Wysokowydajny laser do precyzyjnej, opłacalnej obróbki materiałów
Mikroobróbka – precyzyjne wytwarzanie mikroelementów – daje wielu gałęziom przemysłu nadzieję na osiągnięcie wyższej wydajności przy niższych kosztach. Jej zastosowanie stało się łatwiejsze dzięki postępom w zakresie laserów generujących ultrakrótkie impulsy (USP) i technologii fotonicznej. Wyzwaniem pozostaje jednak opłacalne połączenie wysokiej precyzji z wydajnością/produktywnością i wysoką jakością. Projekt HIPERDIAS powstał w celu zademonstrowania laserowej obróbki materiałów opartej na technologii USP o niespotykanej dotąd wydajności, precyzji i jakości. Wsparcie ze strony UE umożliwiło połączenie wszystkich niezbędnych komponentów w stabilną, elastyczną i wszechstronną podstawę maszynową dla lasera femtosekundowego o dużej mocy oraz opracowanie systemu demonstracyjnego o mocy 1 kW, przetestowanego i zatwierdzonego przez użytkowników końcowych. Wykorzystując tę technologię, w ramach projektu przekroczono pożądany wskaźnik ablacji dla obróbki krzemu i osiągnięto większość kluczowych wskaźników wydajności w zakresie precyzyjnego cięcia metali i polerowania diamentów.
Wysoce zaawansowany system obróbki
Celem projektu jest osiągnięcie wysokiego wskaźnika wydajności bez utraty na precyzji, a także wysokiej jakości bez uszczerbku dla szybkości. Wymaga to zastosowania lasera femtosekundowego o bardzo wysokiej średniej mocy i dobrze dopasowanych parametrach wiązki. Laser musi uwzględniać czas trwania impulsu, jego energię, profil intensywności i polaryzację oraz zapewniać elastyczne generowanie wiązki. Wiązka musi trafiać na obrabiany przedmiot w dobrze zdefiniowany, szczególny dla danego zastosowania sposób, który pozwala na jej rozdzielenie przez element dyfrakcyjny lub szybkie przemieszczenie przez skaner bądź ultraszybkie modulatory. To ostatnie jest konieczne, aby uniknąć akumulacji ciepła, która pogarsza jakość obróbki. W tym celu w ramach projektu HIPERDIAS wysokowydajny, ultraszybki system laserowy Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) połączono z odpowiednio przystosowaną maszyną do obróbki diamentów, strukturyzacji trójwymiarowych elementów krzemowych i precyzyjnego cięcia metali. System został przetestowany pod kątem trzech zastosowań docelowych i okazał się szybszy od obecnie dostępnych rozwiązań: przy jego użyciu obróbkę trójwymiarowych elementów krzemowych i polerowanie syntetycznych diamentów udało się przeprowadzić w 50–60 razy szybszym tempie, a precyzyjnie cięcie metalu – od 20 do 25 razy szybciej niż w przypadku obecnych technologii.
Mnogość zastosowań
Rozwiązania opracowane w ramach projektu HIPERDIAS mogą zostać przyjęte przez wszystkie sektory, w których technologia laserowa może służyć do poprawy jakości produktów, zapewniając jednocześnie korzyści kosztowe i nowe rozwiązania produkcyjne. „System HIPERDIAS przyniesie dwojakie korzyści: stanie się wiodącym rozwiązaniem w tej ekscytującej dziedzinie i w ten sposób umocni europejskie przedsiębiorstwa, jednocześnie zmniejszając koszty wielu przedmiotów codziennego użytku, takich jak ekrany telefonów komórkowych, dla konsumentów”, mówi Marwan Abdou-Ahmed, koordynator projektu. Technologia ta może mieć wiele zastosowań, w tym w urządzeniach systemów mikroelektromechanicznych, piko-projektorach i wyrobach medycznych. Będzie ona również przydatna w różnych gałęziach przemysłu do mikroobróbki materiałów przezroczystych, wiercenia dysz czy strukturyzowania dużych powierzchni w zastosowaniach super wodoodpornych. W ramach projektu HIPERDIAS opracowano system, który może zwiększyć wydajność produkcji – od zegarków, poprzez statki powietrzne, po samochody. Ma on również wiele zastosowań naukowych – w takich dziedzinach jak spektroskopia i terapia protonowa – które mogłyby skorzystać na skalowaniu technologii w celu osiągnięcia wyższej wartości energii i mocy szczytowej. Zespół przewiduje, że system przemysłowych laserów femtosekundowych o mocy 1 kW będzie dostępny w ciągu trzech do pięciu lat. „Projekt HIPERDIAS pozwolił na urzeczywistnienie tej technologii, ale aby była ona szybsza i mogła wytrzymywać wyższe oczekiwane od niej moce, system wymaga dalszego rozwoju. Musimy na przykład dopracować różne elementy, takie jak generator wiązek i skanery”, podsumowuje Abdou-Ahmed.
Słowa kluczowe
HIPERDIAS, mikroobróbka, femtosekundowy, laser, fotoniczny, krzem, diament, metal, impuls, optyka
