Obwuel et ultraschnell Laser schonn zënter Joerzéngten gëtt, sinn industriell Uwendungen an de leschten zwee Joerzéngten rapid gewuess. Am Joer 2019 war de Maartwäert vun ultraschnelle LaserLasermaterialD'Veraarbechtung louch bei ongeféier 460 Milliounen US-Dollar, mat enger duerchschnëttlecher jäerlecher Wuestumsquote vun 13%. Uwendungsberäicher, an deenen ultraschnell Laser erfollegräich fir d'Veraarbechtung vun industrielle Materialien agesat goufen, sinn ënner anerem d'Fabrikatioun a Reparatur vu Photomasken an der Hallefleiterindustrie, souwéi d'Siliciumveraarbechtung, d'Glasschneiden/-Ritzen an d'Entfernung vu (Indium-Zinn-Oxid) ITO-Film an der Konsumentelektronik wéi Handyen an Tablets, d'Texturéierung vu Kolben fir d'Automobilindustrie, d'Fabrikatioun vu Koronarstenten an d'Fabrikatioun vu Mikrofluidik-Apparater fir d'Medizinindustrie.
01 Fotomaskenherstellung a Reparatur an der Hallefleederindustrie
Ultraschnell Laser goufen an enger vun den éischten industriellen Uwendungen an der Materialveraarbechtung benotzt. IBM huet an den 1990er Joren iwwer d'Uwendung vun der Femtosekondenlaserablatioun an der Fotomaskeproduktioun bericht. Am Verglach mat der Nanosekondenlaserablatioun, déi Metallsprëtzer a Glasschued verursaache kann, weisen Femtosekondenlasermasken kee Metallsprëtzer, kee Glasschued, etc. D'Virdeeler. Dës Method gëtt benotzt fir integréiert Schaltungen (ICs) ze produzéieren. D'Produktioun vun engem IC-Chip kann bis zu 30 Masken erfuerderen a méi wéi $100.000 kaschten. Femtosekondenlaserablatioun kann Linnen a Punkten ënner 150 nm veraarbechten.
Figur 1. Fotomaskenherstellung a Reparatur
Figur 2. Optimiséierungsresultater vu verschiddene Maskenmuster fir extrem ultraviolett Lithographie
02 Siliziumschneiden an der Hallefleederindustrie
Siliziumwafer-Dicing ass e Standard-Produktiounsprozess an der Hallefleiterindustrie a gëtt typescherweis mat mechaneschem Dicing duerchgefouert. Dës Schneidrieder entwéckelen dacks Mikrorëss a si schwéier ze schneiden fir dënn (z.B. Déckt < 150 μm) Waferen. Laserschneiden vu Siliziumwaferen gëtt zënter ville Joren an der Hallefleiterindustrie benotzt, besonnesch fir dënn Waferen (100-200μm), a gëtt a verschiddene Schrëtt duerchgefouert: Lasergrooving, gefollegt vun enger mechanescher Trennung oder Stealth-Schnëtt (d.h. Infraroutlaserstrahl an der Siliziumrissen) gefollegt vun enger mechanescher Bandtrennung. Den Nanosekonne-Pulslaser kann 15 Waferen pro Stonn veraarbechten, an de Pikosekundenlaser kann 23 Waferen pro Stonn mat méi héijer Qualitéit veraarbechten.
03 Glasschneiden/-rissen an der Elektronikindustrie fir Konsummaterialien
Touchscreens a Schutzbrëller fir Handyen a Laptops ginn ëmmer méi dënn an e puer geometresch Forme si gebéit. Dëst mécht traditionellt mechanescht Schnëtt méi schwéier. Typesch Laser produzéieren normalerweis eng schlecht Schnëttqualitéit, besonnesch wann dës Glasbildschirmer 3-4 Schichten gestapelt sinn an dat iewescht 700 μm déckt Schutzglas gehärtet ass, wat bei lokaler Belaaschtung briechen kann. Ultraschnell Laser hunn sech als fäeg erwisen, dës Glaser mat enger besserer Kantstäerkt ze schneiden. Fir grouss Flachbildschierm ze schneiden, kann de Femtosekonnenlaser op d'Récksäit vun der Glasplack fokusséiert ginn, wouduerch d'Innere vum Glas kraazt, ouni d'Frontfläch ze beschiedegen. D'Glas kann dann mat mechaneschen oder thermesche Mëttelen laanscht de geriwwe Muster gebrach ginn.
Figur 3. Ultraschnellt Picosekonnen-Laser-Glas-Spezialformschneiden
04 Kolbentexturen an der Automobilindustrie
Liicht Automotore gi mat Aluminiumlegierungen hiergestallt, déi net sou verschleißbeständeg si wéi Goss. Studien hunn erausfonnt, datt d'Femtosekonnelaserveraarbechtung vun den Texturen vun Autokolwen d'Reibung ëm bis zu 25% reduzéiere kann, well Dreck an Ueleg effektiv gespäichert kënne ginn.
Figur 4. Femtosekonnenlaserveraarbechtung vun Autosmotorkolben fir d'Motorleistung ze verbesseren
05 Koronarstentproduktioun an der Medizinindustrie
Millioune vu Koronarstente ginn an d'Koronararterien vum Kierper implantéiert, fir e Kanal fir d'Blutt opzemaachen, dat an soss verstoppte Gefässer fléisst, wouduerch all Joer Millioune vu Liewe gerett ginn. Koronarstente gi typescherweis aus Metall (z.B. Edelstol, Néckel-Titan-Formgedächtnislegierung oder méi rezent Kobalt-Chrom-Legierung) Drotnetz mat enger Strutbreet vu ronn 100 μm hiergestallt. Am Verglach mam Laangpuls-Laserschneiden sinn d'Virdeeler vun der Notzung vun ultraschnelle Laseren fir d'Schneiden vu Klammeren eng héich Schnëttqualitéit, eng besser Uewerflächenqualitéit a manner Dreck, wat d'Käschte fir d'Noveraarbechtung reduzéiert.
06 Produktioun vu mikrofluideschen Apparater fir d'Medizinindustrie
Mikrofluidesch Apparater ginn dacks an der Medizinindustrie fir Krankheetstester an Diagnostik benotzt. Dës gi typescherweis duerch Mikro-Sprëtzguss vun eenzelnen Deeler hiergestallt an duerno mat Klebung oder Schweess verkleet. Ultraschnell Laserfabrikatioun vu mikrofluideschen Apparater huet de Virdeel, 3D-Mikrokanäl an transparenten Materialien wéi Glas ze produzéieren, ouni datt Verbindungen néideg sinn. Eng Method ass ultraschnell Laserfabrikatioun an engem Groussglas, gefollegt vun naasser chemescher Ätzung, an eng aner ass Femtosekundenlaserablatioun a Glas oder Plastik an destilléiertem Waasser fir Dreck ze entfernen. En aneren Usaz ass et, Kanäl an d'Glasoberfläche ze befreien an se mat enger Glasofdeckung iwwer Femtosekundenlaserschweessen ofzedichten.
Figur 6. Femtosekondlaser-induzéiert selektiv Ätzung fir mikrofluidesch Kanäl a Glasmaterialien ze preparéieren
07 Mikrobuerung vun der Injektordüse
Femtosekondenlaser-Mikrolächerbearbechtung huet Mikro-EDM a ville Firmen um Héichdrockinjektormaart ersat wéinst der méi grousser Flexibilitéit bei der Ännerung vun de Stroumlacherprofiler a méi kuerzer Bearbechtungszäiten. D'Fäegkeet, d'Fokuspositioun an d'Kippung vum Stral automatesch duerch e Präzessiouns-Scankapp ze kontrolléieren, huet zum Design vun Aperturprofiler (z.B. Barrel, Flare, Konvergenz, Divergenz) gefouert, déi d'Zerstäubung oder d'Penetratioun an der Verbrennungskammer förderen kënnen. D'Buerzäit hänkt vum Ablatiounsvolumen of, mat enger Buerdéckt vun 0,2 - 0,5 mm an engem Lachduerchmiesser vun 0,12 - 0,25 mm, wat dës Technik zéngmol méi séier mécht wéi Mikro-EDM. Mikrobuerung gëtt an dräi Etappen duerchgefouert, dorënner d'Raufräsen an d'Veraarbechtung vun Duerchgangspilotlächer. Argon gëtt als Hëllefsgas benotzt fir d'Buerlach virun Oxidatioun ze schützen an de finale Plasma während den initialen Etappen ofzesécheren.
Figur 7. Femtosekonnenlaser-Héichpräzisiounsveraarbechtung vun engem ëmgedréinte Konuslach fir eng Dieselmotoreinjektor
08 Ultra-schnell Lasertexturéierung
An de leschte Joren, fir d'Bearbechtungsgenauegkeet ze verbesseren, Materialschued ze reduzéieren an d'Veraarbechtungseffizienz ze erhéijen, ass de Beräich vun der Mikrobearbechtung lues a lues zu engem Fokus vun de Fuerscher ginn. Ultraschnell Laser huet verschidde Veraarbechtungsvirdeeler wéi niddrege Schued a héich Präzisioun, wat zum Fokus vun der Fërderung vun der Entwécklung vun der Veraarbechtungstechnologie ginn ass. Gläichzäiteg kënnen ultraschnell Laser op eng Vielfalt vu Materialien wierken, an d'Laserveraarbechtung vu Materialschued ass och eng wichteg Fuerschungsrichtung. Ultraschnell Laser gëtt benotzt fir Materialien ze abléieren. Wann d'Energiedicht vum Laser méi héich ass wéi den Ablatiounsschwellwäert vum Material, weist d'Uewerfläch vum abléierte Material eng Mikro-Nano-Struktur mat bestëmmte Charakteristiken. D'Fuerschung weist, datt dës speziell Uewerflächenstruktur e gemeinsamt Phänomen ass, dat bei der Laserveraarbechtung vu Materialien optrieden. D'Virbereedung vu Mikro-Nano-Uewerflächenstrukturen kann d'Eegeschafte vum Material selwer verbesseren an och d'Entwécklung vun neie Materialien erméiglechen. Dëst mécht d'Virbereedung vu Mikro-Nano-Uewerflächenstrukturen mat Ultraschnelllaser zu enger technescher Method mat wichteger EntwécklungsBedeitung. Aktuell kann d'Fuerschung iwwer ultraschnell Laseroberflächentexturéierung fir Metallmaterialien d'Benässegkeetseigenschaften vun der Metalloberfläche verbesseren, d'Uewerflächenreibung an d'Verschleiseigenschaften verbesseren, d'Beschichtungshaftung an d'direktional Proliferatioun an Haftung vun Zellen verbesseren.
Figur 8. Superhydrophobesch Eegeschafte vun der laservirbereeter Siliziumoberfläche
Als modern Veraarbechtungstechnologie huet déi ultraschnell Laserveraarbechtung d'Charakteristike vun enger klenger Hëtzt-beaflosster Zon, engem netlinearen Interaktiounsprozess mat Materialien an enger héichopléisender Veraarbechtung iwwer d'Diffraktiounsgrenz eraus. Si kann eng héichqualitativ a präzis Mikro-Nano-Veraarbechtung vu verschiddene Materialien an dräidimensional Mikro-Nano-Strukturfabrikatioun realiséieren. D'Laserfabrikatioun vu spezielle Materialien, komplexe Strukturen a speziellen Apparater mécht nei Weeër fir d'Mikro-Nano-Fabrikatioun op. De Moment gëtt de Femtosekondenlaser a ville modernen wëssenschaftleche Beräicher wäit verbreet: de Femtosekondenlaser kann benotzt ginn fir verschidden optesch Apparater virzebereeden, wéi z. B. Mikrolënsenarrays, bionesch Compound-Aen, optesch Wellenleiter a Metasurfaces; mat senger héijer Präzisioun, héijer Opléisung a mat dräidimensionalen Veraarbechtungskapazitéiten kann de Femtosekondenlaser mikrofluidesch an optofluidesch Chips wéi Mikroheizungskomponenten an dräidimensional Mikrofluidesch Kanäl virbereeden oder integréieren; Zousätzlech kann de Femtosekondenlaser och verschidden Aarte vu Mikro-Nanostrukturen op der Uewerfläch virbereeden, fir Antireflexioun, Antireflexioun, Superhydrophobitéit, Anti-Äis- a weider Funktiounen z'erreechen; net nëmmen dat, de Femtosekondenlaser gëtt och am Beräich vun der Biomedizin agesat a weist aussergewéinlech Leeschtungen a Beräicher wéi biologesch Mikrostenten, Zellkultursubstrater a biologescher mikroskopescher Bildgebung. Breet Uwendungsperspektiven. De Moment erweideren sech d'Uwendungsfelder vun der Femtosekondenlaserveraarbechtung vu Joer zu Joer. Zousätzlech zu den uewe genannten Mikrooptik, Mikrofluidik, multifunktionnelle Mikro-Nanostrukturen an Uwendungen an der biomedizinescher Ingenieurswëssenschaft spillt en och eng grouss Roll a verschiddenen opkomende Beräicher, wéi z. B. Metasurfacevirbereedung, Mikro-Nanofabrikatioun a multidimensionaler optescher Informatiounsspäicherung, etc.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 17. Abrëll 2024
