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【天富测速登录】激光的类型和在金属微加工中的钻孔方法

一项新的激光技术结合了高精度,工业微加工工作所需的高加工精度和生产量。

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使用皮秒激光加工该微模具,该微模具的长度为2毫米,宽为500微米,深为600微米。

产生仅几微米大小的孔和其他特征的能力只是微加工难题中的一件。用于电子产品生产的组件(如喷油嘴,微型模具,喷丝板和面罩)上的微小机械加工元件也必须具有干净的边缘和无毛刺的表面,才能正常工作。通常很重要的一点是,加工过程中不要将热量引入工件,这可能会改变材料的性能。

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长期以来,激光技术已经能够以如此小的规模加工金属。但是,“激光微机械加工”一词用较宽的画笔绘画。这些系统在成本,复杂性、鲁棒性和能力方面各不相同,以适应工业生产要求。

皮秒激光是一种加工工具,已被证明可有效地以足够高的材料去除率对金属进行微加工。这种激光将不精确系统的易用性和通量与实验室仪器的控制和精度结合在一起。RMPC激光公司总裁Chuck Ratermann阐明了一些用于微机械加工金属的主要激光系统之间的一些差异。当然,这些设备仅适用于某些加工应用。但是服务于医疗、电子甚至汽车行业的企业都希望知道激光微加工可以带来什么好处。

激光的类型

三种激光类型通常用于微加工金属:纳秒、皮秒和飞秒激光。这些激光是根据其光束脉冲的持续时间来命名的。例如,飞秒激光器发出的每个脉冲持续飞秒(飞秒是纳秒的百万分之一,或10-15秒)。除重复率(每秒发射的脉冲数)外,光束脉冲的持续时间是两个因素,它们会影响激光器在工业微加工应用中的实用性。

纳秒激光器具有这三种激光器类型中最长的光束脉冲持续时间。在非常精确的应用中对金属进行微加工时,这会带来困难,因为较长的脉冲持续时间会在工件的该区域产生热影响区(HAZ)。热量会使基材回火,这对于某些组件可能是不可接受的。在纳秒激光加工过程中,材料吸收光束,加热,熔化和蒸发。但是,某些熔化的材料会掉落到工件上。这称为重铸,根据应用情况,可能必须通过二次精加工将其去除。

相反,飞秒激光器的持续时间是这三种激光器中最短的。在这种情况下,材料会吸收电子束,能量转移到晶格,从而破坏元素键并迅速发生等离子体膨胀。因为没有熔融相,所以不会形成重铸。这种材料去除方法被称为冷消融。尽管飞秒激光非常精确,但是它们是复杂的系统,并且重复频率通常很低(通常只有几千赫兹),因此不适合工业工作。

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皮秒激光器将毫微秒激光器的简单性和高重复率与飞秒激光器的准确性和“冷”运行融为一体。这些激光与飞秒激光一样被认为是短脉冲激光,这意味着没有材料熔化相。该材料立即变成等离子体,从而消除了热影响区问题。

例如,RMPC的固态RAPID皮秒激光器的脉冲持续时间小于15皮秒。该系统是可控制的,因此单个脉冲只能从零件表面去除10 nm的材料。短脉冲意味着能量位于较小的深度。由于没有时间将热量传导到工件材料中,这一事实使激光有效地加工了金属,例如钢、不锈钢、铝、钼、黄铜和铜。这也使激光能够加工非金属,例如铁氟龙、金刚石、陶瓷和玻璃,而不会对其表面造成微裂纹或碎裂。

与冷消融相关的最小热效应和机械效应允许高重复率,这转化为高消融(材料去除)率。RAPID激光的重复频率为500 kHz,这意味着对于8 kW激光,钢的烧蚀速度可高达1mm³/ min。

对于大多数微加工应用,根据要加工的特征,使用RAPID皮秒激光制成的光斑尺寸在4微米至50微米之间。在生产情况下,激光可以穿透厚度达0.5毫米的金属,或为厚度达0.5毫米的微模具制造盲孔或空腔。它可用于微米范围内的表面结构化和去除部件上的薄涂层而不会刺穿或损坏下面的基材。另外,激光可以用来“磨削”工件以获得更好的表面光洁度。

激光钻孔方法

有四种用于金属激光微加工的常用技术。这些是单发、敲击和螺旋钻孔。单发和打击乐是最快的两种钻孔方法。由于这些方法使用原始激光束进行加工,因此它们创建的孔与激光束的光斑大小大致相同。这两种方法可以提供高达10:1的纵横比(孔的长度与直径之比)。但是,在开孔和螺旋钻孔中,束斑尺寸小于要加工的孔,并且操纵工件或束以形成孔。后两种技术需要特殊的光束传输系统。

在简单的敲击过程中,激光束会穿透材料并以圆周运动的方式切出孔。螺旋钻孔是挖孔的一种形式,不会穿透材料。在这种情况下,光束沿着螺旋路径移动,并通过许多螺旋走刀逐渐烧蚀材料层。尽管这是最慢的激光加工方法,但它会在光束入射和出射侧产生最准确的孔和清晰的边缘。对于高纵横比(可能高达20:1)的钻孔,它也是最佳选择。另外,敲击光学器件允许光束产生正壁或负壁锥度。

取决于应用,用于激光微加工系统的工件固定和定位可以简单或复杂。例如,具有锥形孔和成角度孔的新型喷油嘴设计需要多轴定位(线性和旋转)以产生孔。其他复杂的系统可能将真空卡盘用于扁平工件。但是,在某些情况下,可以使用基本XY定位工件以进行激光加工。另外,双面胶带或框架可能足以固定较薄的工件。

对于目前成功使用纳秒激光器的企业,Ratermann先生不建议切换到皮秒激光器。尽管皮秒激光比纳秒激光更精确,但成本也更高。

对于考虑添加皮秒激光的商店,拉特曼先生建议将零件样品发送给激光供应商,以确定激光可以提供的速度和质量。车间还可以考虑拜访激光供应商,以确定基本的工件和光束操纵方法或更复杂的设置是否最适合其特定的金属微加工应用。

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