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飛秒激光鉆孔技術(shù)，那才更牛，可以加工30微米以下的高精度小孔！
好吧！金屬加工小編今天就給金粉們分享一下這個(gè)技術(shù)吧！
飛秒激光鉆孔簡(jiǎn)介
所謂飛秒激光鉆孔，即使用頻率非常高的激光對(duì)材料進(jìn)行鉆孔，飛秒是時(shí)間單位，1飛秒等于一千萬(wàn)億分之一秒，相對(duì)于傳統(tǒng)激光加工設(shè)備，飛秒激光由于脈沖時(shí)間極短，被加工物體不會(huì)被加熱，特別適合加工30微米以下的高精度小孔。
對(duì)于飛秒激光而言，脈沖作用時(shí)間已經(jīng)實(shí)際小于1 ps，電子沒(méi)有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的燒蝕效果。
用飛秒激光進(jìn)行加工，激光脈沖能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制。
飛秒激光的作用原理
飛秒激光作用于金屬和非金屬加工時(shí)原理完全不同，金屬表面存在大量的自由電子，當(dāng)激光照射金屬表面時(shí)，自由電子會(huì)瞬間被加熱，數(shù)十飛秒內(nèi)讓電子電子發(fā)生碰撞，自由電子將能量傳道給晶格，形成開(kāi)孔。但由于自由電子碰撞的能量要比離子小的多，所以傳導(dǎo)能量需要較長(zhǎng)時(shí)間，但目前該難題已被我國(guó)科學(xué)家攻克。
在飛秒激光作用于非金屬材料時(shí)，由于材料表面自由電子較少，激光照射時(shí)先要使得材料表面電離，進(jìn)而產(chǎn)生自由電子，剩下的環(huán)節(jié)與金屬材料一致。飛秒激光加工微孔時(shí)，在初級(jí)階段先形成一個(gè)小坑，隨著脈沖數(shù)量的增多，坑深度不斷增加，但隨著深度的增加，坑底的碎屑飛出的難度也越來(lái)越大，導(dǎo)致激光向底部傳播的能量越來(lái)越少，最終達(dá)到深度不可增加的飽和狀態(tài)，即打完一個(gè)微孔。
飛秒激光新技術(shù)應(yīng)用
飛秒激光新技術(shù)應(yīng)用剛剛興起，主要應(yīng)用行業(yè)包括： 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)(特別是薄膜技術(shù))、平面顯示產(chǎn)業(yè)、合金微鑄造、精確孔徑和電極結(jié)構(gòu)加工、航空難材料加工、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域！
在中國(guó)制造2025的大戰(zhàn)略背景下，傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)面臨深度轉(zhuǎn)型，其中一個(gè)方向就是效率提升的同時(shí)轉(zhuǎn)向附加值更高、技術(shù)壁壘更高的高端精密加工。而激光加工完全符合于這一主旨，激光器及激光加工設(shè)備已經(jīng)在消費(fèi)電子觸摸屏模組生產(chǎn)、半導(dǎo)體晶圓劃片等高端3C制造領(lǐng)域嶄露頭角，并在藍(lán)寶石加工、曲面玻璃和陶瓷生產(chǎn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出全新的應(yīng)用前景。
01
3C產(chǎn)業(yè)
飛秒激光作為超短脈沖激光的典型代表，具有超短脈寬、超高峰值功率的特點(diǎn)，其加工對(duì)象廣泛，尤其適合加工藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷等脆性材料和熱敏性材料，因此適合于電子產(chǎn)業(yè)微細(xì)加工行業(yè)應(yīng)用。
主要原因是從去年開(kāi)始的指紋識(shí)別模組在手機(jī)上的應(yīng)用帶動(dòng)了專用設(shè)備飛秒激光的采購(gòu)。指紋模組涉及到激光加工的環(huán)節(jié)有：①晶圓劃片、②芯片切割、③蓋板切割、④FPC軟板外形切割鉆孔、⑤激光打標(biāo)等。其中主要是藍(lán)寶石/玻璃蓋板和IC芯片的加工。蘋果6從2015年開(kāi)始正式使用指紋識(shí)別同時(shí)帶動(dòng)了一批國(guó)產(chǎn)品牌的普及，目前指紋識(shí)別滲透率不足50%，因此用于加工指紋識(shí)別模組的激光機(jī)仍有較大發(fā)展空間。
同時(shí)，激光機(jī)還可以應(yīng)用于PCB鉆孔、晶圓劃片切割等，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬。尤其是隨著未來(lái)手機(jī)中藍(lán)寶石和陶瓷等高附加值脆性材料的應(yīng)用，激光加工設(shè)備將成為3C自動(dòng)化設(shè)備中重要的組成部分。我們認(rèn)為在3C自動(dòng)化加工設(shè)備領(lǐng)域，飛秒激光未來(lái)或?qū)缪輳V泛而深刻的角色。
02
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
長(zhǎng)久以來(lái)，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)始終是制約航空航天事業(yè)發(fā)展的瓶頸，產(chǎn)品的質(zhì)量不過(guò)關(guān)來(lái)自兩方面：一是材料技術(shù)；二是材料加工技術(shù)。飛秒激光鉆孔恰恰解決了這個(gè)難題！
在航空航天領(lǐng)域，燃?xì)鉁u輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的三大關(guān)鍵部件之首，其性能直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞。然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片工作溫度至少為1400攝氏度，因此必須對(duì)高溫部件，尤其是葉片必須使用精確的冷卻技術(shù)。
葉片冷卻一般通過(guò)大量不同直徑的氣膜孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，孔徑約為100~700微米，且空間分布復(fù)雜，多為斜孔，角度為15°到90°不等，為了提高冷卻效率，開(kāi)孔形狀往往成扇形或者矩形，這給加工帶來(lái)極大的難度。目前主流的方法是高速電火花，但工具電極制造極為困難，加工好的部件易磨損，加工速度慢，排除孔內(nèi)的加工屑比較困難，不易散熱，根本不適合大批量生產(chǎn)。
此外，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面通常要覆蓋一層熱障涂層、一般是陶瓷材料，采用傳統(tǒng)電火花無(wú)法加工，是未來(lái)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料逐漸走向非金屬化，電火花加工更不靠譜，而飛秒激光加工具有材料適應(yīng)廣、定位精度高、無(wú)機(jī)械變形、無(wú)直接接觸等各種優(yōu)點(diǎn)，非常適合加工微型孔。
03
核聚變
飛秒激光鉆孔技術(shù)還可被運(yùn)用于核聚變上，核聚變中的點(diǎn)火靶球具有充氣微孔，只有微孔的數(shù)量多、精度高才能保證聚變反應(yīng)的控制精度，而飛秒激光加工技術(shù)恰好能滿足這一要求。近年來(lái)飛秒激光鉆孔技術(shù)還被運(yùn)用到透明材料內(nèi)部的三維微孔加工中，這種制造技術(shù)將有利于制造飛機(jī)、坦克、艦艇上使用的光電傳感器設(shè)備。加工方法一般是通過(guò)液體輔助，在透明材料表面直接燒蝕成孔，讓液體將碎屑清除，這樣的方法可以達(dá)到更高的鉆孔深度。
04
醫(yī)療
目前用于眼科屈光治療的全飛秒激光應(yīng)該是飛秒技術(shù)在醫(yī)療中應(yīng)用的最成熟的設(shè)備之一。還有擴(kuò)張器、內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管等的加工等等。
還有在醫(yī)學(xué)治療方面，與長(zhǎng)脈沖激光相比，飛秒激光能量高度集中，作用期間幾乎沒(méi)有熱量傳輸效應(yīng)，因此也不會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的上升，這在激光手術(shù)醫(yī)療應(yīng)用方面非常重要。數(shù)度的溫度上升一方面會(huì)在瞬間變成壓力波傳到神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生痛感，另一方面可能會(huì)對(duì)生物體組織造成致命傷害。因此，飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)無(wú)痛和無(wú)損傷的安全治療。
突破飛秒激光鉆孔技術(shù)
雖然飛秒激光鉆孔技術(shù)擁有如此神奇的魔力，但其開(kāi)發(fā)難度也是非常大的，特別是進(jìn)行系統(tǒng)集成化、技術(shù)工程化的努力遭遇了各種困難，輸出功率也有限制。此外，如何能形成一套完整的微孔加工工業(yè)也是世界性難題，但通過(guò)我國(guó)科學(xué)家的努力，不但實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用化和集成化，還發(fā)明出了螺旋加工工藝，可以私人訂制不同形狀的微孔，可以說(shuō)是達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的地步。
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