Lo stato e le prospettive della tecnologia di lavorazione di precisione laser

Il raggio laser può essere focalizzato su dimensioni molto ridotte, il che lo rende particolarmente adatto per lavorazione di precisione. Dividiamo l'attuale tecnologia di lavorazione laser in tre livelli in base alle dimensioni del materiale lavorato e ai requisiti di precisione della lavorazione:

• ① Tecnologia di lavorazione laser per materiali di grandi dimensioni, con lastre spesse (da diversi millimetri a decine di millimetri) come oggetto principale, e la sua precisione di lavorazione è generalmente a livello millimetrico o sub-millimetrico;
• ② Tecnologia di lavorazione laser di precisione, con lastre sottili (da 0.1 a 1.0 mm) come oggetto di lavorazione principale e la sua precisione di lavorazione è generalmente dell'ordine di dieci micron;
• ③ Tecnologia di microfabbricazione laser, per vari film con uno spessore inferiore a 100μm come oggetto di lavorazione principale, la sua precisione di lavorazione è generalmente inferiore a 10 micron o addirittura a un livello inferiore al micron.

Va notato che nell'industria dei macchinari, per precisione di solito si intende una piccola rugosità superficiale e una piccola gamma di tolleranze (incluse posizione, forma, dimensione, ecc.). Tuttavia, il termine "precisione" in questo articolo si riferisce al piccolo spazio nell'area in elaborazione, il che significa che la dimensione limite che può essere elaborata è piccola. Nei suddetti tre tipi di lavorazione laser, la tecnologia di lavorazione laser di pezzi di grandi dimensioni è diventata sempre più matura e il grado di industrializzazione è stato molto elevato. Sono state riviste molte letterature; Anche le tecnologie di microlavorazione laser come il taglio laser, l'incisione laser di precisione, la tecnologia di scrittura diretta laser sono state ampiamente utilizzate nell'industria e ci sono molti rapporti correlati. Questo articolo si concentrerà sulla tecnologia di lavorazione di precisione laser. Per comodità, gli obiettivi di lavorazione per la lavorazione di precisione menzionati di seguito sono limitati alle lastre sottili (0.1-1.0 mm).

1. Confronto tra lavorazione laser di precisione e metodi di lavorazione tradizionali

Con il progresso della tecnologia, i tipi di tecnologia di lavorazione di precisione stanno diventando sempre più abbondanti.

La lavorazione laser di precisione presenta le seguenti caratteristiche significative:

• ①L'ambito della lavorazione di precisione laser è ampio, compresi quasi tutti i materiali metallici e non metallici. Mentre la lavorazione elettrolitica può elaborare solo materiali conduttivi, la lavorazione fotochimica è adatta solo per materiali facilmente corrosivi e la lavorazione al plasma è difficile da elaborare con determinati materiali ad alto punto di fusione.
• ② Ci sono pochi fattori che influenzano la qualità della lavorazione di precisione laser e la precisione della lavorazione è elevata ed è generalmente migliore di altri metodi di lavorazione tradizionali in generale.
• ③ Dal punto di vista del ciclo di lavorazione, l'elettrodo dell'utensile di EDM richiede alta precisione, grandi perdite e un lungo ciclo di lavorazione; il design dello stampo catodico per la cavità di lavorazione e il profilo della lavorazione elettrolitica è ampio e anche il ciclo di produzione è lungo; Le procedure sono complicate; la lavorazione di precisione laser è semplice, la larghezza della fessura è facile da regolare e controllare, la velocità di lavorazione è veloce e il ciclo di lavorazione è più breve rispetto ad altri metodi.
• ④La lavorazione di precisione laser appartiene alla lavorazione senza contatto, senza forza meccanica. Rispetto all'elettroerosione e alla lavorazione ad arco plasma, la sua zona termicamente alterata e la sua deformazione sono molto piccole, quindi può elaborare parti molto piccole.

In sintesi, la tecnologia di lavorazione di precisione laser presenta molti vantaggi rispetto ai metodi di lavorazione tradizionali e le sue prospettive di applicazione sono molto ampie.

2. Introduzione alle apparecchiature di lavorazione di precisione laser comunemente utilizzate

I laser comunemente usati per la lavorazione di precisione includono: laser CO2, laser YAG, laser a vapore di rame, laser ad eccimeri e laser CO, ecc. Per le loro caratteristiche laser, vedere la letteratura per i dettagli. 

Tra questi, i laser CO2 ad alta potenza e i laser YAG ad alta potenza sono ampiamente utilizzati nella tecnologia di lavorazione laser su larga scala; i laser a vapore di rame e i laser ad eccimeri sono più ampiamente utilizzati nella tecnologia di microlavorazione laser; i laser YAG di media e bassa potenza sono generalmente utilizzati per lavorazioni meccaniche di precisione.

3. Applicazione della lavorazione di precisione laser e sviluppo della Cina e internazionale

3.1 Stato internazionale

3.1.1 Foratura laser di precisione

Con il progresso della tecnologia, il metodo di punzonatura tradizionale non è stato in grado di soddisfare le esigenze in molte occasioni. Ad esempio, piccoli fori con un diametro di diverse decine di micrometri vengono lavorati su leghe di carburo di tungsteno duro; fori profondi con un diametro di diverse centinaia di micrometri vengono elaborati su rosso duro e fragile e zaffiro, ecc., Che non possono essere ottenuti con i metodi di lavorazione convenzionali. La densità di potenza istantanea del raggio laser è di ben 108 W/cm2, che può riscaldare il materiale fino al punto di fusione o punto di ebollizione in breve tempo per ottenere la perforazione sui materiali di cui sopra. Rispetto al fascio di elettroni, all'elettrolisi, alla scintilla elettrica e alla perforazione meccanica, la perforazione laser ha una buona qualità, un'elevata precisione di ripetizione, una forte versatilità, un'elevata efficienza, un basso costo e significativi vantaggi tecnici ed economici completi. La perforazione laser di precisione internazionale ha raggiunto un livello molto alto. Un'azienda svizzera utilizza laser a stato solido per praticare fori nelle pale delle turbine degli aerei, che possono elaborare microfori con un diametro da 20 μm a 80 μm e il rapporto tra diametro e profondità può raggiungere 1:80 (vedi Figura 1 (a)) . Il raggio laser può anche elaborare vari fori di forma speciale come fori ciechi (vedi Figura 1 (b)) e fori quadrati su materiali fragili come la ceramica, che non possono essere ottenuti con la normale lavorazione.

3.1.2 Taglio laser di precisione

Rispetto al metodo di taglio tradizionale, precisione taglio laser ha molti vantaggi. Ad esempio, può eseguire incisioni strette, quasi nessun residuo di taglio, piccola zona interessata dal calore, basso rumore di taglio e può risparmiare dal 15% al ​​30% di materiale. Poiché il laser produce difficilmente impulsi meccanici e pressione sul materiale da tagliare, è adatto per il taglio di materiali duri e fragili come vetro, ceramica e semiconduttori. Inoltre, il punto laser è piccolo e la fessura è stretta, quindi è particolarmente adatto per piccole parti. Tipo di taglio di precisione. Un'azienda svizzera utilizza laser a stato solido per il taglio di precisione e la sua precisione dimensionale ha raggiunto un livello molto elevato.

Un'applicazione tipica del taglio laser di precisione è il taglio di stencil SMT in schede di circuiti stampati (vedere la Figura 2). Il tradizionale metodo di lavorazione del modello SMT è un metodo di incisione chimica. Il suo fatale svantaggio è che la dimensione limite della lavorazione non deve essere inferiore allo spessore della piastra e il metodo di incisione chimica ha un processo complicato, un lungo ciclo di lavorazione e il mezzo corrosivo inquina l'ambiente. 

L'utilizzo della lavorazione laser può non solo superare queste carenze, ma anche rielaborare il modello finito. In particolare, la precisione della lavorazione e la densità del gap sono significativamente migliori rispetto alla prima (vedere la Figura 3). È leggermente inferiore al precedente. Tuttavia, a causa dell'alto contenuto tecnologico dell'intero set di attrezzature utilizzate per la lavorazione laser e del prezzo elevato, solo poche aziende in pochi paesi come Stati Uniti, Giappone e Germania possono produrre l'intera macchina.

3.1.3 Saldatura laser di precisione

La saldatura laser ha una zona termicamente alterata molto stretta e un piccolo cordone di saldatura. In particolare, può saldare materiali ad alto punto di fusione e metalli dissimili senza la necessità di materiali aggiuntivi. L'uso internazionale di laser YAG solidi per saldatura continua e saldatura a punti ha raggiunto un livello elevato. Inoltre, i fili conduttori del circuito stampato sono saldati al laser, che non richiede l'uso di un flusso, e può ridurre lo shock termico senza influenzare il circuito stampato, garantendo così la qualità del circuito integrato (vedi Figura 4) .

3.2 Situazione attuale in Cina

Dopo oltre 20 anni di sforzi, in termini di tecnologia di lavorazione laser di precisione e attrezzatura completa, sebbene la Cina sia stata utilizzata nella incisione laser ceramica e nella saldatura a punti laser di parti metalliche micro-piccole, saldatura continua e saldatura a tenuta d'aria e marcatura, eccetera. 

Tuttavia, nella tecnologia di lavorazione di precisione laser, il processo di taglio e incisione di precisione del modello di circuito microelettronico ad alto contenuto tecnico e ampio mercato di applicazione, fori passanti, fori ciechi e fori di forma speciale, fessure di varie specifiche e dimensioni su fogli di ceramica e stampati circuiti stampati La lavorazione di precisione laser e altri aspetti sono ancora in fase di ricerca e sviluppo e non è apparso alcun prototipo industriale corrispondente. 

La maggior parte degli utenti in Cina generalmente utilizza modelli importati o lavorazioni su commissione a Hong Kong e in altri luoghi. Il prezzo elevato e il ciclo lungo hanno seriamente compromesso il ciclo di sviluppo del prodotto. Negli ultimi anni, alcune grandi aziende internazionali hanno visto l'enorme potenziale di mercato cinese nel settore della lavorazione laser di precisione. , Ha iniziato ad aprire filiali in Cina. Tuttavia, gli elevati costi di lavorazione aumentano i costi del prodotto e continuano a scoraggiare molte aziende.

4. Tendenza di sviluppo e prospettiva della tecnologia di lavorazione di precisione laser

Laser di alta qualità, efficienti, stabili, affidabili ed economici sono i prerequisiti per la promozione e l'applicazione della lavorazione di precisione. Una delle tendenze di sviluppo della lavorazione laser di precisione è la miniaturizzazione dei sistemi di lavorazione. Negli ultimi anni, i laser a pompa di diodi si sono sviluppati rapidamente. Presenta una serie di vantaggi come un'elevata efficienza di conversione, una buona stabilità del lavoro, una buona qualità del raggio e dimensioni ridotte. È probabile che diventi il ​​laser principale per la prossima generazione di lavorazioni laser di precisione.

L'integrazione dei sistemi di lavorazione è un'altra importante tendenza nello sviluppo della lavorazione laser di precisione. Sistematizzare e migliorare la tecnologia di lavorazione di precisione laser per vari materiali; sviluppare un software di controllo dedicato e di facile utilizzo adatto alla lavorazione di precisione laser e integrarlo con il database di processo corrispondente; combinare controllo, processo e laser per ottenere l'ottica. L'integrazione di macchine, elettricità e lavorazione dei materiali è una tendenza inevitabile nello sviluppo della lavorazione di precisione laser.

Sebbene la Cina abbia un grande divario con l'internazionale in termini di tecnologia e attrezzature di lavorazione laser, se continuiamo a migliorare la qualità del raggio laser e l'accuratezza della lavorazione basata sull'originale, combinata con la ricerca della tecnologia di lavorazione dei materiali, occuperemo la precisione del laser mercato della lavorazione il più possibile. E penetrare gradualmente nel campo della microlavorazione laser, può promuovere il rapido sviluppo di taglio laser tecnologia e infine trasformare la lavorazione di precisione laser in un'industria su larga scala.

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