Embora os lasers ultrarrápidos já existam há décadas, as aplicações industriais cresceram rapidamente nas últimas duas décadas. Em 2019, o valor de mercado do ultrarrápidolasero processamento foi de aproximadamente US$ 460 milhões, com uma taxa composta de crescimento anual de 13%. As áreas de aplicação onde lasers ultrarrápidos foram usados com sucesso para processar materiais industriais incluem fabricação e reparo de máscaras fotográficas na indústria de semicondutores, bem como corte em cubos de silício, corte/riscagem de vidro e remoção de filme ITO (óxido de índio e estanho) em eletrônicos de consumo, como telefones celulares e tablets. , texturização de pistão para a indústria automotiva, fabricação de stents coronários e fabricação de dispositivos microfluídicos para a indústria médica.
01 Fabricação e reparo de fotomáscaras na indústria de semicondutores
Lasers ultrarrápidos foram usados em uma das primeiras aplicações industriais no processamento de materiais. A IBM relatou a aplicação da ablação a laser de femtosegundo na produção de fotomáscaras na década de 1990. Em comparação com a ablação a laser de nanossegundos, que pode produzir respingos de metal e danos ao vidro, as máscaras a laser de femtosegundo não apresentam respingos de metal, danos ao vidro, etc. Este método é usado para produzir circuitos integrados (ICs). A produção de um chip IC pode exigir até 30 máscaras e custar >US$ 100.000. O processamento a laser de femtosegundo pode processar linhas e pontos abaixo de 150 nm.
Figura 1. Fabricação e reparo de fotomáscaras
Figura 2. Resultados de otimização de diferentes padrões de máscara para litografia ultravioleta extrema
02 Corte de silício na indústria de semicondutores
O corte de wafer de silício é um processo de fabricação padrão na indústria de semicondutores e normalmente é realizado usando corte mecânico. Estas rodas de corte frequentemente desenvolvem microfissuras e são difíceis de cortar wafers finos (por exemplo, espessura < 150 μm). O corte a laser de wafers de silício tem sido usado na indústria de semicondutores há muitos anos, especialmente para wafers finos (100-200μm), e é realizado em várias etapas: ranhura a laser, seguida de separação mecânica ou corte furtivo (ou seja, feixe de laser infravermelho dentro a gravação de silício) seguida de separação mecânica da fita. O laser de pulso de nanossegundos pode processar 15 wafers por hora, e o laser de picossegundos pode processar 23 wafers por hora, com qualidade superior.
03 Corte/riscagem de vidro na indústria de consumíveis eletrônicos
As telas sensíveis ao toque e os óculos de proteção para celulares e laptops estão ficando mais finos e algumas formas geométricas estão curvadas. Isso torna o corte mecânico tradicional mais difícil. Os lasers típicos normalmente produzem baixa qualidade de corte, especialmente quando essas telas de vidro são empilhadas em 3 a 4 camadas e o vidro protetor superior de 700 μm de espessura é temperado, o que pode quebrar com tensão localizada. Foi demonstrado que lasers ultrarrápidos são capazes de cortar esses vidros com melhor resistência nas bordas. Para cortes grandes em telas planas, o laser de femtosegundo pode ser focado na superfície posterior da folha de vidro, arranhando o interior do vidro sem danificar a superfície frontal. O vidro pode então ser quebrado utilizando meios mecânicos ou térmicos ao longo do padrão marcado.
Figura 3. Corte em formato especial de vidro a laser ultrarrápido de picossegundos
04 Texturas de pistão na indústria automotiva
Os motores de automóveis leves são feitos de ligas de alumínio, que não são tão resistentes ao desgaste quanto o ferro fundido. Estudos descobriram que o processamento a laser de femtosegundo de texturas de pistão de carro pode reduzir o atrito em até 25% porque detritos e óleo podem ser armazenados de forma eficaz.
Figura 4. Processamento a laser de femtossegundos de pistões de motores de automóveis para melhorar o desempenho do motor
05 Fabricação de stents coronários na indústria médica
Milhões de stents coronários são implantados nas artérias coronárias do corpo para abrir um canal para o sangue fluir para vasos que de outra forma estariam coagulados, salvando milhões de vidas todos os anos. Os stents coronários são normalmente feitos de malha metálica (por exemplo, aço inoxidável, liga com memória de formato de níquel-titânio ou, mais recentemente, liga de cobalto-cromo) com uma largura de suporte de aproximadamente 100 μm. Em comparação com o corte a laser de pulso longo, as vantagens de usar lasers ultrarrápidos para cortar bráquetes são a alta qualidade de corte, melhor acabamento superficial e menos detritos, o que reduz os custos de pós-processamento.
06 Fabricação de dispositivos microfluídicos para a indústria médica
Dispositivos microfluídicos são comumente usados na indústria médica para testes e diagnóstico de doenças. Normalmente, eles são fabricados por moldagem por microinjeção de peças individuais e, em seguida, colados por meio de colagem ou soldagem. A fabricação ultrarrápida de dispositivos microfluídicos a laser tem a vantagem de produzir microcanais 3D em materiais transparentes, como vidro, sem a necessidade de conexões. Um método é a fabricação ultrarrápida a laser dentro de um vidro a granel seguida de ataque químico úmido, e outro é a ablação a laser de femtosegundo dentro de vidro ou plástico em água destilada para remover detritos. Outra abordagem é usinar canais na superfície do vidro e selá-los com uma cobertura de vidro por meio de soldagem a laser de femtosegundo.
Figura 6. Gravura seletiva induzida por laser de femtosegundo para preparar canais microfluídicos dentro de materiais de vidro
07 Microperfuração do bico injetor
A usinagem de microfuros a laser de femtosegundo substituiu o micro-EDM em muitas empresas do mercado de injetores de alta pressão devido à maior flexibilidade na alteração dos perfis dos furos de fluxo e aos tempos de usinagem mais curtos. A capacidade de controlar automaticamente a posição do foco e a inclinação do feixe através de uma cabeça de varredura de precessão levou ao projeto de perfis de abertura (por exemplo, barril, alargamento, convergência, divergência) que podem promover atomização ou penetração na câmara de combustão. O tempo de perfuração depende do volume de ablação, com espessura de broca de 0,2 – 0,5 mm e diâmetro de furo de 0,12 – 0,25 mm, tornando esta técnica dez vezes mais rápida que a microEDM. A microperfuração é realizada em três etapas, incluindo desbaste e acabamento de furos piloto passantes. O argônio é usado como gás auxiliar para proteger o poço da oxidação e para proteger o plasma final durante os estágios iniciais.
Figura 7. Processamento de alta precisão a laser de femtosegundo de furo cônico invertido para injetor de motor diesel
08 Texturização a laser ultrarrápida
Nos últimos anos, a fim de melhorar a precisão da usinagem, reduzir danos materiais e aumentar a eficiência do processamento, o campo da microusinagem tornou-se gradualmente um foco de pesquisadores. O laser ultrarrápido possui diversas vantagens de processamento, como baixo dano e alta precisão, que se tornou o foco para promover o desenvolvimento da tecnologia de processamento. Ao mesmo tempo, os lasers ultrarrápidos podem atuar em uma variedade de materiais, e os danos materiais do processamento a laser também são uma importante direção de pesquisa. O laser ultrarrápido é usado para fazer a ablação de materiais. Quando a densidade de energia do laser é superior ao limiar de ablação do material, a superfície do material ablacionado apresentará uma estrutura micro-nano com certas características. A pesquisa mostra que esta estrutura de superfície especial é um fenômeno comum que ocorre durante o processamento de materiais a laser. A preparação de micro-nanoestruturas superficiais pode melhorar as propriedades do próprio material e também possibilitar o desenvolvimento de novos materiais. Isso torna a preparação de micro-nanoestruturas de superfície por laser ultrarrápido um método técnico com importante significado de desenvolvimento. Atualmente, para materiais metálicos, a pesquisa sobre texturização de superfície a laser ultrarrápida pode melhorar as propriedades de umedecimento da superfície metálica, melhorar as propriedades de atrito e desgaste da superfície, aumentar a adesão do revestimento e a proliferação direcional e adesão de células.
Figura 8. Propriedades superhidrofóbicas da superfície de silício preparada a laser
Como uma tecnologia de processamento de ponta, o processamento a laser ultrarrápido tem as características de pequena zona afetada pelo calor, processo não linear de interação com materiais e processamento de alta resolução além do limite de difração. Ele pode realizar processamento micro-nano de alta qualidade e alta precisão de vários materiais. e fabricação de micro-nano estruturas tridimensionais. Alcançar a fabricação a laser de materiais especiais, estruturas complexas e dispositivos especiais abre novos caminhos para a fabricação micro-nano. Atualmente, o laser de femtosegundo tem sido amplamente utilizado em muitos campos científicos de ponta: o laser de femtosegundo pode ser usado para preparar vários dispositivos ópticos, como matrizes de microlentes, olhos compostos biônicos, guias de ondas ópticas e metassuperfícies; usando sua alta precisão, alta resolução e capacidade de processamento tridimensional, o laser de femtosegundo pode preparar ou integrar chips microfluídicos e optofluídicos, como componentes de microaquecedores e canais microfluídicos tridimensionais; além disso, o laser de femtossegundo também pode preparar diferentes tipos de micro-nanoestruturas de superfície para obter funções anti-reflexo, anti-reflexo, super-hidrofóbica, anti-gelo e outras; além disso, o laser de femtosegundo também tem sido aplicado no campo da biomedicina, apresentando excelente desempenho em áreas como micro-stents biológicos, substratos de cultura celular e imagens microscópicas biológicas. Amplas perspectivas de aplicação. Atualmente, os campos de aplicação do processamento a laser de femtosegundo estão se expandindo ano a ano. Além das aplicações de microóptica, microfluídica, micronanoestruturas multifuncionais e engenharia biomédica mencionadas acima, ela também desempenha um papel importante em alguns campos emergentes, como a preparação de metassuperfícies. , fabricação micro-nano e armazenamento de informações ópticas multidimensionais, etc.
Horário da postagem: 17 de abril de 2024
