Výhody femtosekundových laserov pri obrábaní mikro{0}odier pre plynové/kvapalinové ventily

V súčasnosti sa v oblastiach, ako sú polovodiče, letecký priemysel a špičkové{0}}testovacie prístroje, často vyžaduje presná kontrola plynov alebo kvapalín. Kvalita opracovania mikro-otvorov v systémoch riadenia toku je kritickým faktorom, ktorý určuje presnosť toku, ako aj spoľahlivosť a stabilitu systému.

Ako špičková{0}}technológia laserového spracovania zohrávajú femtosekundové lasery zásadnú úlohu pri výrobe mikrónových -mikrootvorov-na úrovni, a to vďaka ich výhodám vo vysokej presnosti, vysokej kruhovitosti a vynikajúcej kvalite. Preukazujú významné aplikačné výhody, najmä pri obrábaní komponentov, ako sú ventily na reguláciu prietoku.

Ventil je zariadenie používané na reguláciu plynov alebo kvapalín. Môže obmedziť prechod plynu alebo kvapaliny a môže tiež regulovať alebo riadiť smer, tlak a rýchlosť prúdenia tekutiny.

V medicínskom a polovodičovom priemysle sú požiadavky na riadenie prietoku mimoriadne prísne. Mikro-otvory v týchto ventiloch majú zvyčajne priemer v mikrónovej stupnici. V dôsledku toho sú na dosiahnutie presných a stabilných prietokov potrebné mimoriadne vysoké štandardy kvality a konzistencie obrábania.

Výkon femtosekundového lasera pri obrábaní 100μm mikro-otvorov

Predstavte si, že keď plyn alebo kvapalina prechádza mikro{0}otvorom, generuje sa lokalizovaný tlakový rozdiel. Presná kontrola nad priemerom otvoru umožňuje, aby sa rýchlosť prietoku tekutiny udržiavala v špecifickom rozsahu, alebo umožňuje vytváranie významného tlakového rozdielu.

Ak vezmeme ako príklad polovodičové zariadenie, sprchové hlavice možno považovať za typ kvapalinového ventilu. Ich mikro-otvory sú rozhodujúce pre kontrolu stability procesu, pretože plyn prechádza rovnomerne cez tisíce mikro-otvorov v sprchovej hlavici a potom sa rovnomerne rozprašuje alebo nanáša na povrch plátku. Inými slovami, kvalita obrábania mikro-otvorov priamo určuje kľúčové metriky pre presné zariadenia, ako je prietok tekutiny, presnosť a stabilita riadenia tlaku a opakovateľnosť procesu.

Zároveň to predstavuje výzvy pre obrábanie mikro-dier.

1. Otvor mikro-otvoru:

Vyžadujú sa otvory na úrovni mikrón{0}}, pričom 20 – 500 μm je relatívne bežné. Okrem toho, keďže výrobná presnosť a požiadavky neustále rastú, priemysel napreduje smerom k splneniu požiadaviek na otvor 5-10 μm a dokonca 2-5 μm.

Výkon Femtosekundového lasera pri obrábaní 3μm mikro-otvorov

2. Rozmerová presnosť:

Mikrootvory{0} musia spĺňať prísne požiadavky na presnosť rozmerov, zvyčajne na úrovni 1 – 5 μm. V náročnejších aplikáciách je potrebná presnosť v rozmedzí ±0,5 μm, aby sa zabezpečila presnosť a konzistentnosť riadenia prietoku.

Výkon femtosekundového lasera v 10μm mikro-opracovaní poľa otvorov

3. Mikro-otvor Drsnosť vnútornej steny:

Steny otvorov musia byť hladké, s hodnotou Ra do 0,4 μm (čím nižšia, tým lepšia). Okrem toho musia byť steny otvorov bez chýb, ako sú mikro-trhliny a pretavené vrstvy. Je to preto, že aj najmenšia chyba môže ovplyvniť presnosť kontroly tekutín a stabilitu výrobného procesu.

Výkon femtosekundového lasera pri výrobe otvorov Mass Micro{0}}

4. Konzistencia mikro{1}}dier:

V presných systémoch riadenia tekutín nestačí len zaručiť kvalitu jedného mikro-otvoru; je dôležité zabezpečiť konzistentnosť všetkých mikro-otvorov v rámci jedného komponentu alebo v rámci celej série produktov. V dôsledku toho to kladie extrémne vysoké požiadavky na stabilitu procesu obrábania mikro-dier a zariadení.

Femtosekundový laser pozostáva z dvoch základných pojmov: femtosekundový a laser.

Femtosekunda je pojem času, rovnako ako minúty a sekundy, ktoré bežne používame. Pre predstavu, 1 sekunda sa rovná 1 000 biliónom femtosekúnd. Z toho je evidentné, že femtosekunda je extrémne krátka časová jednotka.

Laser, čo je skratka pre Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, je známy ako „najrýchlejší nôž“, „najpresnejšie pravítko“ a „najjasnejšie svetlo“.

Preto, keď sa extrémne krátka časová jednotka „femtosekundy“ skombinuje s charakteristikou extrémne vysokej hustoty energie „lasera“, vytvára magické vlastnosti: ultra{0}}rýchle rýchlosti impulzov vedú k spracovaniu za studena, zatiaľ čo extrémne vysoký špičkový výkon umožňuje obrábanie akéhokoľvek materiálu.

Výkon femtosekundového lasera pri obrábaní otvorov na obmedzenie prietoku na polyimidovom filme

Tieto charakteristiky ponúkajú významné výhody pre obrábanie mikro{0}}dier, konkrétne:

1. Ovládateľný mikro-priemer otvoru:

Femtosekundové lasery sú majstrami mikro-nano výroby v mikrónovom meradle. Môžu dosiahnuť opracovanie mikro-otvorov s veľkosťou 2 μm alebo viac, pričom priemer otvoru aj kužeľ sú plne ovládateľné.

2. Vysoká presnosť clony:

Priemer bodu femtosekundového lasera je len niekoľko mikrónov až zhruba desať mikrónov a plocha úberu materiálu na jeden impulz je malá. V dôsledku toho zaisťuje, že presnosť opracovania otvoru mikro-otvoru môže dosiahnuť ±1 μm. Okrem toho, ak má femtosekundové laserové zariadenie dostatočnú stabilitu, môže zaručiť, že túto extrémne vysokú úroveň presnosti si udržia aj polia desiatok tisíc mikro-otvorov.

3. Široká prispôsobivosť materiálu:

Femtosekundové laserové obrábanie využíva svoju charakteristiku ultra{0}}vysokého špičkového výkonu a dokáže spracovať prakticky akýkoľvek materiál. Patria sem tvrdé zliatiny, ako je nehrdzavejúca oceľ, zliatiny titánu, niklové-zliatiny titánu a volfrámové-zliatiny molybdénu, ako aj -kovové materiály ako keramika, kremík, sklo a PI (polyimid).

4. Minimálny tepelný vplyv:

Šírka impulzu femtosekundových laserov je extrémne malá, vo femtosekundovej mierke, ktorá je oveľa menšia ako pikosekundová mierka potrebná na prenos tepla materiálu. Preto dosahuje presné, lokalizované odstránenie materiálu skôr, ako sa teplo môže rozptýliť do okolitého materiálu. Tým sa zabráni zmene fyzikálnych alebo chemických vlastností priľahlých materiálov, realizácii „studeného spracovania“ s minimálnym tepelným vplyvom, výsledkom čoho nie je žiadna pretavená vrstva a žiadne mikro-trhliny.

5. Vysoký pomer strán:

S rastúcim dopytom si niektoré mikrootvory ventilov vyžadujú pomer strán (hĺbka-k-priemeru) väčší ako 10:1, pričom niektoré aplikácie majú za cieľ 12:1 alebo dokonca 15:1. Zatiaľ čo niektoré tradičné metódy obrábania to môžu dosiahnuť väčšími otvormi, pri otvoroch v sub-milimetrovom rozsahu (stovky mikrónov) v kombinácii s požiadavkami na vysokú presnosť to úplne nedokážu. Femtosekundové lasery však zaisťujú súčasne dosiahnutie vysokej presnosti a vysokého pomeru strán.

6. Obrobiteľné pre rôzne geometrie:

Bežné ventilové mikro-otvorové dosky sú zvyčajne ploché materiály, ktoré možno spracovať pomocou štandardného 3-osového zariadenia. Niektoré ventily sú však vyrobené z rúrkových materiálov alebo sú nepravidelne tvarované obrobky; v týchto prípadoch bežné 3-osové zariadenia majú problém splniť požiadavky na presné obrábanie. Femtosekundové laserové systémy môžu byť vybavené 5-osovou konfiguráciou, umožňujúcou jednoducho opracovanie mikrootvorov pre výrobky rôznych tvarov a foriem.

Mikro-presný laserový rezací a vŕtací stroj

Požiadavky na obrábanie ventilov v oblastiach, ako sú polovodiče, predstavujú vrchol špičkovej{0}}technológie riadenia tekutín. Ich konštrukčné a výrobné normy priamo určujú výťažnosť a spoľahlivosť procesov výroby polovodičov. V dôsledku toho má pochopenie výhod a charakteristík obrábania femtosekundových laserov hlboký význam pre oblasť obrábania mikro-otvorov pre polovodičové ventily.

Veríme, že čím viac profesionálov pochopí a využije technológiu femtosekundového lasera na obrábanie mikro-otvorov ventilov, bude to ďalší impulz pre vývoj a inováciu domácej technológie riadenia tekutín.