对于高精密的应用,固定加工头微切割是一种有潜力、在一些应用可以替代扫描振镜冷消融的加工方式。该加工方式可进一步通过锥角补偿、加工气体供给或工件处理优化。 超短脉冲(USP)激光器现在已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻,扫描振镜对复合材料的切割和钻孔不会造成任何的热影响区(HAZ),因而产生的表面和边缘质量较高(见图1)。 图1:USP激光器通过冷消融的方式进行微加工。 左:在一个聚合物芯片系统实验室上约200μm宽的微通道。 右:高边缘质量的铜表针,显示出一个明显的锥角(宽度为0.7mm)。 超短激光脉冲消除热影响 然而,对于某些应用,使用扫描振镜冷消融的加工方式得到的精度与锥角是不够的。锥角是在切割缝的边界时产生的,部分是因为激光能量密度(每单位面积的能量)在那里比较低,部分是因为材料在那里再沉积。对于这些应用,使用固定加工头、加工气体喷嘴和高精度轴是很有优势的。然而,轴的加速度和速度与扫描振镜相比是微不足道的。因此,激光引入的热量在固定加工头的应用中会比较多。即使是局部熔化材料也不能完全排除这种现象。尽管如此,可以依旧保持工件质量。与固体激光器和CO2 激光器的“热”激光切割相比,超短脉冲确保引入的热量在时间和空间上是可控的。因此,仍然不会对工件造成热影响。用固定加工头的USP激光微切割就如同微米范围的热加工。 更加陡的锥角和良好的边缘质量 与扫描振镜的冷消融加工方式相比,如果能正确采用固定加工头微切割加工,则能形成更陡的锥角,同时保持良好的边缘质量。优化的喷嘴能够提供加工气体,在高压下去除材料的切缝。除了激光参数,喷嘴的几何形状和位置,以及加工气体的类型和压力同样显著影响着切割效果。另一个重要的方面就是合适的工件固定夹具的发展,同时支持可靠的固定和材料的自由切割(图2)。要将设计图导入激光系统加工时,必须考虑激光的切入以及出口的位置。当涉及高精度,工艺的开发和质量的控制时,就需要适当的测量设备,才能够可靠地测量几微米和表面粗糙度值低于一微米的公差。 图2:与扫描振镜冷消融加工方式相比,固定加工头微切割能产生更高的精度和更陡的锥角。 左:直径约5毫米的齿轮。 右:为了实现良好的质量,由喷嘴(顶部)提供加工气体和合适的工件固定是必不可少的。 固定光学能够对金属、硅和陶瓷等材料进行微切割(图3)。为了提高成本效率和生产率,可以考虑平行的加工头。通快高功率超短脉冲激光TruMicro支持这样的分光方法(图4)。 图3:固定光学微切割陶瓷。 左:约5mm直径的部分,是钟表行业应用的一个测试几何形状。 右:蓝宝石和硅也可以用这个方法来切割。 提高零件质量的后续处理方法 各种后续的处理也许能够进一步提高工件质量。在丝电火花加工和微细铣削的情况下,可以考虑热处理以获得目标强度、硬度或退火材料。为了优化粗糙的表面,如果需要的话,可以用一些化学的机械后处理方法。激光切割工件,有时会通过电化涂层来达到理想的表面。钟表业是应用固定光学微切割或钻加工方式最重要的领域之一,如红宝石微轴承、手表手柄或其他元素。 为钻小孔设计的开孔加工头 |






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