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飞秒激光源为工业加工应用带来新机会

文/Louise May

飞秒激光源凭借其所能提供的功率和控制能力,已经在变革材料加工应用。为了充分利用可用功率,并将其转化为高吞吐量的加工能力,飞秒激光器必须与振镜和多边形扫描仪等高速运动系统结合使用。连续激光脉冲在工件上的空间重叠,是实现最佳加工质量的关键参数,无论是切割、雕刻、表面处理、打标还是划线应用,都是如此。

由于运动系统的加速和减速,传统方法通常会导致复杂轮廓加工的不一致性和过度加工,而“按需脉冲”(pulse-on-demand)技术允许精确且均匀地发射单个脉冲或受控脉冲串,而不用考虑运动速度的变化。

飞秒激光源的极短脉冲宽度,实际上可以消除热量扩散到周围区域,但前提是脉冲宽度小于将热量传递到周边材料所需的时间。这个过程通常被称为冷加工。pulse-on-demand功能允许用户有效地控制脉冲重复频率,避免材料中的热量积累,同时还能保持恒定的脉冲能量。这最大限度地减少了热影响区(HAZ)的形成,实现了各种材料的超高精度微纳加工,并且具有高吞吐量和可重复性。

Luxinar公司开发的LXR系列超短脉冲(USP)飞秒激光器,将进军那些以前无法使用二氧化碳(CO2)激光器的各行各业的新市场。英国赫尔大学目前正在使用该技术进行样本加工。

赫尔大学的研究小组致力于研究激光与材料的相互作用,并使用Luxinar的飞秒激光技术探索了各种应用,包括金属、塑料和复合材料的平面切割;医疗器械(如冠状动脉支架)领域的金属和可生物降解塑料的管切割;以及高质量的位图打标。

医药行业的玻璃内标记

在玻璃标记应用中,飞秒激光器和传统CO2激光器之间的差异非常明显,两种系统的作用方式不同。CO2激光波长在玻璃中被强烈吸收,全部的相互作用都发生在表面。虽然这在某些需要表面标记的应用中是一个优势,但是它无法在表面下进行标记。

飞秒激光标记的情况与此不同,它可以在大部分光学透明的材料上进行标记。尽管玻璃在激光波长下是透明的,但是非线性吸收效应会在焦点处形成密集等离子体,进而在材料体积内产生标记。

图1:利用飞秒激光源,可以在玻璃表面下标记高度小于0.5mm的字符。

这类标记的潜在应用包括医疗和制药行业的注射器标记和小瓶标记。在这种情况下,表面下标记特别有吸引力,因为标记在表面下的代码不可擦除,也不会被磨损或损坏。

汽车行业的玻璃切割

厚玻璃切割是一个有趣的应用,飞秒激光和CO2激光可以一起上阵,实现高质量切割效果。

传统的机械划线和切割技术在这个行业仍然很常见,或者可以单独使用CO2激光器进行划线和切割。虽然这两种工艺都快速且有效,但获得的切割质量都不是最好的,切割后的玻璃边缘通常会留下大量微裂纹。另外,传统的切割方法也不容易实现弯曲形状或圆形轮廓的切割,例如汽车后视镜和车外后视镜通常需要这些形状。

使用飞秒激光对玻璃进行划刻,可以获得更好的切割效果。这一过程需要高能量,能量可以以单脉冲或快速高能脉冲串的形式传输。CO2激光器提供热能,沿划线形成切割。玻璃被干净地分开,切割边缘几乎没有微裂纹和破损,能够实现曲线、直线和闭合轮廓切割(见图2)。

图2:飞秒激光器与CO2激光器结合,能够实现非常干净的厚玻璃切割,切割边缘几乎没有微裂纹和破损。

金属箔刻划

利用USP激光器精度的另一个应用是RFID和移动设备天线中使用的金属箔的刻划,这些金属箔通常使用铝和铜。激光器选择性地从载体或衬底材料(通常为纸或聚酰亚胺)上移除导电金属层,以制造天线和其他柔性电路器件。

不断向小型化方向发展,需要尽可能紧密地划出非常窄的线条。但是,由于相邻线条之间必须彼此电隔离,因此必须要非常干净地从基板上移除金属,并且不会损坏周围区域,不会产生毛刺或粗糙边缘,因为这些缺陷都可能造成器件短路。LXR120-1030激光器可以在铝箔上刻划出间距50µm(两个线条中心的距离)的线条,并且不会对载体材料造成明显损伤。这是使用CO2激光器根本不可能实现的。

碳纤维复合材料的切割和钻孔

碳纤维复合材料广泛应用于汽车和航空航天工业中。虽然这类材料表现出了理想的性能,如较高的强度重量比,但是在这类材料上钻孔形成铆钉孔用于零件连接,或是进行其他加工,都非常困难。机械加工可能会导致脱层和基体损伤,也会造成相当大的刀具磨损和破坏。

另一方面,碳纤维复合材料各向异性的热学和光学特性,也为传统激光加工带来了重大问题。纤维的导热系数远高于环氧树脂基体,基体材料更容易蒸发。因此,激光加工通常会使纤维暴露在外,从而影响切口周围材料的强度。

这正是飞秒激光的用武之地。飞秒加工的热扩散大大减少,因此可以在完成切割或钻孔后,保持周围材料中的环氧树脂完好无损。这意味着可以在不影响碳纤维板强度的情况下实现钻孔和特征切割(见图3)。避免热量堆积至关重要。

图3:在碳纤维复合材料上开一个2mm的孔,几乎不会对周围的环氧树脂造成热损伤。

使用LXR 120-1030激光器成功地切割了碳纤维复合材料样品,以1MHz的频率操作激光器,以最大化可用脉冲能量。Pulse-on-demand功能用于控制空间重叠,并限制到达材料的实际重复频率。热效应达到最小化,减少热影响区,并限制环氧树脂沿切口的蒸发。这样可以保持材料的结构完整性。

飞秒激光技术为汽车、电子和制药等行业带来了各种新的加工机会,而这些加工是CO2激光源无法实现的。

飞秒激光技术具有光束质量高、控制灵活、按需提供脉冲、脉冲串模式选择等特性,可用于工艺优化和高吞吐量生产,并具有短脉冲宽度以最大限度地减少热损伤,因此在许多高精度应用中颇具吸引力。

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