Mit den zunehmenden Anforderungen der modernen Industrie an die Präzision der Materialbearbeitung, die Oberflächengüte und die Kontrolle der Wärmeeinwirkungen ist es schwierig, die herkömmliche mechanische Bearbeitung und die Langpulslasertechnologie in der Fertigung zu erfüllen. Vor diesem Hintergrund entstand die Ultrafast Laser Processing Platform, die mit ihrer extrem kurzen Impulsbreite von fs bis ps, ihrer Spitzenleistung und ihrer nahezu „Nullwärmeeinwirkung“ zu einem revolutionären Werkzeug in der Mikronanoherstellung, Präzisionsmedizinischen Geräten, Halbleitern, Luft- und Raumfahrt sowie der Verarbeitung neuer Funktionsmaterialien wurde.

1. Technisches Prinzip: Übergang von "Hitzebrennung" zu "Kaltbearbeitung"

Ultraschnelle Laser beziehen sich in der Regel auf Laser mit einer Impulsdauer zwischen 10-15 Sekunden (Femtosekunden) und 10-12 Sekunden (Pikosekunden). Der Hauptvorteil besteht darin, dass die extrem kurze Wirkungszeit deutlich geringer ist als die Energieübertragungszeit zwischen Elektronen und Gittern im Material (in der Regel im Maßstab von Pikosekunden). Wenn der ultraschnelle Laser die Oberfläche des Materials beleuchtet, wird die Photonenergie in sehr kurzer Zeit vom Elektronensystem absorbiert, so dass die Elektronen schnell einen hohen Temperaturzustand erreichen, und die Kristallzelle in Zukunft reagieren kann. Anschließend sprießen hochenergetische Elektronen die Substanz durch Köln-Explosion oder direkte Verdampfung heraus, um das Material zu entfernen.

Dieser Prozess, der als "nicht-heißschmelzbare Verarbeitung" oder "kalte Verarbeitung" bezeichnet wird, besteht darin, die chemischen Bindungen des Materials direkt durch nichtlineare Effekte wie Multiphotonen-Ionisierung und Lavinenionierung zu zerstören, anstatt durch herkömmliche wärmeleitende Schmelze. Daher erzeugen die Bearbeitungsbereiche kaum Wärmeeinwirkungszonen (HAZ), die Probleme wie Schmelzkanten, Risse, Restspannungen und Materialdeformationen vermeiden, insbesondere für Materialien mit sprüchigen, wärmeempfindlichen oder hohen Genauigkeitsanforderungen.

Systemzusammensetzung: eine multidisziplinäre Plattform für Präzisionstechnik

Eine komplette ultraschnelle Laserbearbeitungsplattform ist ein komplexes System mit Optik, Mechanik, Steuerung, Software und Automatisierung, das hauptsächlich aus den folgenden Teilen besteht:

1. Ultraschnelle Laserquelle: Der Kern ist ein Fetosekund- oder Pikosekundenfaserlaser, ein Feststofflaser (z. B. Yb: KGW, Ti: Saphir). Die Wellenlängen sind üblicherweise Infrarot (1030 nm), Grün (515 nm) oder UV (343 nm), die je nach Materialabsorptionseigenschaften ausgewählt werden können. Die durchschnittliche Leistung reicht von wenigen Watt bis zu Hunderten Watt und die Wiederholfrequenz ist einstellbar.

2. Strahlübertragung und Regulierungssystem: einschließlich Spiegel, Strahlvergrößerungsspiegel, Polarisationsregler usw., um eine stabile Laserübertragung zu gewährleisten. Ausgestattet mit einem Galvanometerscanner, der die Bewegung des Laserfokusses in der X-Y-Ebene innerhalb von Millisekunden präzise steuert, ermöglicht eine schnelle Bearbeitung komplexer Grafiken.

Fokus- und Bewegungsplattform: Fokussieren Sie den Laser auf Mikron- oder sogar Submikron-Flecken mit F-θ-Linsen. Für die dreidimensionale Bearbeitung ist ein hochpräziser elektrischer Z-Achse- oder Fünfachs-Verbindungs-Arbeitstisch ausgestattet, um die dynamische Anpassung der Fokusebene und die komplexe Oberflächenbearbeitung zu ermöglichen.

4. Visuelle Positionierung und Überwachungssystem: Integrierte CCD-Kamera oder Mikrobildsystem für die Gegenstellung von Werkstücken, die Echtzeitüberwachung des Bearbeitungsprozesses und die Qualitätsprüfung, um die Bearbeitungsgenauigkeit und das Automatisierungsniveau zu verbessern.

Steuerungssystem und Software: PC- oder Embedded-System-basierte Steuerungssoftware, unterstützt CAD-Grafik-Import, Pfadplanung, Prozessparametereinstellung (Leistung, Geschwindigkeit, Pulsfrequenz, Scanstrategie) und Batch-Verarbeitung mit freundlicher Mensch-Computer-Interaktion.

6. Hilfssystem: umfasst Staubentfernungseinrichtungen, Kühlsysteme, Gasschutz (z. B. Stickstoff, Argon) gegen Oxidation und geschlossene Schutzabdeckungen, die den Sicherheitsnormen der Klasse 1 entsprechen.

Technische Vorteile und Anwendungsbereiche

1. Ultra-hohe Präzision: Sie können eine Bearbeitungsauflösung auf Mikron- oder sogar Nano-Ebene erreichen, die sich für die Präzisionsherstellung von Mikroporen, Mikroslots und Mikrostrukturen eignet.

2. breite Materialanpassung: verarbeitbar Metalle, Keramik, Glas, Polymere, Verbundstoffe, Sapphire, Diamanten und andere fast alle festen Materialien, besonders in der Behandlung von harten und brüchigen Materialien, die mit traditionellen Methoden schwer verarbeitet werden können.

3. Keine Wärmeschäden: Geeignet für biomedizinische Geräte (wie Herzständer, künstliche Kristalle), flexible Elektronik, Photovoltaik und andere wärmeempfindliche Anwendungen.

Hohe Flexibilität: Keine Form erforderlich, durch die Software-Programmierung können Sie die Bearbeitungsmuster schnell wechseln, geeignet für kleine Mengen, Vielfaltsproduktion.

Typische Anwendungsszenarien:

- Präzisionsmedizinische Geräte: Herz-Kreislauf-Stents-Schneiden, Mikrobearbeitung von Augen-Chirurgien-Werkzeugen, Mikro-Fluid-Chip-Herstellung.

- Verbraucherelektronik: Smartphone-Kamera Sapphire Deckel Schneiden, OLED-Bildschirm Entfernen, Fingerabdruck Erkennung Modul Bohren.

- Halbleiter und Optoelektronik: Wafer-Slicing, Silizium-Through-Loch-Bearbeitung (TSV), Lichtwellenleitergravierung.

- Neue Energie: Lithium-Batterie-Polar-Ohr-Schnitt, Membran-Bohrung, PV-PERC-Batterie-Schlitz.

- Luft- und Raumfahrt: Bearbeitung von Turbinenblattfilmlöchern, Herstellung von Mikrostrukturen mit versteckten Beschichtungen.

- Frontlinien der wissenschaftlichen Forschung: Vorbereitung neuer funktioneller Strukturen wie hyperhydrophobe Oberflächen, Photonenkristalle und Mikronanoroboter.

Herausforderungen und Entwicklungstrends

Trotz der erheblichen Vorteile der Ultraschnelllasertechnologie stehen sie vor Herausforderungen wie hohe Kosten und relativ geringe Bearbeitungseffizienz (insbesondere bei großflächiger Bearbeitung). Zu den zukünftigen Trends gehören:

Höhere Leistung und Geschwindigkeit: Erhöhen Sie die durchschnittliche Leistung und Scangeschwindigkeit, um die Produktivität zu erhöhen.

Intelligente und adaptive Steuerung: Kombination von AI-Algorithmen für Prozessoptimierung und Echtzeit-Qualitätsfeedback.

- Parallelbearbeitung mit mehreren Strahlen: Durch die Strahlentechnologie wird die synchrone Bearbeitung mit mehreren Punkten erreicht und die Produktionskapazität erheblich erhöht.

Grüne Fertigung: Senken Sie den Energieverbrauch, reduzieren Sie den Abfall und fördern Sie die nachhaltige Entwicklung.

Die ultraschnelle Laserbearbeitungsplattform ist nicht nur ein Vertreter der fortschrittlichen Fertigungstechnologie, sondern auch ein Kernmotor für Mikronanotechnologie, intelligente Fertigung und industrielle Upgrades. Mit sinkenden Laserkosten und verbesserter Systemintegration bewegt sich die Ultraschnelllasertechnologie vom Labor zu skalierbaren industriellen Anwendungen, um eine neue Ära der Präzisionsfertigung zu eröffnen, die die Mikrowelt der Industrie der Zukunft beleuchtet.