Ancu s'è i laser ultraveloci sò stati intornu per decennii, l'applicazioni industriali sò cresciute rapidamente in l'ultimi dui decennii. In u 2019, u valore di mercatu di l'ultravelocimateriale laserU trasfurmazione era di circa 460 milioni di dollari americani, cù un tassu di crescita annuale cumpostu di u 13%. I campi d'applicazione induve i laser ultraveloci sò stati aduprati cù successu per trasfurmà materiali industriali includenu a fabricazione è a riparazione di fotomaschere in l'industria di i semiconduttori, è ancu a tagliuzzatura di silicone, u tagliu/incisione di u vetru è a rimozione di film ITO (ossidu di stagnu è indiu) in l'elettronica di cunsumu cum'è i telefoni cellulari è e tablette, a testurizazione di pistoni per l'industria automobilistica, a fabricazione di stent coronarii è a fabricazione di dispositivi microfluidici per l'industria medica.
01 Fabricazione è riparazione di fotomaschere in l'industria di i semiconduttori
I laser ultraveloci sò stati aduprati in una di e prime applicazioni industriali in a trasfurmazione di i materiali. IBM hà signalatu l'applicazione di l'ablazione laser à femtosecondi in a pruduzzione di fotomaschere in l'anni 1990. In paragone cù l'ablazione laser à nanosecondi, chì pò pruduce spruzzi di metallu è danni à u vetru, e maschere laser à femtosecondi ùn mostranu micca spruzzi di metallu, nisun dannu à u vetru, ecc. I vantaghji. Stu metudu hè adupratu per pruduce circuiti integrati (IC). A pruduzzione di un chip IC pò richiede finu à 30 maschere è costà > $ 100.000. A trasfurmazione laser à femtosecondi pò trattà linee è punti sottu à 150 nm.
Figura 1. Fabricazione è riparazione di fotomaschere
Figura 2. Risultati di ottimizazione di diversi mudelli di maschera per a litografia ultravioletta estrema
02 Tagliu di siliciu in l'industria di i semiconduttori
A sminuzzatura di e cialde di siliciu hè un prucessu di fabricazione standard in l'industria di i semiconduttori è hè tipicamente realizata cù a sminuzzatura meccanica. Queste rote di taglio sviluppanu spessu microfessure è sò difficiuli da taglià cialde sottili (per esempiu, spessore < 150 μm). U tagliu laser di e cialde di siliciu hè statu utilizatu in l'industria di i semiconduttori per parechji anni, in particulare per e cialde sottili (100-200 μm), è hè realizatu in parechje tappe: scanalatura laser, seguita da separazione meccanica o tagliu stealth (vale à dì, fasciu laser infrarossu in a scrivitura di siliciu) seguita da separazione meccanica di nastro. U laser à impulsi di nanosecondi pò processà 15 cialde per ora, è u laser à picosecondi pò processà 23 cialde per ora, cù una qualità più alta.
03 Tagliu/incisione di vetru in l'industria di l'elettronica di cunsumu
I schermi tattili è l'occhiali protettivi per i telefoni cellulari è l'urdinatori portatili sò sempre più sottili è alcune forme geometriche sò curve. Questu rende u tagliu meccanicu tradiziunale più difficiule. I laser tipici producenu tipicamente una scarsa qualità di tagliu, soprattuttu quandu questi schermi di vetru sò impilati in 3-4 strati è u vetru protettivu superiore di 700 μm di spessore hè temperatu, chì pò rompe si cù stress lucalizatu. Hè statu dimustratu chì i laser ultraveloci sò capaci di taglià questi vetri cù una migliore resistenza di u bordu. Per u tagliu di pannelli piatti di grandi dimensioni, u laser à femtosecondi pò esse focalizatu nantu à a superficia posteriore di a lastra di vetru, graffiendu l'internu di u vetru senza dannà a superficia frontale. U vetru pò tandu esse rottu aduprendu mezi meccanichi o termichi longu u mudellu incisu.
Figura 3. Tagliu di vetru laser ultraveloce à forma speciale in picosecondi
04 Texture di pistoni in l'industria automobilistica
I motori di e vitture leggere sò fatti di leghe d'aluminiu, chì ùn sò micca cusì resistenti à l'usura cum'è a ghisa. Studi anu dimustratu chì u trattamentu laser à femtosecondi di e texture di i pistoni di e vitture pò riduce l'attritu finu à u 25% perchè i detriti è l'oliu ponu esse almacenati efficacemente.
Figura 4. Trasfurmazione laser à femtosecondi di pistoni di motori d'automobile per migliurà e prestazioni di u mutore
05 Fabricazione di stent coronarii in l'industria medica
Milioni di stent coronarii sò impiantati in l'arterie coronarie di u corpu per apre un canale per chì u sangue scorri in i vasi altrimenti coagulati, salvendu milioni di vite ogni annu. I stent coronarii sò tipicamente fatti di rete metallica (per esempiu, acciaio inox, lega di memoria di forma nichel-titanio, o più recentemente lega di cobalto-cromu) cù una larghezza di u montante di circa 100 μm. Rispetto à u tagliu laser à impulsi longhi, i vantaghji di l'usu di laser ultraveloci per taglià e staffe sò l'alta qualità di tagliu, una migliore finitura superficiale è menu detriti, ciò chì riduce i costi di post-elaborazione.
06 Fabricazione di dispositivi microfluidichi per l'industria medica
I dispositivi microfluidichi sò cumunemente usati in l'industria medica per i testi è a diagnosi di e malatie. Quessi sò tipicamente fabbricati per stampaggio à microiniezione di parti individuali è poi incollaggio cù incollaggio o saldatura. A fabricazione laser ultraveloce di dispositivi microfluidichi hà u vantaghju di pruduce microcanali 3D in materiali trasparenti cum'è u vetru senza a necessità di cunnessione. Un metudu hè a fabricazione laser ultraveloce in un vetru sfuso seguita da incisione chimica umida, è un altru hè l'ablazione laser à femtosecondi in vetru o plastica in acqua distillata per rimuovere i detriti. Un altru approcciu hè di scavare canali in a superficia di u vetru è sigillalli cù una copertura di vetru via saldatura laser à femtosecondi.
Figura 6. Incisione selettiva indotta da laser à femtosecondi per preparà canali microfluidici in materiali di vetru
07 Microforatura di l'ugellu di l'iniettore
A machinazione di microfori laser à femtosecondi hà rimpiazzatu a micro-EDM in parechje cumpagnie in u mercatu di l'iniettori à alta pressione per via di una maggiore flessibilità in u cambiamentu di i profili di i fori di flussu è di tempi di machinazione più brevi. A capacità di cuntrullà automaticamente a pusizione di focu è l'inclinazione di u fasciu attraversu una testa di scansione di precessione hà purtatu à a cuncepimentu di profili di apertura (per esempiu, barile, flare, convergenza, divergenza) chì ponu prumove l'atomizazione o a penetrazione in a camera di combustione. U tempu di perforazione dipende da u vulume di ablazione, cù un spessore di perforazione di 0,2-0,5 mm è un diametru di u foru di 0,12-0,25 mm, rendendu sta tecnica dece volte più veloce di a micro-EDM. A microperforazione hè realizata in trè fasi, cumprese a sgrossatura è a finitura di i fori pilota passanti. L'argon hè adupratu cum'è gas ausiliariu per prutege u foru da l'ossidazione è per prutege u plasma finale durante e fasi iniziali.
Figura 7. Trasfurmazione laser d'alta precisione à femtosecondi di u foru cònicu inversu per l'iniettore di u mutore diesel
08 Texturizazione laser ultra-rapida
In l'ultimi anni, per migliurà a precisione di a machinazione, riduce i danni à i materiali è aumentà l'efficienza di u trattamentu, u campu di a micromachinazione hè diventatu gradualmente un focus di i circadori. U laser ultraveloce hà diversi vantaghji di trattamentu cum'è danni bassi è alta precisione, chì hè diventatu u focu di a prumuzione di u sviluppu di a tecnulugia di trattamentu. À u listessu tempu, i laser ultraveloci ponu agisce nantu à una varietà di materiali, è u dannu à i materiali di u trattamentu laser hè ancu una direzzione di ricerca maiò. U laser ultraveloce hè adupratu per ablà i materiali. Quandu a densità di energia di u laser hè più alta di a soglia di ablazione di u materiale, a superficia di u materiale ablatu mostrerà una struttura micro-nano cù certe caratteristiche. A ricerca mostra chì sta struttura superficiale speciale hè un fenomenu cumunu chì si verifica quandu si trattanu materiali cù laser. A preparazione di strutture micro-nano superficiali pò migliurà e proprietà di u materiale stessu è ancu permette u sviluppu di novi materiali. Questu face di a preparazione di strutture micro-nano superficiali per laser ultraveloce un metudu tecnicu cù un significatu di sviluppu impurtante. Attualmente, per i materiali metallichi, a ricerca nantu à a testurizazione di a superficia laser ultraveloce pò migliurà e proprietà di bagnabilità di a superficia metallica, migliurà e proprietà di attritu è di usura di a superficia, migliurà l'adesione di u rivestimentu è a proliferazione è l'adesione direzionale di e cellule.
Figura 8. Proprietà superidrofobiche di a superficia di siliciu preparata cù laser
Cum'è una tecnulugia di trasfurmazione d'avanguardia, a trasfurmazione laser ultraveloce hà e caratteristiche di una piccula zona affettata da u calore, un prucessu non lineare d'interazzione cù i materiali è una trasfurmazione d'alta risoluzione oltre u limite di diffrazione. Pò realizà una trasfurmazione micro-nano di alta qualità è d'alta precisione di vari materiali. è a fabricazione di strutture micro-nano tridimensionali. A realizazione di a fabricazione laser di materiali speciali, strutture cumplesse è dispositivi speciali apre nuove strade per a micro-nano fabricazione. Attualmente, u laser femtosecondu hè statu largamente utilizatu in parechji campi scientifichi d'avanguardia: u laser femtosecondu pò esse utilizatu per preparà vari dispositivi ottici, cum'è matrici di microlenti, ochji cumposti bionici, guide d'onda ottiche è metasuperficie; aduprendu a so alta precisione, alta risoluzione è cù capacità di trasfurmazione tridimensionali, u laser femtosecondu pò preparà o integrà chip microfluidichi è optofluidichi cum'è cumpunenti di microriscaldatori è canali microfluidichi tridimensionali; Inoltre, u laser à femtosecondi pò ancu preparà diversi tipi di micro-nanostrutture di superficie per ottene funzioni antiriflessu, antiriflessu, superidrofobiche, antighiaccio è altre; micca solu què, u laser à femtosecondi hè statu ancu applicatu in u campu di a biomedicina, mustrendu prestazioni eccezziunali in campi cum'è micro-stent biologichi, substrati di cultura cellulare è imaging microscopicu biologicu. Ampie prospettive d'applicazione. Attualmente, i campi d'applicazione di u trattamentu laser à femtosecondi si stanu espandendu annu dopu annu. Oltre à e micro-ottiche, a microfluidica, e micro-nanostrutture multifunzionali è l'applicazioni d'ingegneria biomedica sopra menzionate, ghjoca ancu un rolu enorme in alcuni campi emergenti, cum'è a preparazione di metasuperfici, a fabricazione di micro-nano è l'archiviazione di informazioni ottiche multidimensionali, ecc.
Data di publicazione: 17 d'aprile di u 2024
