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超短脈沖激光器:“熱”應用的高精密微切割

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超短脈沖激光器:“熱”應用的高精密微切割

發布日期:2015-12-19 17:48 來源:http://www.per4mancechoir.com 點擊:

 OFwee網訊:對于高精密的應用,固定加工頭微切割是一種有潛力、在一些應用可以替代冷消融的加工方式。該加工方式可進一步通過錐角補償、加工氣體供給或工件處理優化。

  介紹

  超短脈沖(USP)現在已經慢慢從研究實驗室轉移到了工業微加工。皮秒和飛秒級別的脈沖寬度使得材料能夠不經過液化直接氣化。通過冷消融可以實現對玻璃、金屬、陶瓷和聚合物的逐層去除。鐘表業正在使用這種技術進行精細雕刻,掃描振鏡對復合材料的切割和鉆孔不會造成任何的熱影響區(HAZ),因而產生的表面和邊緣質量較高(見圖1)。

  圖1:USP激光器通過冷消融的方式進行微加工。

  左:在一個聚合物芯片系統實驗室上約200μm寬的微通道。

  右:高邊緣質量的銅表針,顯示出一個明顯的錐角(寬度為0.7mm)。

  

  然而,對于某些應用,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。對于這些應用,使用固定加工頭、加工氣體噴嘴和高精度軸是很有優勢的。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象。盡管如此,可以依舊保持工件質量。與固體激光器和的“熱”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量。優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,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展,同時支持可靠的固定和材料的自由切割(圖2)。要將設計圖導入激光系統加工時,必須考慮激光的切入以及出口的位置。當涉及高精度,工藝的開發和質量的控制時,就需要適當的測量設備,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:為了實現良好的質量,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。

  固定光學能夠對金屬、硅和陶瓷等材料進行微切割(圖3)。為了提高成本效率和生產率,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:固定光學微切割陶瓷。

  左:約5mm直徑的部分,是鐘表行業應用的一個測試幾何形狀。

  右:藍寶石和硅也可以用這個方法來切割。

  提高零件質量的后續處理方法

  各種后續的處理也許能夠進一步提高工件質量。在絲電火花加工和微細銑削的情況下,可以考慮熱處理以獲得目標強度、硬度或退火材料。為了優化粗糙的表面,如果需要的話,可以用一些化學的機械后處理方法。激光切割工件,有時會通過電化涂層來達到理想的表面。鐘表業是應用固定光學微切割或鉆加工方式Z重要的領域之一,如紅寶石微軸承、手表手柄或其他元素。

  圖4:TruMicro5000皮秒和飛秒系列激光器可提供的平均功率達100瓦,脈沖能量高達250微焦耳。超短脈沖的脈寬與其它參數結合,有助于減少和消除熱影響區域(HAZ)。

  為鉆小孔設計的開孔加工頭

  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。當它涉及到更復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勢。從熱管理的角度來看,這個加工方式與使用精確的機械軸固定加工頭微切割來加工是類似的。然而,一些開發工作仍需改進現有開孔加工頭,使得它們變得更人性化,適用于比較復雜的工業微切割應用。一個有趣而具有挑戰性的選擇是工件夾具由一個傾斜的錐角來補償,特別是切割出整個工件。


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