Zpracování materiálů studeným laserem

Lasery s ultrakrátkým pulzem (Ultrashort pulse lasers – dále jen USP lasery), které poskytují dostačující výstupní výkon pro průmyslové aplikace, pracují s délkou pulzu v rozmezí od 10 pikosekund až do 100 femtosekund (10-15 s).

V průmyslovém využití jsou femtosekundové lasery vhodné pro maximálně přesné laserové řezání a odstraňování citlivých materiálů s téměř minimálním vstupem tepla. Řezání „studeným“ laserem a odstraňování s femtosekundovými lasery jsou jedněmi z nejslibnějších technologií pro náročné aplikace, a to hlavně v chirurgickém, fotovoltaickém a polovodičovém průmyslu.

Tyto lasery řežou citlivé materiály, jako je nitinol, s tvarovou pamětí s maximální přesností a výbornou kvalitou řezu, čímž se další následné opracování stává téměř nadbytečné. Femtosekundové lasery také řežou bioabsorbční polymery, jako jsou polyaktické kyseliny nebo polyglykolické kyseliny, s vysokou přesností.

Neexistuje všeobecně přijatá definice ultrakrátkých pulzů, ale obecně se toto označení užívá u pulzů o délce trvání maximálně pár desítek pikosekund, obvykle v řádu femtosekund. Tyto pulzy by neměly být zaměňovány za ultrarychlé – nemají vyšší rychlost než dlouhé pulzy, ale umožňují provádět ultrarychlé procesy.

Poté co Laserové centrum v Hannoveru před 15 lety prezentovalo první výsledky odstraňování pomocí femtosekundových laserových pulzů [1], jsou průkopnické obrázky užité na této konferenci běžně používané pro prezentace o chladném zpracování materiálů laserem dodnes. Od té doby šak udělala laserová technologie značný pokrok. Na začátku byly femtosekundové lasery shluky citlivých optických součástí vyplňující laboratoř a jejich ovládání bylo složité. Nyní se na trhu objevují stále novější a kompaktnější laserové zdroje, kterým se právem může říkat, že jsou vyzkoušeny v provozu. I know-how se změnilo z původního euforického přesvědčení, že i kovové atomové mřížky mohou být rozloženy absolutně atermálním způsobem, k více realistickému obrazu o odstraňovacím procesu [2].

Díky vývoji v minulých letech, který směřoval k vyšším výkonovým úrovním, rychlejším cyklům a vylepšení kompaktnosti, jsou femtosekundové lasery schopné vstoupit i do více průmyslových výrobních oblastí.

Rychlost řezání trubice NiTi slitiny s tvarovou pamětí vs. doba trvání pulzu USP laseru [4]

Otázka, která stále není plně zodpovězena, zní: Jaká je ideální doba pulzu pro zpracování materiálu? Zdá se zřejmé, že by měla být kratší než relaxační čas opracovávaného materiálu, aby se minimalizoval vstup tepla v průběhu odstraňování. Časový rámec, který je určen délkou přenosu absorbované energie z elektronů do mřížky, je u většiny materiálů méně než 10 pikosekund. USP lasery používané v průmyslu můžeme rozlišovat podle doby trvání jejich pulzu na pikosekundové lasery (doba pulzu do 10 ps) a lasery s délkou trvání pulzu méně než 1 pikosekunda, zvané femtosekundové lasery. Oba typy těchto laserů vyrábí například společnost Rofin, zastoupená v Čechách a na Slovensku společností FineTec Systems. Ukázkou úspěšné integrace USP laseru je mimořádně precizní systém StarCutTubeFemto pro řezání trubic a plochých částí, jako jsou například chirurgické implantáty.

Kromě několika výjimek, kde jsou USP lasery s velmi rychlými cykly využívané k tavení skla či jiných citlivých materiálů [3] nebo k úpravě povrchových ploch tvořených různými vrstvami díky kvazi-cw procesům (quasi-continuous-wave operation), je většina aplikací spojena s odstraňováním materiálu. Obecně se rozlišuje mezi strukturováním povrchu, vnitřními úpravami a odřezáváním celých částí. Vedení paprsku a jeho zaostřování může být řízeno galvanometrickými skenery nebo klasickou fixní optikou, obvykle v kombinaci s koaxiální plynovou trubicí, která přivádí stlačený plyn k opracovávanému místu.

Výhodou užívání ultrakrátkých pulzů je, že zpracování materiálu probíhá se znatelně sníženým působením tepla v daném místě, a tím pádem podstatně nižším tavením materiálu. To by mělo zaručit jednoduché odejmutí materiálu po zpracování. Aby se vyvážily desetinásobně vyšší pořizovací náklady těchto laserů v porovnání se standardními nanosekundovými lasery, musí mít zákazník velice specializovanou aplikaci. Roste však počet aplikací, které by bez této technologie nemohly fungovat nebo jejichž kvalita se užitím těchto laserů v porovnání se standardními lasery díky odstranění časově náročného, drahého a výnos snižujícího následného zpracování znatelně zvýšila.

Výborným příkladem je zpracování chirurgických implantátů (např. věnčité otvory) z trubkovitých prefabrikátů. Již mnoho let je standardně používáno laserové řezání za pomoci lampou buzených, pevnolátkových nebo vláknových laserů. Odstranění strusky a otřepů na vnitřní stěně trubky může být snadno provedeno u nerezových ocelí a CoCr trubek ultrazvukem. Tato metoda je však časově náročnější na odstranění nechtěných usazenin po tavení v chirurgických implantátech vyrobených z NiTi slitiny s tvarovou pamětí a vyžaduje vysoký stupeň manuální práce, což vede k nepřijatelně vysokým ztrátám na výnosu. Stále více filigránských částí, například neurologické stenty s tloušťkou stěny o pouhých 50 mikrometrech, nemůže být následně mechanicky opracováváno vůbec. Jedinou šancí, jak se vyhnout vytváření větších roztavených ploch během řezání laserem, je užití ultrakrátkých pulzů. V souladu s požadavky na vysokou preciznost kontury řezu u těchto chirurgických implantátů se hýbe trubkou přesně pod zafixovanou optickou řezací hlavou. Vzhledem k nízkému množství odstraněného materiálu jednotlivými pulzy je možné dosáhnout výhodné řezací rychlosti 1–10 mm.s-1 jen díky kompenzaci v množství cyklů v rozsahu 100–1 000 kHz, což vede k vysokému stupni překrývání pulzů, obvykle 99,95 %. Distribuce pulzní energie nemůže být aplikována rychlým skenováním u takovéto řezací aplikace. Vedlejší efekt u takto vysokého stupně překrytí pulzů způsobí snadnou kumulaci tepla a i pulzy v pikosekundovém rozsahu způsobí neúměrné zdeformování materiálu. Abychom produkovali chirurgické mikroimplantáty bez poškození, musí se doba trvání pulzu dále redukovat. Jedním z principiálních důvodů pro užití ultrakrátkých pulzů je snížení hloubky termální penetrace, ale také vyšší efektivita procesu odstraňování materiálu, která minimalizuje zahřívání v daném místě. Výsledky testů řezání trubic s různě dlouho trvajícími pulzy říkají, že je-li doba trvání zkrácena pod 1 ps, rychlost řezání může být dvojnásobná. Toto samozřejmě vede k nižšímu vstupu tepla do materiálu a je zřejmé, že místo typického pikosekundového laserového pulzu od 6 do 10 ps je mnohem přínosnější užít 800 fs pulzy pro aplikaci řezání s vysokým překrytím pulzů.

Ještě více je zřejmá poptávka po USP laserech vzhledem k tomu, že další generace implantátů bude možná schválena k chirurgickému používání. Téměř každé vývojové oddělení velkých chirurgických společností pracuje na bioabsorpčních materiálech. Tyto implantáty se – vzhledem k jejich názvu – rychle rozpustí po vpravení do lidského těla, aby zamezily riziku ucpání cév. Nejžhavějším kandidátem pro takovýto polymerový materiál jsou deriváty polylaktických a polyglykolických kyselin (PLGA), s teplotou tavení v rozmezí od 170 do 230 stupňů Celsia. Protože tyto materiály musí být řezány beze změn v jejich složení a mikroskopické struktuře, nemají klasické CO2 nebo pevnolátkové lasery s mikrosekundovými nebo nanosekundovými pulzy šanci na úspěch. Testy řezání provedené na různých univerzitách a vývojových střediscích opět odhalily, že délka trvání pulzu v rozmezí od jednotek do desítek pikosekund způsobuje nepřijatelné poškození v polymerové mikrostruktuře vedle řezu. To vede k nevratným změnám v mechanických vlastnostech a činí chirurgický nástroj nepoužitelným. Proto je femtosekundový laser vítězem v soutěži o nejkratší trvání doby pulzu pro řezání stejně jako u kovových chirurgických implantátů, což je patrné z výsledků s fs-Ti-sapphire lasery [5].

V poslední době jsou na trhu dostupné vláknové USP lasery s pulzy o době trvání několika set femtosekund. Tyto lasery mají správný výkon, délku cyklu a stavbu k tomu, aby se vypořádaly s průmyslovou řezací rychlostí v 24/7 výrobním provozu.

Je zřejmé, že tyto nové, provozem vyzkoušené femtosekundové lasery mohou být použity i pro úpravy povrchu a odstraňování tenkých vrstev fólií. Ale v porovnání s procesy řezání je konkurence ze strany pikosekundových laserů na tomto poli daleko větší. Zajímavé je, že závislost chování materiálu na jeho vlastnostech je při odstraňování daleko více znatelná při užívání USP laserů než u nanosekundových laserů. Zkoušky gravírování na nerezové oceli s pikosekundovými a femtosekundovými lasery měly podobné výsledky jako u výše zmíněného řezání. 800fs laser odstraní dvakrát více materiálu než 11ps laser při stejné ohniskové vzdálenosti, pulzní energii a podobném průměrném výkonu. Na druhou stranu kovy s vyšší tepelnou vodivostí, jako je měď nebo mosaz, se snáze gravírují s pikosekundovými laserovými pulzy.

Oblasti uplatnění pro povrchové gravírování lasery s ultrakrátkými pulzy mohou být nalezeny i v tiskařském průmyslu. Zde se až doteď produkují plastové tiskové vzory fotolitografií a následně se používá leptání chemií. Skalpelem se vtlačí barva do vyleptaných míst a poté je přenesena na díl gumovým razítkem. Tyto plastové vzory se rychle opotřebují a mají krátkou životnost. Proto se výrobci snaží nahradit plastické tiskové pláty kovovými. Aby bylo možné zajistit rovnoměrné nanesení barvy, musí být gravírování naprosto bez otřepů. Lasery s ultrakrátkými pulzy jsou opět jediným způsobem, jak dosáhnout vysoké kvality gravírování bez otřepů. Femtosekundové lasery zde ukazují vysokou efektivitu vzhledem k faktu, že nerezové oceli jsou běžně užívané.

Lasery s ultrakrátkými pulzy budou zaujímat stále větší podíl na trhu průmyslových aplikací v souladu s tím, jak se bude know-how o jejich specifikách a potenciálu při zpracování materiálu šířit firmami a institucemi. Větší prodeje těchto laserů sníží investiční náklady, což povede k ekonomičtější a snadnější realizaci aplikací. Pokrok v kvalitě procesů v porovnání s konvenčními lasery přesvědčí více zákazníků o výhodách této nové technologie.

Adam Palma

Rofin

www.rofin.com
palma@fine-tec.cz
www.fine-tec.cz

Použitá literatura a zdroje:

[1] CHICHKOV, B. N.; MOMMA, C.; NOLTE S.; van ALVENSLEBEN F.; TÜNNERMANN A. Femtosecond, Picosecond and Nanosecond Laser Ablation of Solids. Appl. Phys. A 63, 109 (1996).

[2] Strategies Unlimited: Ultrafast Lasers – Technology Review and Market Forecast
Report OM-42. June 2008.

[3] MIYAMOTO I. et al.: Local Melting of Glass Materialand its Application to Direct Fusion Welding by ps-Laser Pulses. LAMP Conference. Kyoto, 2006.

[4] Mielke, M. High Energy Ultra Fast Fiber Laser Systems at 1552 nm for Industrial Applications. FISC Workshop. Dresden, 2010.

[5] BAUER, T.; TÖNSHOFF, H. K.; aOSTENDORF, A.; KORTE, F. & SERBIN, J. Fertigung bioresorbierbarer Gefäßwandstützen mittels Femtosekunden- Lasertechnologie.
3. Symposium Neue Technologien für die Medizin. Forschung-Praxis-Innovation
Aachen, 10.–11. Mai 2002.