Новые вызовы в лазерной микрообработке

На одной из недавних встреч Европейского консорциума индустрии фотоники (EPIC) на тему лазерной микрообработки велась дискуссия о том, как благодаря взаимодействию внутри цепочки поставок машиностроительные компании могут достичь новых рубежей в своей области. Функционализация поверхности с помощью лазера по-прежнему остается актуальной темой, и лазерное сверление микроотверстий в стекле позволило достичь высоких результатов. В статье идет речь о требованиях конечных пользователей, поставщиков услуг и оборудования, включая возможности для сотрудничества.

Рисунок 1. Различные виды применения лазерной микрообработки в монетном производстве. Черные, серые и цветовые эффекты на монетах (а), а также голографические эффекты, созданные путем лазерного структурирования поверхности на пресс-форме (b). На панелях (рисунок 1(c)) показаны микроскопические изображения примеров структур поверхности

Термин "лазерная микрообработка" не имеет четкого определения, но в данном случае под ним подразумеваются в более широком смысле все процессы обработки материалов, в которых используются лазеры с короткими и ультракороткими импульсами для определения свойств в микро- и субмикрометровом масштабе. Эти процессы могут влиять либо на характеристики поверхности (например, функционализация поверхности), либо на "объемный" материал (например, сверление микроотверстий, микроточение, микросварка). Судя по опыту работы в рамках Европейского консорциума индустрии фотоники, интерес всех заказчиков к новым разработкам и применению лазерной микрообработки огромен.

Компании по производству монет поставили перед экспертами в области фотоники целый ряд прикладных и технических задач, связанных с внедрением лазеров в производство. Королевский монетный двор Канады является признанным представителем отрасли, занимающимся производством монет для Канады и других государств, а также производством нумизматических коллекционных монет и медальонов. Королевский монетный двор Канады уже несколько лет применяет лазерные технологии, представляющие важность для производства продукции в четырех основных категориях. Первая категория представляет собой нанесение специальных визуальных эффектов на золотые коллекционные монеты без ущерба для чистоты золота 9999 пробы или 99999 пробы. С помощью лазерного текстурирования поверхности можно избежать использования сплавов и наносить наноразмерные элементы непосредственно на золотую поверхность монет для воздействия на их оптические свойства, в результате чего получается чистый черный цвет (полное поглощение), оттенки серого или различные цветовые эффекты (рисунок 1(а)). Та же стратегия может быть применена и к штампам, используемым для штамповки монет, например, для переноса 2D/3D голографических эффектов непосредственно на золотые или серебряные монеты (рисунок 1(b)). Третья категория представляет собой основной производственный процесс Королевского монетного двора Канады, в котором лазерная обработка используется для создания различных видов высокорельефных эффектов посредством глубокой лазерной гравировки на штампах или непосредственно на монетах. Гравировка на штампе в основном выполняется с помощью лазерной обработки поверхности штампа и может демонстрировать различные эстетически контрастные эффекты.

Рисунок 2. Пример возможностей микрообработки компании Lasea. Макро- (слева) и микроизображение текстурирования с глубоким черным цветом (справа) (Источник: Lasea)

Эти оптические характеристики были достигнуты путем создания микро- или наноструктур либо на поверхности монеты, либо на штампе с помощью лазерной микрообработки (рисунок 1(с)). Четвертая категория поддерживает функции защиты от контрафакции для обеспечения согласованности и безопасности и основана на всех вышеупомянутых технологиях для создания уникальных функций безопасности использования монет в сочетании с эксклюзивной технологией цифрового шифрования. 

Королевский монетный двор Канады видит потенциал лазерных технологий и ожидает поддержки от сообщества специалистов по лазерной микрообработке в решении нескольких задач. Например, с помощью лазерной технологии можно улучшить качество поверхности штампов для чеканки монет, на которых могут образовываться микротрещины или оксиды, что снижает эффективность последующей обработки, такой как нанесение защитного покрытия для продления срока службы штампов и качества монет. Еще одним пожеланием Королевского монетного двора Канады является снабжение поверхностности монет характеристиками для создания дополнительных динамических и анимационных эффектов как в оттенках серого, так и в других цветах, применимых в различных целях помимо ранее упомянутых голографических эффектов. По мнению Королевского монетного двора Канады, специалисты по лазерной микрообработке также могут помочь усовершенствовать текущие меры по защите от контрафакции. В настоящее время лазерная маркировка используется для создания четкого, но произвольно определенного рисунка поверхности в сочетании с технологией зашифрованного кодирования, когда так называемая "четко определенная случайность" обеспечивает уникальность. Королевский монетный двор Канады изучает различные технологии и стремится создать средства безопасности следующего поколения. Специалисты по лазерной обработке также занимаются изучением этого вопроса и по мере появления новых и интересных решений будут дополнительно интегрировать и комбинировать их.

Помимо прочего, в индустрии по производству монет лазерное текстурирование поверхности можно использовать для придания монетам дополнительных свойств, таких как супергидрофобные или антибактериальные свойства, которые в период пандемии приобретают все большую актуальность в очень широком спектре отраслей промышленности. Кто может помочь Королевскому монетному двору Канады и отрасли производства монет в целом выполнить вышеупомянутые задачи? Специалисты в области фотоники в настоящее время могут предложить некоторые решения и помочь в предстоящих разработках. Например, Королевский монетный двор Канады не использует фемтосекундные лазеры из-за более высокой стоимости и меньшей производительности по сравнению с пикосекундными лазерами, несмотря на лучшую обработку поверхности, однако с учетом улучшений, достигнутых при переходе с наносекундных на пикосекундные лазеры, они готовы рассмотреть возможность применения фемтосекундных лазеров. 

Важно, что для Королевского монетного двора Канады лазерная микрообработка в сочетании с системами визуального контроля уже доказала свою эффективность по сравнению с производственными процессами с использованием традиционных методов, таких как пескоструйная обработка для получения эффекта матовости. Таким образом, требования отрасли производства монет связаны с дальнейшим улучшением качества поверхности и более интересными и новыми характеристиками поверхности, которые, в частности, может выполнить компания Microrelleus.

Компания Microrelleus имеет представление о потребностях отрасли производства монет и при проведении достаточных исследований и испытаний может применить приобретенный опыт к различным видам стальных материалов. Обработка поверхностей, получаемых на 5-осевых станках с использованием лазеров с ультракороткими импульсами, является основным направлением деятельности компании. Microrelleus нацелена на распространение такого метода, как литье в форму поверх плоской или трехмерной формы. Основной специализацией компании является микроструктурирование, например, в светотехнической промышленности для достижения однородного рассеяния света или однородной интенсивности света в световоде или оптике произвольной формы для создания различных функциональных световых эффектов. Компания также занимается функциональным текстурированием, в частности обеспечением гидрофобностью или самосмазывающимися текстурами. Обработка пресс-форм, которые затем используются для изготовления конечных изделий, позволяет повысить изначальную производительность лазерных станков, непосредственно обрабатывающих конечные изделия. Скорость такой обработки должна быть либо выше, чем у конкурирующих технологий, либо потенциально сочетаться с производственными процессами без использования лазера. Долговечность и чувствительность мелкодисперсного текстурирования поверхности по-прежнему являются задачей, над выполнением которой должны работать все участники цепочки поставок.

Рисунок 3. Пример возможностей микрообработки компании Workshop of Photonics: 3 000 000 отверстий в 8-дюймовой пластине из плавленого кварца толщиной 500 мкм; макро- (слева) и микроизображение (справа). (Источник: Мастерская компании Photonics)

Компания Lasea так же является одной из компаний, гарантирующих, что фемтосекундные лазеры смогут наилучшим образом продемонстрировать свою производительность при их интеграции в надежные системы. С высокими средними мощностями остаточные тепловые эффекты становятся значительными и могут ухудшить качество обработки и оптических компонентов, создавая сложности. Поэтому необходимо использовать новые стратегии, основанные на применении лазера и технических характеристиках: формирование лазерного луча, высокоскоростное сканирование, параллельная обработка или их совмещение. Рабочие станции для микрообработки Lasea производятся в соответствии с новыми тенденциями на основе современных исследований и разработок для различных применений – от предметов роскоши до медицинской и электронной промышленности, а также включают в себя текстурирование с глубоким черным цветом, необходимое для чеканки монет (рисунок 2). Lasea поддерживает дальнейшую разработку решений в области экодизайна для сокращения процессов загрязнения, основанных на лазерной функционализации поверхностей. Финансируемый Евросоюзом проект LAMpAS является одним из них. В рамках этого сотрудничества партнеры (Технический университет Дрездена, компании Trumpf, Lasea, Next Scan Technology, Bosch, New Infrared Technologies и B/S/H, Европейский консорциум индустрии фотоники) совместно работают над созданием станка на основе лазера с ультракороткими импульсами, способного обеспечить высокую производительность обработки поверхности со скоростью от 1 до 5 м²/мин, придавая поверхностям особые свойства, такие как супергидрофобность и антибактериальные свойства, без дополнительного покрытия или химикатов. Планируется, что лазер мощностью 1,5 кВт, многолучевая обработка с высоким разрешением, высокоскоростное отклонение луча и встроенная камера мониторинга будут интегрированы в полноценную, надежную рабочую станцию. Таким образом, возможно, LAMpAS будет использоваться именно в отрасли производства монет.

Основываясь на опыте, накопленном в ходе этой и других инициатив, финансируемых Евросоюзом, эксперты из компании Fraunhofer IWS недавно основали стартап Fusion Bionic для коммерциализации высокоскоростной функционализации поверхности с использованием лазеров с ультракороткими импульсами на базе технологии, основанной на интерференции. Они предлагают такие решения, как компактные модули для прямой лазерной интерференционной гравировки, которые, например, могут быть интегрированы с лазерами на различных длинах волн и адаптированы для создания объектов с переменным размером частиц от 200 нм до 30 мкм у различных материалов. Это могут быть металлы, полимеры, стекло или керамика для функционализации поверхности с целью защиты от обледенения, эффективного удаления наледи и затемнения (также для стекла). Работа с интерференцией подразумевает необходимость в лазерных источниках с высокой пространственной и временной когерентностью, которые компании стремятся протестировать.

Другим подходом к лазерному текстурированию поверхности с высокой скоростью является недавно разработанный светоделитель Holo/Or для дифракционного лазерно-индуцированного текстурирования, ранее в этом году продемонстрированный в сотрудничестве с центром HiLASE. При демонстрации использовался светоделитель для дифракционного лазерно-индуцированного текстурирования 51 × 51 мм² с лазерной системой Perla (HiLASE, Чехия), стандартным объктивом F-theta и сканатором для нанесения гравировки на нержавеющую сталь. Во время каждой инжекции лазера наносилась гравировка 1 × 1 мм² с более чем 2500 микрократерами на расстоянии штриховки 20 мкм. При сканировании полей скорость обработки составляла 58 см²/мин.

Зеленые длины волн часто больше подходят для обработки поверхности стекла, чем стандартные 1 мкм. Дочерняя компания Biomimetic из Фонда исследований и технологий (FORTH) специализируется на лазерном нанотекстурировании стекла с помощью лазеров с ультракороткими импульсами для улучшения таких свойств, как антибликовое, антибликоотражающее и анти-запотевающее. Для них важно понимать свойства различных видов стекла так же, как и для компаний, занимающихся всеми типами микрообработки стекла. Одной из таких компаний является Workshop of Photonics. Обе компании являются машиностроительными и интегрирующими лазеры с ультракороткими импульсами в полноценные рабочие станции, а также поставщиками услуг для производства среднего объема с высокой скоростью. Обработка стекла – их ключевая компетенция. Запатентованная технология данных компаний позволяет сверхбыстро (до 1200 отверстий в секунду) сверлить с помощью фемтосекундных лазеров стеклянные пластины, которые затем подвергаются химическому травлению (рисунок 3). Они также могут поделиться опытом в области лазерной резки и сверления пластмасс и оптических полимеров, которые вызывают большой интерес у различных компаний. К таким относится стартап Wielandts UPMT, занимающийся разработкой инновационных технологий, связанных с линзовыми матрицами, работающий в основном над монолитными многоместными пресс-формами и многолинзовыми матрицами.

В энергетическом секторе также наблюдается интерес к обработке стекла, распространяющийся и на другие, более экзотические материалы. В компании General Atomics накопили опыт в области тонкой микрообработки, способствуя развитию программу исследований термоядерного синтеза в США. Среди задач компании – сверление отверстий глубиной 200 мкм и размером 5 мкм в бериллиевых оболочках и обработка сложных материалов, таких как MgO-стекло и обедненный уран, для придания им формы и контуров. Как правило, компания добивается хорошей отделки поверхности и контроля различных свойств поверхности на микронном уровне. В частности, формирование свойств на микроуровне, таких как тонкий отжиг или тонкие волны на стекле и других оптических материалах, и сохранение первоначальных свойств оптической поверхности входят в число их интересов и областей сотрудничества.

Рисунок 4. Возможности компании Oxford Lasers в области микрообработки. Справо-налево, начиная с изображения в правом верхнем углу: лазерное фрезерование микрожидкостей в боросиликатном стекле, лазерная сварка разнородных материалов – стекло BK7, приваренное к алюминию, лазерное текстурирование поверхности для контролируемой смачиваемости (гидрофобности), нанесение тонкопленочной гравировки – оксид индия-олова на полиэтилентерефталате, текстурирование поверхности каналов из нержавеющей стали, лазерное сверление отверстий диаметром 90 мкм в полиимиде, лазерное сверление квадратных отверстий диаметром 50 мкм в нитриде кремния, лазерное сверление отверстия диаметром 35 мкм в молибдене. Изображение в центре: промышленный инструмент для микрообработки Oxford Lasers серии C (Источник: Oxford Lasers)

Компания Oxford Lasers является одним из лидеров среди поставщиков как инструментов для лазерной микрообработки, так и иных услуг, охватывающих широкий спектр применений (рисунок 4). Например, используя лазеры с ультракороткими импульсами, можно непосредственно приваривать стекло к разнородным материалам, например, стекло к металлам, кремнию или к самому стеклу, без каких-либо дополнительных прослоек, таких как оптические клеи. Это может быть полезно при производстве сложных электрооптических устройств для оборонных / аэрокосмических / фотонных применений, а также для освещения с помощью органических светодиодов, обеспечивая герметичное уплотнение и точное оптическое соединение. Ранее упомянутая функционализация поверхности на основе лазера также является одной из сильных сторон компании. Oxford Lasers также стремится применять передовые технологии и возлагает большие надежды на свою цепочку поставок, а также стремится к сотрудничеству. Некоторые из требований компании касаются твердотельных лазеров с диодной накачкой с лучшими динамическими характеристиками и высокой скоростью процесса, промышленных лазеров с глубоким ультрафиолетовым излучением, экономичных лазеров (обеспечивающих 4-ю, 5-ю и даже 6-ю гармоники лазеров на основе Nd:YAG, чтобы избежать решений на основе эксимеров), пятиосевые прецессионные головки, индивидуальное формирование луча во временной и пространственной области и искусственный интеллект для решений лазерной микрообработки.

Финансируемая Евросоюзом инициатива, поддерживающая разработку и применение лазерной микрообработки, также с использованием искусственного интеллекта, уже существует и называется PULSATE. Ее цель – объединить многочисленные центры цифровых инноваций в Европе с экспертными знаниями в области лазерных производственных технологий и охватить все малые и средние предприятия, которые хотят присоединиться к цифровому производству и Четвертой промышленной революции и которые рассматривают лазер как ключевую технологию, но не могут внедрить ее из-за отсутствия возможностей тестирования. Эта инициатива окажет поддержку малым и средним предприятиям посредством каскадного финансирования, а также посредством уникальной программы поддержки, созданной технологическими и бизнес-экспертами из партнеров консорциума. Заинтересованные компании могут подать заявку на участие в программе посредством двух видов открытых конкурсов: Эксперименты по передаче технологий (запуск в июле 2022 года) и Примеры пользователей технологий (запуск в марте 2022 года).  

Сейчас количество методов формирования луча увеличивается в связи с растущими требованиями к различным лазерным технологиям. Многие поставщики, такие как компания Asphericon с широким ассортиментом асферических элементов для обработки лазерного пучка, компания Suss MicroOptics, предлагающая преломляющую и дифракционную микрооптику для любой стандартной и сложной формы пучка, компания Cailabs, занимающаяся формированием луча для задач, требующих высокой мощности, с технологией многоплоскостного преобразования света, компания Optimax, специализирующаяся на технологиях с использованием асферических, цилиндрических, призматических и сферических элементов и элементов со свободными формами, а также компания Qiova, разрабатывающая инновационные решения для цифрового формирования луча, являются одними из самых подходящих решений для системных интеграторов, желающих повысить производительность своих рабочих станций лазерной микрообработки.

Компания Optoprim может помочь заказчику понять, подходят ли технологии лазерной микрообработки для конкретного применения. Optoprim обеспечивает доступ к лаборатории для тестирования оборудования, включающего в себя фемтосекундный лазер с преобразованием света мощностью 40 Вт с генератором гармоник, монолитный XY-каскад Alio, сканирующую головку Scanlab и программное обеспечение от прямого управления механической обработкой до управления процессами лазерной обработки, такими как машинное зрение. 

Машиностроительным компаниям также предлагается интегрировать лазерную диагностику непосредственно в свои рабочие станции. Производители лазеров с ультракороткими импульсами, такие как Coherent, Fluence, Ekspla, EdgeWave и Light Conversion, уже предлагают промышленные решения для надежной и универсальной интеграции, которая могла бы быть облегчена путем внедрения диагностической системы и включения ее в замкнутый цикл для активного управления.

Такие компании, как Laserpoint и Optocraft, входят в число экспертов по лазерной диагностике. Laserpoint может предоставить специальные приборы для контроля параметров ультракоротких импульсов, таких как энергия импульса с точностью до частоты повторения порядка мегагерц, в то время как Optocraft является экспертом в разработке метрологических инструментов, таких как датчики волнового фронта Шака-Гартмана для сложных лазерных систем, которые способны выдавать информацию о фазе и интенсивности лазерного излучения в режиме реального времени, что потенциально может быть реализовано при активном контроле лазерными станциями качества луча и его выравнивания.

Говоря о мониторинге технологических процессов, камеры моментального снимка гиперспектральной визуализации недавно начали использовать для внедрения систем онлайн-контроля, основанных на дифрактометрии, для мониторинга поверхностей, текстурированных быстродействующими лазерами с ультракороткими импульсами. Финансируемая Евросоюзом инициатива MULTIPLE может предоставить инструменты для лазерной микрообработки, поскольку она разрабатывает экономически эффективные решения для мультимодального мониторинга, предлагая передовые датчики на основе органической электроники, гиперспектральные фильтры моментальных снимков и изображения с двойной апертурой для создания спектрометров и ядер камер в широком видимом и коротковолновом инфракрасном диапазонах, дополненных лазерными датчики в средней инфракрасной области.

Полноценная система будет встроена в Интернет вещей благодаря сочетанию аппаратного обеспечения с облаком, большими данными и глубоким обучением для гибкой разработки и согласования сложных моделей на основе искусственного интеллекта для обеспечения общего мониторинга, контроля и оптимизации производственных линий.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ