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高速激光微加工实现大面积基板处理 2020-03-18

高速激光微加工技术正在成为现代微加工和生产的关键技术之一。在高速微加工技术的发展上, 将高功率激光器和高速扫描技术的优势相结合, 备受期待。这种结合,其主要目标是将创新和成熟的激光微加工工艺,从实验室引入到工业中,以在加工速度、生产率和吞吐量方面,纷纷实现新的提升。

现在,这种想法已经成为可能:一方面,最近在可提供数百至数千瓦功率、且光束质量优异的激光源开发方面,取得了新进展 ;另一方面,高平均功率的超快激光器也获得了进步。超快扫描系统是高速加工的另一个核心部分,它能够以前所未有的速度偏转激光束,即使在高激光功率下,也能避免激光对基板造成热损伤。

在一种颇有前景的方法中,基于多面镜的大幅面扫描系统,与长焦距场镜相结合,实现了每秒几十米到数公里的快速光斑移动。得益于出色的光束质量,直径几十微米的小光斑,可以在700mm×700mm的大扫描场内移动。对于精密微加工而言,激光束的行为必须由快速光束开关控制,以精确同步激光束与超快多面镜扫描系统。

大面积微尺度特征

高速激光微加工非常适合产生微观表面特征,这些特征的结构尺寸从数百纳米到几十微米。受自然界的启发,这些(亚)微尺度的特征,可用于控制机械、化学和物理表面功能,例如,自清洁和润湿性、静态摩擦和粘附、光学和微流体特性等。

 

图1a的案例中,显示了使用高平均功率的飞秒激光器(1030nm,400fs,450w)与多面镜扫描系统,加工出的大面积波纹结构的aisi304不锈钢表面。在500m/s的扫描速度下,激光束在这块280mm×190mm的衍射光栅上的加工速度为2000cm2/分钟。受鲨鱼皮上的微沟槽结构减阻效应的启发,图1b中显示了使用超快激光在铝机翼上加工出的用于减阻的表面纹理结构,这项加工使用的是功率为2.7kw、扫描速度为150m/s的连续波单模光纤激光器,加工速度为0.82m2/h。

案例中的工件,均使用多面扫描振镜加工而成。该扫描振镜具有31mm的大自由孔径,这是通过使用一个新颖的无畸变的双多面镜来实现的。该设计使得二维扫描振镜即使在大孔径下,也能实现紧凑设计。该扫描振镜是全数字化的:它使用了一个集成的现场可编程门阵列(fpga),频率为200mhz,扫描振镜经过几何优化校正,可以实时对外部影响(如轴运动)作出响应。

传统的f-θ透镜可以与扫描振镜一起使用。在系统中安装了一个焦距为420mm的f-θ透镜,产生大约40μm的焦斑。在这种情况下,可加工面积大约为300mm×300mm。通过使用外部轴,加工面积可以拓展到400mm×400mm。 最大扫描速度和最大频率分别为1000m/s和1.3khz。为了实现这个目的,多面镜以11000转/分的速度旋转。利用集成的数字电子元件,能够以200m/s的速度对扫描场(f-θ透镜的线倾斜、枕形畸变)进行完全校正。

在扫描振镜内部,使用一个周期时间为5ns的并行工作的fpga逻辑,并使用两个600mhz的处理器进行通信。为了满足高速微加工的需求,需要在多面镜的每条扫描线期间处理大量数据。在最大速度下,必须以超过80mb/s的速率处理数据。由于在特定扫描位置有瞬时数据输出的附加要求(实时系统),动态传输是不可能的。因此,扫描振镜本身包含了1gb的ddr ram,其最大数据存储速率为800mb/s。

该扫描振镜可以在三种不同的操作模式下工作。在位图模式下,高达32位的灰度编码位图,代表要在每个扫描位置应用的激光功率。在深度映射模式下,存储的位图包含每个扫描位置的深度信息。通过对整个扫描场的多周期照射,可以进行2.5d雕刻(在不同深度上创建多个平面特征)。在矢量模式下,将stl(surface tessellation language)文件加载到内存中,扫描振镜根据需要对三维数据执行实时切片,以进行选择性激光烧结。

对于这三种工作模式,必须需要高功率激光器的快速切换。目前,该扫描振镜已经用功率高达3kw的连续激光源、功率高达10kw的纳秒脉冲系统和超短脉冲系统进行了测试。接下来还将使用一个10kw的单模连续光纤激光器系统进行测试。

模块化激光平台

为了在工业应用中充分发挥多面扫描系统的潜力和激光源的全功率,有必要将该设备集成到一个可靠的微加工系统中。为此,3d-micromac公司提供了一个模块化的激光平台,称为microshape,其将所有这些要求都结合到了一起。microshape是为高精度、高动态加工大型平板玻璃和金属基板而设计的,这种可扩展的设计可以加工的幅面高达2m×3m。使用软件控制所有组件,并对准激光源、扫描振镜和整个光束路径。

microshape基于龙门式设计,可以在动力、计量、加工以及激光和光束传输组件中,进行特殊配置。根据其配置,可以实现如下指标:轴精度±2μm,加工精度±10μm,加工速度1.5m/s。microshape系统在工业生产中有着广泛的应用。除了用于不锈钢基板表面改性外(见图2),该系统还可用于各种烧蚀和非烧蚀切割或结构化加工,例如玻璃丝状化(使用超快激光切割玻璃)。




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