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光纖激光打標機在金屬微加工中的應用

發布時間：2018-09-21 來源：元祿光電

在各個行業應用中，特別是在醫療、汽車和電子行業，所需要的元器件越來越小，已經是一個不爭的事實。

市場正在使用新的微加工技術，包括具有優良光束質量的先進激光打標機，來獲得類似于傳統加工技術的加工效果，但是加工方式卻更便宜、更快速、更靈活。光纖激光打標技術的成本能比傳統加工技術便宜兩到三倍。

正在尋求降低制造成本、同時滿足小型化加工挑戰的批量制造商們，可使用單模光纖激光打標機在一系列材料（包括鋼、鎳、鈦、硅、鋁和銅）上實現出色的加工效果。考慮更換電火花加工（EDM）設備的廠商，以及那些正在考慮采用新工藝時可能轉向532nm 和 355nm 激光器的廠商，都可以考慮使用光纖激光打標機。

微加工：只能看到結果，看不到細節

微加工是指使用諸如鉆孔、切割、劃線和開槽這些標準的機加工操作，來制造非常細小的特征。實際上并沒有一個官方的尺寸標準來確定何時一種操作是微加工，但是一個好的經驗法則是，不借助輔助觀察工具，這些特征就不能被看到，或者說你只能看到結果，但是看不到細節。換句話說，你可能不知道對材料做了什么來獲得特定的加工效果。例如，如果你在一塊銅上鉆了 50μm 的孔，你只會看到光，但是卻不能看到讓光通過的孔，到底多大或多小。

光纖激光打標機：正確的微加工工具

在一個熟練操作工的手中，使用光纖激光打標機用于微加工的最新進展，可以創建出想要的特征。這種方法的主要優點是：光纖激光打標機比用于微加工的傳統設備便宜兩到三倍。成功地實現細小尺寸的微加工，不僅需要正確的工具，而且要具備如何使用工具獲得想要的結果這方面的知識，同時也要考慮材料去除的質量和速度。

例如，單模光纖激光打標機，其特點是具有獨特的參數以及對這些參數的控制能力，能夠實現細小尺寸特征的微加工和卓越的材料去除速度。

光纖激光打標機，具有極高的光束質量，可生成直徑低至 20μm 的聚焦光斑，因此特別適用于各種材料（包括氧化鋁、硅、銅和鋁箔）的劃線和切割。此外，使用具有不同脈沖寬度和峰值功率特性的可選脈沖寬度波形，能夠調整特征表面的去除速度和加工質量。

脈沖寬度和峰值功率的獨立控制，相比于傳統的 Q 開關激光器（其提供固定的脈沖寬度/峰值功率設置），具備明顯的控制優勢和過程可調諧性。快速移動激光束的掃描頭也是該系統的關鍵部分，其需要以適當的重復性和精度提供足夠高速的運動。

光纖激光微加工技術可用于各種應用中，例如用于阻焊層的選擇性去除、太陽能電池劃線和鉆孔，用于醫用低碳鋼管和流體流動控制系統的不銹鋼的鉆孔，以及為快速零件原型制造切割厚度為 0.02 英寸以下的金屬。

光纖激光打標機Vs.其他微加工技術

單模光纖激光打標機可以替代更昂貴的微加工技術，包括 EDM 設備或 532nm 和 355nm 的 Nd ：YVO4 激光器。

圖 1 中顯示了光纖激光打標機是可以替代 EDM 機器的。左圖中顯示了使用光纖激光打標機，在厚度為200μm 的鋼板中鉆出直徑 150μm 的孔，孔徑公差為 ±10μm，無需后處理工作。僅使用 EDM 設備所需時間的 50％，光纖激光打標機就實現了最小量的碎屑和緊密孔徑公差加工。

此外，由于激光打標機提供 XY工作區域，其可以在單次裝載操作中完成多個零件的加工，這也是與EDM 設備的不同之處（除非在運動設備中進行額外投資）。這種優勢使得光纖激光打標機的投資回報（ROI）更加具有吸引力。光纖激光器還可以加工薄片材料和箔等加工困難的材料，正如圖 1 中所顯示的，其可以加工厚度僅為 50μm 的銅箔。

圖 2 中分別給出了使用光纖激光打標機（左圖）和 355nm 的紫外激光器（右圖）在硅上鉆孔的效果圖。盡管紫外激光器能提供比光纖激光器更好的加工質量，但是對于這種特定應用而言，光纖激光器的加工效果已經足夠好，其加工質量足以滿足應用要求。此外，光纖激光器的加工速度比紫外激光器快 17 倍，且其成本僅為紫外激光器的 50％。由于激光路徑程序誤差，紫外激光器加工的孔的圓度略有缺陷。

圖 3 中比較了在相同的加工時間內，分別使用 20W 的光纖激光器（左圖）和 5W 的 355nm 紫外激光器（右圖），在厚度為 0.008 英寸的不銹鋼上鉆孔的效果圖。

圖 4 中突出顯示了使用單模光纖激光器可能實現的精細度和加工控制，在此，光纖激光打標機用于在厚度為 25μm 的金屬箔上實現深度為 13μm 的加工。加工的通道寬度為 75μm，整個區域內的深度變化為±1μm。

陶瓷也是微電子學中的一種常用材料，355nm 的紫外激光器通常用于陶瓷材料的劃線和鉆孔。圖 5 中顯示了光纖激光打標機可以用于陶瓷加工，因為它可以避免陶瓷材料中容易出現的各種微裂紋。

有許多應用需要（或可受益于）激光的選擇性去除能力，例如去除金屬、陶瓷甚至是塑料上的鍍層或涂層。光纖激光加工技術，已經在阻焊層微加工、薄膜電阻器 / 電容器修整、以及用于焊接目的的電池箔中的活性層去除方面，顯示出良好的加工結果。在元器件或零件的生產過程中，這種選擇性和定制的層去除過程通常是無法實現的，因為簡單的掩蓋該區域并不是一種可行的方法。

激光在選擇電路的精確電阻值時非常有用。當用于電阻或電容修整時，作為動態迭代去除和測量調整過程的一部分，其中每個元件的去除面積可能不同，激光加工技術在這類應用中的表現非常優秀。

對于每個部分，激光選擇性地去除金層。在金涂層之后，激光可以用于選擇性地去除材料；這是一個快速的加工過程，工作得很好。

單模光纖激光打標機是一種具有成本效益的微加工工作站單模光纖激光打標機可以作為一種具有成本效益的微加工工作站，用于為各種應用提供鉆孔、切割、劃線和燒蝕加工。當然，它更可以用于打標！這種臺式微型加工中心，能提供諸多優勢，以最大限度地提高投資回報率。

必須注意的是，除了擁有正確的工作工具外，更重要的是知道如何有效和高效地使用工具。開發了許多加工方法，以確保單模光纖激光器能夠實現穩定的批量生產任務。

來源：MEMS技術整理元祿光電www.ctttc.cn

推薦設備：光纖激光打標機

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