超短脉冲激光器：用于“热”应用的高精度微切割

对于高精度应用，固定切割微切割是扫描电流计用于某些应用中的冷烧蚀的有前景的替代方案。该加工方法可以通过锥角补偿，工艺气体供应或工件加工进一步优化。引言超短脉冲（USP）激光器现已慢慢从研究实验室转向工业微加工。皮秒级和飞秒级的脉冲宽度允许材料直接蒸发而不会液化。通过冷烧蚀可以逐层去除玻璃，金属，陶瓷和聚合物。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻，扫描电流计不会为要切割和钻孔的复合材料创造任何热影响区（HAZ），从而提高表面和边缘质量（见图1）。图1：USP激光器通过冷烧蚀进行微机械加工。左图：聚合物芯片系统实验室的约200微米宽的微通道。右图：高边缘品质的铜指针显示出明显的锥角（0.7mm宽）。超短激光脉冲消除热效应然而，对于某些应用，通过扫描电流计冷烧蚀获得的精度和锥角是不够的。锥角在狭缝的边界处产生，部分是因为激光能量密度（每单位面积的能量）在那里是低的，部分是因为材料在那里再沉积。对于这些应用，固定加工头，工艺气体喷嘴和高精度轴的使用是有利的。然而，与扫描振镜相比，轴的加速度和速度可以忽略不计。因此，激光引入的热量将更多地应用于固定处理头。即使是本地化的材料也不能完全排除这种现象。尽管如此，仍然可以保持工件的质量。与固态激光器和CO2激光器相比，超短脉冲确保与热激光切割相比，引入的热量在时间和空间上是可控的。因此，对工件仍然没有热影响。具有固定加工头的USP激光微切割就像微尺度热加工。更锐利的锥角和良好的边缘质量与扫描电流计的冷烧蚀加工相比，如果正确使用固定的微切割工艺，可以实现更尖锐的锥角，同时保持良好的边缘质量。优化的喷嘴提供工艺气体，可在高压下去除材料切割。除了激光参数之外，喷嘴的几何形状和位置以及工艺气体的类型和压力也显着影响切割效果。另一个重要方面是开发一种合适的工件固定夹具，支持可靠的固定和材料的自由切割（图2）。将设计导入激光系统时，必须考虑激光的切入和退出位置。在高精度，工艺开发和质量控制方面，需要适当的测量设备来可靠地测量几微米的公差和低于一微米的表面粗糙度值。图2：固定切割微切割比扫描电流计冷烧蚀产生更高的精度和更陡的锥角。左图：直径约5毫米的齿轮。右图：为了获得良好的质量，必须通过喷嘴（顶部）提供加工气体和适当的工件固定。固定光学元件可以微切割金属，硅和陶瓷等材料（图3）。为了提高成本效率和生产率，可以考虑并行处理头。 Trumpf的高功率超短脉冲激光器TruMicro支持这种光谱方法（图。 4）。图3：固定光学微切割陶瓷。左图：直径约5 mm的部分是钟表行业应用的测试几何图形。右图：蓝宝石和硅也可以这种方式切割。用于改善部件质量的后续处理方法各种后续处理可以进一步改善工件的质量。在电火花线切割加工和微铣削的情况下，可以考虑热处理以获得目标强度，硬度或退火材料。为了优化粗糙表面，如果需要，可以使用一些化学机械后处理方法。激光切割工件，有时通过电化学涂层实现所需的surface。钟表工业是固定光学微切割或钻孔的最重要应用领域之一，例如红宝石微型轴承，手表把手或其他元件。图4：TruMicro 5000皮秒和飞秒系列激光器的平均功率为100瓦，脉冲能量高达250微焦耳。超短脉冲的脉冲宽度与其他参数相结合有助于减少和消除热影响区（HAZ）。孔径设计用于钻孔。在加工过程中，我们通常需要获得陡峭的90度锥角。对于小孔的钻孔，可以使用所谓的穿孔加工头。当涉及微切割更复杂的几何形状时，这种方法也变得越来越有利。从热管理的角度来看，这种加工方法类似于用精密机械轴固定加工头微切削加工。然而，一些开发工作仍需要改进现有的裸眼加工头，使其对更复杂的工业微切割应用更加用户友好。一个有趣且具有挑战性的选择是工件支架由倾斜的锥角补偿，尤其是整个工件。