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光纤激光打标更适于金属微加工的原因

在各个行业应用中,特别是在医疗、汽车和电子行业,所需要的元器件越来越小,已经是一个不争的事实。

市场正在使用新的微加工技术,包括具有优良光束质量的先进激光打标机,来获得类似于传统加工技术的加工效果,但是加工方式却更便宜、更快速、更灵活。光纤激光打标技术的成本能比传统加工技术便宜两到三倍。

正在寻求降低制造成本、同时满足小型化加工挑战的批量制造商们,可使用单模光纤激光打标机在一系列材料(包括钢、镍、钛、硅、铝和铜)上实现出色的加工效果。考虑更换电火花加工(EDM)设备的厂商,以及那些正在考虑采用新工艺时可能转向532nm 355nm 激光器的厂商,都可以考虑使用光纤激光打标机。

微加工:只能看到结果,看不到细节

微加工是指使用诸如钻孔、切割、划线和开槽这些标准的机加工操作,来制造非常细小的特征。实际上并没有一个官方的尺寸标准来确定何时一种操作是微加工,但是一个好的经验法则是,不借助辅助观察工具,这些特征就不能被看到,或者说你只能看到结果,但是看不到细节。换句话说,你可能不知道对材料做了什么来获得特定的加工效果。例如,如果你在一块铜上钻了 50μm 的孔,你只会看到光,但是却不能看到让光通过的孔,到底多大或多小。

光纤激光打标机:正确的微加工工具

在一个熟练操作工的手中,使用光纤激光打标机用于微加工的最新进展,可以创建出想要的特征。这种方法的主要优点是 :光纤激光打标机比用于微加工的传统设备便宜两到三倍。成功地实现细小尺寸的微加工,不仅需要正确的工具,而且要具备如何使用工具获得想要的结果这方面的知识,同时也要考虑材料去除的质量和速度。

例如,Miyachi America 公司最近推出的 LMF2000-SM 单模光纤激光打标机,其特点是具有独特的参数以及对这些参数的控制能力,能够实现细小尺寸特征的微加工和卓越的材料去除速度。

LMF2000-SM 光纤激光打标机,具有极高的光束质量,可生成直径低至 20μm 的聚焦光斑,因此特别适用于各种材料(包括氧化铝、硅、铜和铝箔)的划线和切割。此外,使用具有不同脉冲宽度和峰值功率特性的可选脉冲宽度波形,能够调整特征表面的去除速度和加工质量。

脉冲宽度和峰值功率的独立控制,相比于传统的 Q 开关激光器(其提供固定的脉冲宽度/峰值功率设置),具备明显的控制优势和过程可调谐性。快速移动激光束的扫描头也是该系统的关键部分,其需要以适当的重复性和精度提供足够高速的运动。

光纤激光微加工技术可用于各种应用中,例如用于阻焊层的选择性去除、太阳能电池划线和钻孔,用于医用低碳钢管和流体流动控制系统的不锈钢的钻孔,以及为快速零件原型制造切割厚度为 0.02 英寸以下的金属。

光纤激光打标机Vs.其他微加工技术

单模光纤激光打标机可以替代更昂贵的微加工技术,包括 EDM 设备或 532nm 355nm Nd YVO4 激光器。

 

1 中显示了光纤激光打标机是可以替代 EDM 机器的。左图中显示了使用光纤激光打标机,在厚度为200μm 的钢板中钻出直径 150μm 的孔,孔径公差为 ±10μm,无需后处理工作。仅使用 EDM 设备所需时间的 50%,光纤激光打标机就实现了最小量的碎屑和紧密孔径公差加工。

此外,由于激光打标机提供 XY工作区域,其可以在单次装载操作中完成多个零件的加工,这也是与EDM 设备的不同之处(除非在运动设备中进行额外投资)。这种优势使得光纤激光打标机的投资回报(ROI)更加具有吸引力。光纤激光器还可以加工薄片材料和箔等加工困难的材料,正如图 1 中所显示的,其可以加工厚度仅为 50μm 的铜箔。

 

2 中分别给出了使用光纤激光打标机(左图)和 355nm 的紫外激光器(右图)在硅上钻孔的效果图。尽管紫外激光器能提供比光纤激光器更好的加工质量,但是对于这种特定应用而言,光纤激光器的加工效果已经足够好,其加工质量足以满足应用要求。此外,光纤激光器的加工速度比紫外激光器快 17 倍,且其成本仅为紫外激光器的 50%。由于激光路径程序误差,紫外激光器加工的孔的圆度略有缺陷。

3 中比较了在相同的加工时间内,分别使用 20W 的光纤激光器(左图)和 5W 355nm 紫外激光器(右图),在厚度为 0.008 英寸的不锈钢上钻孔的效果图。

 

4 中突出显示了使用单模光纤激光器可能实现的精细度和加工控制,在此,光纤激光打标机用于在厚度为 25μm 的金属箔上实现深度为 13μm 的加工。加工的通道宽度为 75μm,整个区域内的深度变化为±1μm

陶瓷也是微电子学中的一种常用材料,355nm 的紫外激光器通常用于陶瓷材料的划线和钻孔。图 5 中显示了光纤激光打标机可以用于陶瓷加工,因为它可以避免陶瓷材料中容易出现的各种微裂纹。

有许多应用需要(或可受益于)激光的选择性去除能力,例如去除金属、陶瓷甚至是塑料上的镀层或涂层。光纤激光加工技术,已经在阻焊层微加工、薄膜电阻器 / 电容器修整、以及用于焊接目的的电池箔中的活性层去除方面,显示出良好的加工结果。在元器件或零件的生产过程中,这种选择性和定制的层去除过程通常是无法实现的,因为简单的掩盖该区域并不是一种可行的方法。

激光在选择电路的精确电阻值时非常有用。当用于电阻或电容修整时,作为动态迭代去除和测量调整过程的一部分,其中每个元件的去除面积可能不同,激光加工技术在这类应用中的表现非常优秀。

6 中给出了使用光纤激光技术产生阻焊层的两个实例。对于每个部分,激光选择性地去除金层。在金涂层之后,激光可以用于选择性地去除材料 ;这是一个快速的加工过程,工作得很好。

单模光纤激光打标机是一种具有成本效益的微加工工作站单模光纤激光打标机可以作为一种具有成本效益的微加工工作站,用于为各种应用提供钻孔、切割、划线和烧蚀加工。当然,它更可以用于打标!这种台式微型加工中心,能提供诸多优势,以最大限度地提高投资回报率。

必须注意的是,除了拥有正确的工作工具外,更重要的是知道如何有效和高效地使用工具。MiyachiAmerica 开发了许多加工方法,以确保单模光纤激光器能够实现稳定的批量生产任务。(文/Geoff Shannon

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