Embora os lasers ultrarrápidos existam há décadas, suas aplicações industriais cresceram rapidamente nas últimas duas décadas. Em 2019, o valor de mercado dos lasers ultrarrápidosmaterial laserO processamento movimentou aproximadamente US$ 460 milhões, com uma taxa de crescimento anual composta de 13%. As áreas de aplicação onde lasers ultrarrápidos têm sido usados com sucesso para processar materiais industriais incluem a fabricação e o reparo de fotomáscaras na indústria de semicondutores, bem como o corte de silício, o corte/riscação de vidro e a remoção de filmes de óxido de índio e estanho (ITO) em eletrônicos de consumo, como telefones celulares e tablets, a texturização de pistões para a indústria automotiva, a fabricação de stents coronários e a fabricação de dispositivos microfluídicos para a indústria médica.
01 Fabricação e reparo de fotomáscaras na indústria de semicondutores
Os lasers ultrarrápidos foram utilizados 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. Comparada à ablação a laser de nanossegundo, que pode produzir respingos de metal e danos ao vidro, a ablação a laser de femtosegundo não apresenta respingos de metal, danos ao vidro, etc. Essa é uma das vantagens. Esse método é utilizado para produzir circuitos integrados (CIs). A produção de um chip de CI pode exigir até 30 máscaras e custar mais de US$ 100.000. O processamento a laser de femtosegundo pode processar linhas e pontos com dimensões inferiores a 150 nm.
Figura 1. Fabricação e reparo de fotomáscaras
Figura 2. Resultados da otimização de diferentes padrões de máscara para litografia ultravioleta extrema.
02 Corte de silício na indústria de semicondutores
O corte de wafers de silício é um processo de fabricação padrão na indústria de semicondutores e geralmente é realizado por meio de corte mecânico. Essas rodas de corte frequentemente desenvolvem microfissuras e apresentam dificuldades para cortar wafers finos (por exemplo, com espessura < 150 μm). O corte a laser de wafers de silício é utilizado na indústria de semicondutores há muitos anos, especialmente para wafers finos (100-200 μm), e é realizado em múltiplas etapas: ranhura a laser, seguida de separação mecânica ou corte furtivo (ou seja, feixe de laser infravermelho dentro da ranhura de silício) seguido de separação mecânica com fita adesiva. O laser de pulso de nanossegundos pode processar 15 wafers por hora, e o laser de picossegundos pode processar 23 wafers por hora, com maior qualidade.
03 Corte/riscação de vidro na indústria de eletrônicos de consumo
As telas sensíveis ao toque e os vidros de proteção para celulares e laptops estão ficando cada vez mais finos e algumas formas geométricas são curvas. Isso dificulta o corte mecânico tradicional. Os lasers comuns geralmente produzem cortes de baixa qualidade, especialmente quando essas telas de vidro são compostas por 3 a 4 camadas e a camada superior de vidro de proteção, com 700 μm de espessura, é temperada, podendo quebrar com a tensão localizada. Lasers ultrarrápidos têm se mostrado capazes de cortar esses vidros com maior resistência nas bordas. Para o corte de grandes painéis planos, o laser de femtosegundo pode ser focalizado na superfície traseira da folha de vidro, riscando a parte interna sem danificar a superfície frontal. O vidro pode então ser quebrado por meios mecânicos ou térmicos ao longo do padrão riscado.
Figura 3. Corte de vidro com formato especial utilizando laser ultrarrápido de picossegundos
04 Texturas de pistões na indústria automotiva
Os motores de carros 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 das texturas dos pistões de carros pode reduzir o atrito em até 25%, pois detritos e óleo podem ser armazenados de forma eficaz.
Figura 4. Processamento a laser de femtosegundo de pistões de motores automotivos 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 fluxo sanguíneo em vasos obstruídos por coágulos, salvando milhões de vidas todos os anos. Os stents coronários são geralmente feitos de malha metálica (por exemplo, aço inoxidável, liga de níquel-titânio com memória de forma ou, mais recentemente, liga de cobalto-cromo) com uma largura de haste de aproximadamente 100 μm. Comparado ao corte a laser de pulso longo, as vantagens do uso de lasers ultrarrápidos para cortar stents são a alta qualidade de corte, melhor acabamento superficial e menos resíduos, 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 diagnósticos de doenças. Eles são tipicamente fabricados por microinjeção de peças individuais, que são posteriormente unidas por colagem ou soldagem. A fabricação de dispositivos microfluídicos por laser ultrarrápido apresenta a vantagem de produzir microcanais 3D em materiais transparentes, como o vidro, sem a necessidade de conexões. Um método consiste na fabricação por laser ultrarrápido dentro de um bloco de vidro, seguida por ataque químico úmido. Outro método utiliza a ablação por laser de femtosegundo em vidro ou plástico imerso em água destilada para remover detritos. Uma terceira 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. Gravação seletiva induzida por laser de femtosegundo para preparar canais microfluídicos em materiais de vidro.
07 Microfuração do bico injetor
A usinagem de microfuros por laser de femtosegundo substituiu a microeletroerosão (micro-EDM) em muitas empresas do mercado de injetores de alta pressão devido à maior flexibilidade na alteração dos perfis dos orifícios de fluxo e aos tempos de usinagem mais curtos. A capacidade de controlar automaticamente a posição e a inclinação do foco do feixe por meio de uma cabeça de varredura com precessão permitiu o desenvolvimento de perfis de abertura (por exemplo, barril, alargamento, convergência, divergência) que podem promover a atomização ou a penetração na câmara de combustão. O tempo de perfuração depende do volume de ablação, com espessura de perfuração de 0,2 a 0,5 mm e diâmetro do furo de 0,12 a 0,25 mm, tornando essa técnica dez vezes mais rápida que a micro-EDM. A microperfuração é realizada em três etapas, incluindo o desbaste e o acabamento dos furos-piloto. O argônio é usado como gás auxiliar para proteger o furo da oxidação e para blindar o plasma final durante as etapas iniciais.
Figura 7. Processamento de alta precisão com laser de femtosegundo de furo cônico invertido para injetor de motor diesel.
08 Texturização a laser ultrarrápida
Nos últimos anos, visando aprimorar a precisão da usinagem, reduzir danos ao material e aumentar a eficiência do processamento, o campo da microusinagem tornou-se gradualmente um foco de pesquisa. O laser ultrarrápido apresenta diversas vantagens de processamento, como baixo dano e alta precisão, o que o tornou o foco do desenvolvimento da tecnologia de processamento. Ao mesmo tempo, os lasers ultrarrápidos podem atuar em uma variedade de materiais, e o processamento a laser de danos ao material também é uma importante linha de pesquisa. O laser ultrarrápido é usado para ablação de materiais. Quando a densidade de energia do laser é superior ao limiar de ablação do material, a superfície do material ablacionado apresenta uma microestrutura com características específicas. Pesquisas mostram que essa estrutura superficial especial é um fenômeno comum que ocorre durante o processamento a laser de materiais. A preparação de microestruturas superficiais pode melhorar as propriedades do próprio material e também possibilitar o desenvolvimento de novos materiais. Isso torna a preparação de microestruturas superficiais por laser ultrarrápido um método técnico com importante significado para o desenvolvimento. Atualmente, para materiais metálicos, a pesquisa sobre texturização de superfície a laser ultrarrápido pode melhorar as propriedades de molhabilidade da superfície metálica, melhorar o atrito e as propriedades de desgaste da superfície, aumentar a adesão do revestimento e a proliferação e adesão direcional de células.
Figura 8. Propriedades super-hidrofóbicas da superfície de silício preparada a laser.
Como uma tecnologia de processamento de ponta, o processamento a laser ultrarrápido possui características como pequena zona afetada pelo calor, interação não linear com os materiais e processamento de alta resolução além do limite de difração. Ele permite o processamento micro-nano de alta qualidade e alta precisão de diversos materiais, bem como a fabricação de estruturas micro-nano tridimensionais. A obtenção de fabricação a laser de materiais especiais, estruturas complexas e dispositivos especiais abre novos caminhos para a manufatura micro-nano. Atualmente, o laser de femtosegundo tem sido amplamente utilizado em muitos campos científicos de ponta: ele pode ser usado para preparar diversos dispositivos ópticos, como matrizes de microlentes, olhos compostos biônicos, guias de onda ópticos e metassuperfícies; utilizando sua alta precisão, alta resolução e capacidades 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 femtosegundo também pode preparar diferentes tipos de micro e nanoestruturas de superfície para obter propriedades antirreflexo, super-hidrofóbicas, anticongelantes e outras; não só isso, o laser de femtosegundo também tem sido aplicado na área biomédica, demonstrando desempenho excepcional em campos como microstents biológicos, substratos para cultura de células e imagens microscópicas biológicas. Amplas perspectivas de aplicação. Atualmente, os campos de aplicação do processamento com laser de femtosegundo estão se expandindo ano a ano. Além das aplicações já mencionadas em micro-óptica, microfluídica, micro e nanoestruturas multifuncionais e engenharia biomédica, ele também desempenha um papel fundamental em alguns campos emergentes, como a preparação de metassuperfícies, a fabricação micro e nano e o armazenamento de informações ópticas multidimensionais, etc.
Data da publicação: 17/04/2024
