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解決方案

超短脈沖激光器應(yīng)用于高精密工業(yè)微加工

星之球激光 來源:榮格2016-01-22 我要評論(0 )   

  對于高精密的應(yīng)用,固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應(yīng)用可以替代掃描振鏡冷消融的加工方式。該加工方式可進(jìn)一步通過錐角補(bǔ)償、加工氣體供給或工件處理優(yōu)化。

  對于高精密的應(yīng)用,固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應(yīng)用可以替代掃描振鏡冷消融的加工方式。該加工方式可進(jìn)一步通過錐角補(bǔ)償、加工氣體供給或工件處理優(yōu)化。
  介紹
  超短脈沖(USP)激光器現(xiàn)在已經(jīng)慢慢從研究實(shí)驗室轉(zhuǎn)移到了工業(yè)微加工。皮秒和飛秒級別的脈沖寬度使得材料能夠不經(jīng)過液化直接氣化。通過冷消融可以實(shí)現(xiàn)對玻璃、金屬、陶瓷和聚合物的逐層去除。鐘表業(yè)正在使用這種技術(shù)進(jìn)行精細(xì)雕刻,掃描振鏡對復(fù)合材料的切割和鉆孔不會造成任何的熱影響區(qū)(HAZ),因而產(chǎn)生的表面和邊緣質(zhì)量較高(見圖1)。

圖1:USP激光器通過冷消融的方式進(jìn)行微加工。
左:在一個聚合物芯片系統(tǒng)實(shí)驗室上約200μm寬的微通道。
右:高邊緣質(zhì)量的銅表針,顯示出一個明顯的錐角(寬度為0.7mm)。
  超短激光脈沖消除熱影響
  然而,對于某些應(yīng)用,使用掃描振鏡冷消融的加工方式得到的精度與錐角是不夠的。錐角是在切割縫的邊界時產(chǎn)生的,部分是因為激光能量密度(每單位面積的能量)在那里比較低,部分是因為材料在那里再沉積。對于這些應(yīng)用,使用固定加工頭、加工氣體噴嘴和高精度軸是很有優(yōu)勢的。然而,軸的加速度和速度與掃描振鏡相比是微不足道的。因此,激光引入的熱量在固定加工頭的應(yīng)用中會比較多。即使是局部熔化材料也不能完全排除這種現(xiàn)象。盡管如此,可以依舊保持工件質(zhì)量。與固體激光器和CO2 激光器的“熱”激光切割相比,超短脈沖確保引入的熱量在時間和空間上是可控的。因此,仍然不會對工件造成熱影響。用固定加工頭的USP激光微切割就如同微米范圍的熱加工。
 
  更加陡的錐角和良好的邊緣質(zhì)量
  與掃描振鏡的冷消融加工方式相比,如果能正確采用固定加工頭微切割加工,則能形成更陡的錐角,同時保持良好的邊緣質(zhì)量。優(yōu)化的噴嘴能夠提供加工氣體,在高壓下去除材料的切縫。除了激光參數(shù),噴嘴的幾何形狀和位置,以及加工氣體的類型和壓力同樣顯著影響著切割效果。另一個重要的方面就是合適的工件固定夾具的發(fā)展,同時支持可靠的固定和材料的自由切割(圖2)。要將設(shè)計圖導(dǎo)入激光系統(tǒng)加工時,必須考慮激光的切入以及出口的位置。當(dāng)涉及高精度,工藝的開發(fā)和質(zhì)量的控制時,就需要適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備,才能夠可靠地測量幾微米和表面粗糙度值低于一微米的公差。

圖2:與掃描振鏡冷消融加工方式相比,固定加工頭微切割能產(chǎn)生更高的精度和更陡的錐角。
左:直徑約5毫米的齒輪。
右:為了實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)量,由噴嘴(頂部)提供加工氣體和合適的工件固定是必不可少的。
  固定光學(xué)能夠?qū)饘?、硅和陶瓷等材料進(jìn)行微切割(圖3)。為了提高成本效率和生產(chǎn)率,可以考慮平行的加工頭。通快高功率超短脈沖激光TruMicro支持這樣的分光方法(圖4)。

圖3:固定光學(xué)微切割陶瓷。
左:約5mm直徑的部分,是鐘表行業(yè)應(yīng)用的一個測試幾何形狀。
右:藍(lán)寶石和硅也可以用這個方法來切割。
  提高零件質(zhì)量的后續(xù)處理方法
  各種后續(xù)的處理也許能夠進(jìn)一步提高工件質(zhì)量。在絲電火花加工和微細(xì)銑削的情況下,可以考慮熱處理以獲得目標(biāo)強(qiáng)度、硬度或退火材料。為了優(yōu)化粗糙的表面,如果需要的話,可以用一些化學(xué)的機(jī)械后處理方法。激光切割工件,有時會通過電化涂層來達(dá)到理想的表面。鐘表業(yè)是應(yīng)用固定光學(xué)微切割或鉆加工方式最重要的領(lǐng)域之一,如紅寶石微軸承、手表手柄或其他元素。
 
  為鉆小孔設(shè)計的開孔加工頭
  在加工過程中,通常我們需要得到一個陡的90度錐角。對于小孔的鉆孔,使用所謂的開孔加工頭可以做到。當(dāng)它涉及到更復(fù)雜的幾何形狀的微切割時,這種類型的方法也變得越來越有優(yōu)勢。從熱管理的角度來看,這個加工方式與使用精確的機(jī)械軸固定加工頭微切割來加工是類似的。然而,一些開發(fā)工作仍需改進(jìn)現(xiàn)有開孔加工頭,使得它們變得更人性化,適用于比較復(fù)雜的工業(yè)微切割應(yīng)用。一個有趣而具有挑戰(zhàn)性的選擇是工件夾具由一個傾斜的錐角來補(bǔ)償,特別是切割出整個工件。

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超短脈沖激光器激光切割精密加工
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