Лазерное сверление
Лазерное сверление — это процесс создания сквозных отверстий, называемых «вырезанными» отверстиями или «ударными отверстиями», путем многократного воздействия сфокусированной лазерной энергии на материал. Диаметр этих отверстий может достигать всего 0,002 дюйма (~ 50 мкм). Если требуются отверстия большего размера, лазер перемещается по окружности «вытолкнутого» отверстия до тех пор, пока не будет создан желаемый диаметр.
Приложения [ править ]
Лазерное сверление — один из немногих методов создания отверстий с большим удлинением — отверстий с соотношением глубины к диаметру, намного превышающим 10:1. [1]
Отверстия с большим удлинением, просверленные лазером, используются во многих областях. включая масляную галерею некоторых блоков двигателей , отверстия для охлаждения аэрокосмических турбинных двигателей, компоненты лазерного синтеза, [1] и микроотверстия печатной платы . [2] [3] [4] [5]
Производители газотурбинных двигателей для авиационных силовых установок и электроэнергетики извлекли выгоду из производительности лазеров для сверления небольших (типичный диаметр 0,3–1 мм) цилиндрических отверстий под углом 15–90° к поверхности в литых, листовых металлах и обработанных деталях. Их способность сверлить отверстия под малыми углами к поверхности со скоростью от 0,3 до 3 отверстий в секунду позволила создать новые конструкции, включающие отверстия пленочного охлаждения для повышения топливной эффективности , снижения шума и выбросов NOx и CO.
Постепенное совершенствование лазерных технологий и технологий управления привело к существенному увеличению количества охлаждающих отверстий, используемых в газотурбинных двигателях. Фундаментальным для этих улучшений и более широкого использования отверстий, просверленных лазером, является понимание взаимосвязи между параметрами процесса, качеством отверстия и скоростью сверления .
Теория [ править ]
Ниже приводится краткое изложение технических данных о процессе лазерного сверления и взаимосвязи между параметрами процесса, качеством отверстия и скоростью сверления.
Физические явления [ править ]
Лазерное сверление цилиндрических отверстий обычно происходит посредством плавления и испарения (также называемого « абляцией ») материала заготовки за счет поглощения энергии сфокусированного лазерного луча .
Энергия, необходимая для удаления материала путем плавления, составляет около 25% от энергии, необходимой для испарения того же объема, поэтому часто отдается предпочтение процессу удаления материала путем плавления. [ нужна цитата ]
Является ли плавление или испарение более доминирующим в процессе лазерного сверления, зависит от многих факторов, при этом длительность и энергия лазерного импульса играют важную роль. Вообще говоря, абляция доминирует при использовании Nd:YAG-лазера с модуляцией добротности. [ нужна цитата ] преобладает выброс расплава, способ создания отверстия в результате плавления материала. лампой-вспышкой С другой стороны, при использовании Nd:YAG-лазера с накачкой [ нужна цитата ] Лазер Nd:YAG с модуляцией добротности обычно имеет длительность импульса порядка наносекунд , пиковую мощность порядка десяти-сотни МВт/см. 2 и скорость удаления материала в несколько микрометров за импульс. Лазер Nd:YAG с ламповой накачкой обычно имеет длительность импульса от сотен микросекунд до миллисекунды , пиковую мощность порядка субМВт/см. 2 и скорость удаления материала от десяти до сотен микрометров за импульс. В процессах обработки каждым лазером абляция и вытеснение расплава обычно сосуществуют. [ нужна цитата ]
Выброс расплава возникает в результате быстрого нарастания давления газа (силы отдачи) внутри полости, созданной испарением . Для того чтобы произошел выброс расплава, должен образоваться расплавленный слой, а градиенты давления , действующие на поверхность из-за испарения, должны быть достаточно большими, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения и вытеснить расплавленный материал из отверстия. [6]
«Лучшее из обоих миров» — это единая система, способная обеспечить как «тонкое», так и «грубое» удаление расплава. «Тонкое» вытеснение расплава обеспечивает детали с превосходной четкостью стенок и небольшой зоной термического влияния, тогда как «грубое» вытеснение расплава, например, используемое при ударном сверлении , быстро удаляет материал.
Сила отдачи сильно зависит от пиковой температуры . Значение Т кр [ нужны разъяснения ] критическая температура вытеснения жидкости, при которой силы отдачи и поверхностного натяжения равны. Например, выброс жидкости из титана может произойти, когда температура в центре отверстия превысит 3780 К.
В ранних работах (Кёрнер и др., 1996) [7] Было обнаружено, что доля материала, удаленного путем вытеснения расплава, увеличивается по мере увеличения интенсивности. Более поздняя работа (Voisey et al., 2000). [8] показывает, что доля материала, удаленного путем вытеснения расплава, называемая фракцией выброса расплава (MEF), падает при дальнейшем увеличении энергии лазера. Первоначальное увеличение вытеснения расплава при увеличении мощности луча предположительно связано с увеличением давления и градиента давления, создаваемого внутри отверстия в результате испарения.
Лучшего качества отделки можно добиться, если расплав выбрасывается мелкими каплями. [ нужна цитата ] Вообще говоря, размер капель уменьшается с увеличением интенсивности импульса. Это происходит из-за повышенной скорости испарения и, следовательно, более тонкого расплавленного слоя. При большей длительности импульса большая общая потребляемая энергия помогает сформировать более толстый расплавленный слой и приводит к выбрасыванию капель соответственно большего размера. [9]
Предыдущие модели [ править ]
Чан и Мазумдер (1987) [10] разработала одномерную модель устойчивого состояния, включающую учет вытеснения жидкости, но одномерное предположение не подходит для бурения скважин с большим удлинением , а процесс бурения является переходным. Кар и Мазумдер (1990) [11] расширил модель до 2D, но выброс расплава явно не рассматривался. Более строгий подход к вытеснению расплава был предложен Ганешем и др. (1997), [12] которая представляет собой двумерную обобщенную модель переходных процессов, включающую твердое тело, жидкость, температуру и давление во время лазерного бурения, но она требует больших вычислительных ресурсов. Яо и др. (2001) [13] разработал 2-D переходную модель, в которой слой Кнудсена рассматривается на фронте расплав-пар, и модель подходит для более короткого импульса и высокой пиковой мощности лазерной абляции .
расплавленного пара фронт Поглощение лазерной энергии и
На фронте расплав-пар граничное условие Стефана обычно применяется для описания поглощения лазерной энергии (Кар и Мазумда, 1990; Яо и др., 2001).
- (1)
где — поглощенная интенсивность лазера, β — коэффициент лазерного поглощения, зависящий от длины волны лазера и материала мишени, а I(t) описывает временную входную интенсивность лазера, включая ширину импульса, частоту повторения и временную форму импульса. k — теплопроводность , T — температура, z и r — расстояния в осевом и радиальном направлениях, p — плотность , v — , скорость L v — скрытая теплота испарения. Индексы l , v и i обозначают жидкую фазу, паровую фазу и границу раздела пар-жидкость соответственно.
Если интенсивность лазера высока, а длительность импульса коротка, предполагается, что так называемый слой Кнудсена существует на фронте расплав-пар, где переменные состояния претерпевают прерывистые изменения поперек слоя. Учитывая неоднородность слоя Кнудсена, Яо и др. (2001) смоделировали распределение скорости V v на поверхности в радиальном направлении в разное время, что указывает на то, что скорость абляции материала значительно меняется поперек слоя Кнудсена. [ нужна цитата ]
Вытеснение расплава [ править ]
После получения давления пара pv . течение слоя расплава и вытеснение расплава можно смоделировать с использованием гидродинамических уравнений (Ganesh et al.,1997) Выброс расплава происходит, когда давление пара оказывается на свободной от жидкости поверхности, что, в свою очередь, отталкивает расплав в радиальном направлении. Чтобы добиться тонкого вытеснения расплава, необходимо очень точно спрогнозировать картину течения расплава, особенно скорость течения расплава на краю отверстия. Таким образом, используется двумерная осесимметричная модель переходного процесса и, соответственно, уравнения импульса и неразрывности.
Модель Ганеша для выброса расплава является всеобъемлющей и может использоваться на различных этапах процесса сверления отверстий. Однако расчет занимает очень много времени, и Солана и др. (2001), [14] представил упрощенную модель, зависящую от времени, которая предполагает, что скорость выброса расплава происходит только вдоль стенки отверстия, и может дать результаты с минимальными вычислительными затратами.
Жидкость будет двигаться вверх со скоростью u вследствие градиента давления вдоль вертикальных стенок, который, в свою очередь, определяется разницей между давлением абляции и поверхностным натяжением, деленной на глубину проникновения x .
Предполагая, что фронт бурения движется с постоянной скоростью, следующее линейное уравнение движения жидкости по вертикальной стенке является хорошим приближением для моделирования выброса расплава после начальной стадии бурения.
- (2)
где p – плотность расплава, µ – вязкость жидкости, P(t)=(ΔP(t)/x(t)) – градиент давления вдоль слоя жидкости, ΔP(t) – разность паров давление P v и поверхностное натяжение .
Эффект формы импульса [ править ]
Роос (1980) [15] показали, что последовательность импульсов длительностью 200 мкс, состоящая из импульсов длительностью 0,5 мкс, дает лучшие результаты при сверлении металлов, чем импульс плоской формы длительностью 200 мкс. Анисимов и др. (1984) [16] обнаружили, что эффективность процесса повышается за счет ускорения плавления во время импульса.
Град и Мозина (1998) [17] далее продемонстрирован эффект формы импульса. Всплеск длительностью 12 нс добавлялся в начале, середине и конце импульса длительностью 5 мс. Когда всплеск длительностью 12 нс был добавлен к началу длинного лазерного импульса, где расплав не образовывался, существенного влияния на удаление не наблюдалось. С другой стороны, когда пик был добавлен в середине и конце длинного импульса, повышение эффективности бурения составило 80 и 90% соответственно. Также был исследован эффект межимпульсного формирования. Лоу и Ли (2001) [18] показали, что серия импульсов линейно возрастающей величины оказывает существенное влияние на процессы изгнания.
Форсман и др. (2007) продемонстрировали, что двойной импульсный поток обеспечивает увеличение скорости сверления и резания со значительно более чистыми отверстиями. [1]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с Форсман, А; и другие. (июнь 2007 г.). «Суперимпульс. Формат наносекундных импульсов для улучшения качества лазерного бурения» (PDF) . Фотонные спектры . Проверено 20 июля 2014 г.
- ^ Бовацек, Джим; Тамханкар, Ашвини; Патель, Раджеш (1 ноября 2012 г.). «Ультрафиолетовые лазеры: УФ-лазеры улучшают процессы производства печатных плат» . Мир лазерного фокуса . Проверено 20 июля 2014 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Мейер, Дитер Дж.; Шмидт, Стефан Х. (2002). «Лазерная технология печатных плат для жесткого и гибкого HDI – формирование, структурирование, маршрутизация» (PDF) . ЛПКФ Лазер и электроника . Проверено 20 июля 2014 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Ган, EKW; Чжэн, HY; Лим, GC (7 декабря 2000 г.). Лазерное сверление микроотверстий в подложках печатных плат . Материалы 3-й конференции по технологиям упаковки для электроники. IEEE. дои : 10.1109/eptc.2000.906394 . ISBN 0-7803-6644-1 .
- ^ Кестенбаум, А.; Д'Амико, JF; Блюменшток, Би Джей; ДеАнджело, Массачусетс (1990). «Лазерное сверление микроотверстий в эпоксидно-стеклянных печатных платах». Транзакции IEEE по компонентам, гибридам и технологиям производства . 13 (4). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1055–1062. дои : 10.1109/33.62548 . ISSN 0148-6411 .
- ^ Басу, С.; Деброй, Т. (15 октября 1992 г.). «Выброс жидкого металла при лазерном облучении». Журнал прикладной физики . 72 (8). Издательство AIP: 3317–3322. Бибкод : 1992JAP....72.3317B . дои : 10.1063/1.351452 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Кернер, К.; Майерхофер, Р.; Хартманн, М.; Бергманн, HW (1996). «Физические и материальные аспекты использования видимых лазерных импульсов наносекундной длительности для абляции». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 63 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 123–131. Бибкод : 1996ApPhA..63..123K . дои : 10.1007/bf01567639 . ISSN 0947-8396 . S2CID 97443562 .
- ^ Войзи, КТ; Ченг, CF; Клайн, ТВ (2000). «Количественная оценка явлений выброса расплава во время лазерного сверления». Дело МРС . 617 . Сан-Франциско: Издательство Кембриджского университета (CUP). дои : 10.1557/proc-617-j5.6 . ISSN 0272-9172 .
- ^ Войзи, КТ; Томпсон, Дж.А.; Клайн, ТВ (14–18 октября 2001 г.). Повреждения, возникающие при лазерном сверлении термонапыленных TBC на подложках из суперсплавов . ICALEO 2001. Джексонвилл, Флорида: Американский институт лазеров. п. 257. дои : 10.2351/1.5059872 . ISBN 978-0-912035-71-0 .
- ^ Чан, CL; Мазумдер, Дж. (1987). «Одномерная стационарная модель повреждений в результате испарения и выброса жидкости в результате взаимодействия лазера с материалом». Журнал прикладной физики . 62 (11). Издательство AIP: 4579–4586. Бибкод : 1987JAP....62.4579C . дои : 10.1063/1.339053 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Кар, А.; Мазумдер, Дж. (15 октября 1990 г.). «Двумерная модель повреждения материала вследствие плавления и испарения при лазерном облучении». Журнал прикладной физики . 68 (8). Издательство AIP: 3884–3891. Бибкод : 1990JAP....68.3884K . дои : 10.1063/1.346275 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Ганеш, РК; Фагри, А.; Хан, Ю. (1997). «Обобщенное тепловое моделирование процесса лазерного сверления — I. Математическое моделирование и численная методология». Международный журнал тепломассообмена . 40 (14). Эльзевир Б.В.: 3351–3360. Бибкод : 1997IJHMT..40.3351G . дои : 10.1016/s0017-9310(96)00368-7 . ISSN 0017-9310 .
- ^ Чжан, В.; Яо, ЮЛ; Чен, К. (1 сентября 2001 г.). «Моделирование и анализ УФ-лазерной микрообработки меди». Международный журнал передовых производственных технологий . 18 (5). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 323–331. дои : 10.1007/s001700170056 . ISSN 0268-3768 . S2CID 17600502 .
- ^ Солана, Пабло; Кападия, Фирозе; Дауден, Джон; Родден, Уильям С.О.; Кудесия, Шон С.; Хэнд, Дункан П.; Джонс, Джулиан, округ Колумбия (2001). «Зависящие от времени процессы абляции и выброса жидкости при лазерном сверлении металлов». Оптические коммуникации . 191 (1–2). Эльзевир Б.В.: 97–112. Бибкод : 2001OptCo.191...97S . дои : 10.1016/s0030-4018(01)01072-0 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Роос, Свен-Олов (1980). «Лазерное сверление с различной формой импульса». Журнал прикладной физики . 51 (9). Издательство AIP: 5061–5063. Бибкод : 1980JAP....51.5061R . дои : 10.1063/1.328358 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Анисимов В.Н.; Арутюнян Р.В.; Баранов В. Ю.; Большов, Луизиана; Велихов Е.П.; и другие. (1 января 1984 г.). «Обработка материалов высокочастотными импульсными эксимерными и углекислотными лазерами». Прикладная оптика . 23 (1). Оптическое общество: 18. Бибкод : 1984ApOpt..23...18A . дои : 10.1364/ao.23.000018 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 18204507 .
- ^ Град, Ладислав; Можина, Янез (1998). «Влияние формы лазерного импульса на оптически индуцированные динамические процессы». Прикладная наука о поверхности . 127–129 (1–2). Эльзевир Б.В.: 999–1004. Бибкод : 1998АпсС..127..999Г . дои : 10.1016/s0169-4332(97)00781-2 . ISSN 0169-4332 .
- ^ Низкий, ДКЮ; Ли, Л; Берд, П.Дж. (2001). «Влияние временной модуляции последовательности импульсов при лазерном ударном бурении». Оптика и лазеры в технике . 35 (3). Эльзевир Б.В.: 149–164. Бибкод : 2001OptLE..35..149L . дои : 10.1016/s0143-8166(01)00008-2 . ISSN 0143-8166 .
