!


好吧!金属加工小编今天就给金粉们分享一下这个技术吧!


飞秒激光钻孔简介


所谓飞秒激光钻孔,即使用频率非常高的激光对材料进行钻孔,飞秒是时间单位,1飞秒等于一千万亿分之一秒,相对于传统激光加工设备,飞秒激光由于脉冲时间极短,被加工物体不会被加热,特别适合加工30微米以下的高精度小孔。


对于飞秒激光而言,脉冲作用时间已经实际小于1 ps,电子没有足够的时间将能量传递给晶格。从而在材料表面生成众多等离子体,能量伴随着材料的去除而消散,因此出现强烈的烧蚀效果。


用飞秒激光进行加工,激光脉冲能量极快地注入很小的作用区域,瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化,从根本上改变了激光与物质相互作用机制。


2飞秒激光的作用原理


飞秒激光作用于金属和非金属加工时原理完全不同,金属表面存在大量的自由电子,当激光照射金属表面时,自由电子会瞬间被加热,数十飞秒内让电子电子发生碰撞,自由电子将能量传道给晶格,形成开孔。但由于自由电子碰撞的能量要比离子小的多,所以传导能量需要较长时间,但目前该难题已被我国科学家攻克。


在飞秒激光作用于非金属材料时,由于材料表面自由电子较少,激光照射时先要使得材料表面电离,进而产生自由电子,剩下的环节与金属材料一致。飞秒激光加工微孔时,在初级阶段先形成一个小坑,随着脉冲数量的增多,坑深度不断增加,但随着深度的增加,坑底的碎屑飞出的难度也越来越大,导致激光向底部传播的能量越来越少,最终达到深度不可增加的饱和状态,即打完一个微孔。


3飞秒激光新技术应用


飞秒激光新技术应用刚刚兴起,主要应用行业包括: 半导体产业、太阳能产业(特别是薄膜技术)、平面显示产业、合金微铸造、精确孔径和电极结构加工、航空难材料加工、医疗设备等领域!


在中国制造2025的大战略背景下,传统工业制造业面临深度转型,其中一个方向就是效率提升的同时转向附加值更高、技术壁垒更高的高端精密加工。而激光加工完全符合于这一主旨,激光器及激光加工设备已经在消费电子触摸屏模组生产、半导体晶圆划片等高端3C制造领域崭露头角,并在蓝宝石加工、曲面玻璃和陶瓷生产等领域展现出全新的应用前景。


01

3C产业


飞秒激光作为超短脉冲激光的典型代表,具有超短脉宽、超高峰值功率的特点,其加工对象广泛,尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料,因此适合于电子产业微细加工行业应用。


主要原因是从去年开始的指纹识别模组在手机上的应用带动了专用设备飞秒激光的采购。指纹模组涉及到激光加工的环节有:①晶圆划片、②芯片切割、③盖板切割、④FPC软板外形切割钻孔、⑤激光打标等。其中主要是蓝宝石/玻璃盖板和IC芯片的加工。苹果6从2015年开始正式使用指纹识别同时带动了一批国产品牌的普及,目前指纹识别渗透率不足50%,因此用于加工指纹识别模组的激光机仍有较大发展空间。


同时,激光机还可以应用于PCB钻孔、晶圆划片切割等,应用领域在不断拓宽。尤其是随着未来手机中蓝宝石和陶瓷等高附加值脆性材料的应用,激光加工设备将成为3C自动化设备中重要的组成部分。我们认为在3C自动化加工设备领域,飞秒激光未来或将扮演广泛而深刻的角色。


02

航空发动机


长久以来,我国发动机制造技术始终是制约航空航天事业发展的瓶颈,产品的质量不过关来自两方面:一是材料技术;二是材料加工技术。飞秒激光钻孔恰恰解决了这个难题!

在航空航天领域,燃气涡轮是发动机的三大关键部件之首,其性能直接决定了发动机的好坏。然而航空发动机的涡轮叶片工作温度至少为1400摄氏度,因此必须对高温部件,尤其是叶片必须使用精确的冷却技术。

叶片冷却一般通过大量不同直径的气膜孔来实现,孔径约为100~700微米,且空间分布复杂,多为斜孔,角度为15°到90°不等,为了提高冷却效率,开孔形状往往成扇形或者矩形,这给加工带来极大的难度。目前主流的方法是高速电火花,但工具电极制造极为困难,加工好的部件易磨损,加工速度慢,排除孔内的加工屑比较困难,不易散热,根本不适合大批量生产。

此外,现代发动机叶片表面通常要覆盖一层热障涂层、一般是陶瓷材料,采用传统电火花无法加工,是未来先进发动机制造的关键技术。随着未来发动机叶片材料逐渐走向非金属化,电火花加工更不靠谱,而飞秒激光加工具有材料适应广、定位精度高、无机械变形、无直接接触等各种优点,非常适合加工微型孔。


03

核聚变

飞秒激光钻孔技术还可被运用于核聚变上,核聚变中的点火靶球具有充气微孔,只有微孔的数量多、精度高才能保证聚变反应的控制精度,而飞秒激光加工技术恰好能满足这一要求。近年来飞秒激光钻孔技术还被运用到透明材料内部的三维微孔加工中,这种制造技术将有利于制造飞机、坦克、舰艇上使用的光电传感器设备。加工方法一般是通过液体辅助,在透明材料表面直接烧蚀成孔,让液体将碎屑清除,这样的方法可以达到更高的钻孔深度。


04医疗


目前用于眼科屈光治疗的全飞秒激光应该是飞秒技术在医疗中应用的最成熟的设备之一。还有扩张器、内窥镜和导管等的加工等等。

还有在医学治疗方面,与长脉冲激光相比,飞秒激光能量高度集中,作用期间几乎没有热量传输效应,因此也不会引起周围环境温度的上升,这在激光手术医疗应用方面非常重要。数度的温度上升一方面会在瞬间变成压力波传到神经细胞产生痛感,另一方面可能会对生物体组织造成致命伤害。因此,飞秒激光可以实现无痛和无损伤的安全治疗。

 

4突破飞秒激光钻孔技术

虽然飞秒激光钻孔技术拥有如此神奇的魔力,但其开发难度也是非常大的,特别是进行系统集成化、技术工程化的努力遭遇了各种困难,输出功率也有限制。此外,如何能形成一套完整的微孔加工工业也是世界性难题,但通过我国科学家的努力,不但实现了该系统的实用化和集成化,还发明出了螺旋加工工艺,可以私人订制不同形状的微孔,可以说是达到了国际领先的地步。

 

方向在前方,路在脚下,我们的祖国就是这一代代脚踏实地的科研人一步步的的努力由弱到强,从与美国相比望尘莫及到望其项背,再到齐头并进,他们是最值得尊敬的人!