Der Status und die Aussichten der Laserpräzisionsbearbeitungstechnologie

Der Laserstrahl lässt sich sehr klein fokussieren und eignet sich daher besonders für Präzisionsbearbeitung. Je nach Größe des bearbeiteten Materials und den Genauigkeitsanforderungen der Bearbeitung teilen wir die aktuelle Laserbearbeitungstechnologie in drei Stufen ein:

• ① Laserbearbeitungstechnologie für großformatige Materialien mit dicken Blechen (mehrere Millimeter bis mehrere zehn Millimeter) als Hauptobjekt, deren Bearbeitungsgenauigkeit im Allgemeinen im Millimeter- oder Submillimeterbereich liegt;
• ② Präzisions-Laserbearbeitungstechnologie mit dünnen Platten (0.1 bis 1.0 mm) als Hauptbearbeitungsobjekt und ihre Bearbeitungsgenauigkeit liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von zehn Mikrometern;
• ③ Laser-Mikrofabrikationstechnologie, für verschiedene Folien mit einer Dicke von weniger als 100 μm als Hauptbearbeitungsobjekt liegt die Bearbeitungsgenauigkeit im Allgemeinen unter 10 Mikrometer oder sogar im Submikrometerbereich.

Dabei ist zu beachten, dass Präzision im Maschinenbau in der Regel eine geringe Oberflächenrauheit und einen geringen Toleranzbereich (u. a. Lage, Form, Größe etc.) bedeutet. Der Begriff "Präzision" in diesem Artikel bezieht sich jedoch auf die kleine Lücke im bearbeiteten Bereich, was bedeutet, dass die bearbeitbare Grenzgröße klein ist. Bei den oben genannten drei Arten der Laserbearbeitung ist die Laserbearbeitungstechnologie großer Teile zunehmend ausgereift und der Industrialisierungsgrad ist sehr hoch. Viele Literaturstellen wurden überprüft; Laser-Mikrobearbeitungstechnologien wie Lasertrimmen, Laserpräzisionsätzen, Laser Die Direktschreibtechnologie ist auch in der Industrie weit verbreitet, und es gibt viele diesbezügliche Berichte. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Laser-Präzisionsbearbeitungstechnologie. Der Einfachheit halber sind die unten erwähnten Bearbeitungsziele für die Präzisionsbearbeitung auf dünne Platten (0.1–1.0 mm) beschränkt.

1. Vergleich zwischen Laser-Präzisionsbearbeitung und traditionellen Bearbeitungsmethoden

Mit dem Fortschritt der Technologie werden die Arten der Präzisionsbearbeitungstechnologie immer häufiger.

Die Laserpräzisionsbearbeitung weist die folgenden wesentlichen Merkmale auf:

• ①Der Anwendungsbereich der Laserpräzisionsbearbeitung ist breit und umfasst fast alle metallischen und nichtmetallischen Materialien. Während die elektrolytische Bearbeitung nur leitfähige Materialien bearbeiten kann, ist die photochemische Bearbeitung nur für leicht korrosive Materialien geeignet, und die Plasmabearbeitung ist bei bestimmten Materialien mit hohem Schmelzpunkt schwierig zu bearbeiten.
• ② Es gibt wenige Einflussfaktoren auf die Qualität der Laser-Präzisionsbearbeitung, und die Bearbeitungsgenauigkeit ist hoch und im Allgemeinen besser als andere traditionelle Bearbeitungsverfahren im Allgemeinen.
• ③ Aus Sicht des Bearbeitungszyklus erfordert die Werkzeugelektrode von EDM eine hohe Präzision, einen großen Verlust und einen langen Bearbeitungszyklus; die Gestaltung der Kathodenform für den Bearbeitungshohlraum und das Profil der elektrolytischen Bearbeitung ist groß und der Herstellungszyklus ist ebenfalls lang; Die Verfahren sind kompliziert; die Laser-Präzisionsbearbeitung ist einfach, die Schlitzbreite ist einfach einzustellen und zu kontrollieren, die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist hoch und der Bearbeitungszyklus ist kürzer als bei anderen Methoden.
• ④Laser-Präzisionsbearbeitung gehört zur berührungslosen Bearbeitung ohne mechanische Kraft. Im Vergleich zur Erodier- und Plasmalichtbogenbearbeitung sind die Wärmeeinflusszone und die Verformung sehr klein, sodass sehr kleine Teile bearbeitet werden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Laser-Präzisionsbearbeitungstechnologie viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Bearbeitungsverfahren hat und ihre Anwendungsperspektiven sehr breit sind.

2. Einführung in häufig verwendete Laser-Präzisionsbearbeitungsgeräte

Zu den üblicherweise für die Präzisionsbearbeitung verwendeten Laser gehören: CO2-Laser, YAG-Laser, Kupferdampflaser, Excimer-Laser und CO-Laser usw. Einzelheiten zu den Lasereigenschaften finden Sie in der Literatur. 

Unter diesen werden Hochleistungs-CO2-Laser und Hochleistungs-YAG-Laser in großem Umfang in der Laserbearbeitungstechnologie im großen Maßstab verwendet; Kupferdampflaser und Excimerlaser werden in der Lasermikrobearbeitungstechnologie häufiger verwendet; YAG-Laser mittlerer und niedriger Leistung werden im Allgemeinen für die Präzisionsbearbeitung verwendet.

3. Anwendung der Laser-Präzisionsbearbeitung und Entwicklung von China und international

3.1 Internationaler Status

3.1.1 Laser-Präzisionsbohren

Mit dem Fortschritt der Technologie konnte die traditionelle Stanzmethode in vielen Fällen die Anforderungen nicht erfüllen. Beispielsweise werden kleine Löcher mit einem Durchmesser von mehreren zehn Mikrometern auf harten Wolframkarbidlegierungen bearbeitet; auf hartem und sprödem Rot und Saphir etc. werden tiefe Löcher mit einem Durchmesser von mehreren hundert Mikrometern bearbeitet, die mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren nicht zu erreichen sind. Die momentane Leistungsdichte des Laserstrahls beträgt bis zu 108 W / cm2, wodurch das Material in kurzer Zeit bis zum Schmelzpunkt oder Siedepunkt erhitzt werden kann, um eine Perforation auf den oben genannten Materialien zu erreichen. Im Vergleich zu Elektronenstrahl, Elektrolyse, elektrischem Funken und mechanischem Bohren bietet das Laserbohren eine gute Qualität, hohe Wiederholgenauigkeit, starke Vielseitigkeit, hohe Effizienz, niedrige Kosten und erhebliche umfassende technische und wirtschaftliche Vorteile. Das internationale Präzisions-Laserbohren hat ein sehr hohes Niveau erreicht. Ein Schweizer Unternehmen stanzt mit Festkörperlasern Löcher in Turbinenschaufeln von Flugzeugen, die Mikrolöcher mit einem Durchmesser von 20 µm bis 80 µm bearbeiten können, wobei das Verhältnis von Durchmesser zu Tiefe 1:80 erreichen kann (siehe Abbildung 1 (a)) . Der Laserstrahl kann auch verschiedene speziell geformte Löcher wie Sacklöcher (siehe Abbildung 1 (b)) und quadratische Löcher auf spröden Materialien wie Keramik bearbeiten, die durch normale Bearbeitung nicht erreicht werden können.

3.1.2 Laserpräzisionsschneiden

Verglichen mit der traditionellen Schneidmethode, Präzision Laser schneiden hat viele Vorteile. Es kann zum Beispiel schmale Einschnitte machen, fast keine Schnittrückstände, kleine Wärmeeinflusszone, geringe Schnittgeräusche und 15 bis 30 % Material sparen. Da der Laser kaum mechanische Impulse und Druck auf das zu schneidende Material ausübt, eignet er sich zum Schneiden von harten und spröden Materialien wie Glas, Keramik und Halbleiter für Kleinteile geeignet. Art von Präzisionsschneiden. Ein Schweizer Unternehmen verwendet Festkörperlaser zum Präzisionsschneiden, deren Maßhaltigkeit ein sehr hohes Niveau erreicht hat.

Eine typische Anwendung des Laserpräzisionsschneidens ist das Schneiden von SMT-Schablonen in Leiterplatten (siehe Abbildung 2). Das traditionelle SMT-Schablonenbearbeitungsverfahren ist ein chemisches Ätzverfahren. Sein fataler Nachteil besteht darin, dass die Grenzgröße der Bearbeitung nicht geringer sein darf als die Dicke der Platte, und das chemische Ätzverfahren hat einen komplizierten Prozess, einen langen Bearbeitungszyklus und das korrosive Medium belastet die Umwelt. 

Durch die Laserbearbeitung können diese Mängel nicht nur behoben, sondern auch die fertige Schablone nachbearbeitet werden. Insbesondere die Bearbeitungsgenauigkeit und Spaltdichte sind deutlich besser als bei ersterem (siehe Abbildung 3). Ist etwas niedriger als die erstere. Aufgrund des hohen technologischen Gehalts der gesamten Ausrüstung für die Laserbearbeitung und des hohen Preises können jedoch nur wenige Unternehmen in einigen Ländern wie den USA, Japan und Deutschland die gesamte Maschine herstellen.

3.1.3 Laser-Präzisionsschweißen

Das Laserschweißen hat eine sehr schmale Wärmeeinflusszone und eine kleine Schweißnaht. Es kann insbesondere Materialien mit hohem Schmelzpunkt und unähnliche Metalle schweißen, ohne dass zusätzliche Materialien erforderlich sind. Der internationale Einsatz von Festkörper-YAG-Lasern zum Naht- und Punktschweißen hat ein hohes Niveau erreicht. Darüber hinaus werden die Anschlussdrähte der gedruckten Schaltung per Laser verschweißt, wodurch kein Flussmittel benötigt wird und der Thermoschock reduziert werden kann, ohne den Schaltungschip zu beeinträchtigen, wodurch die Qualität des integrierten Schaltungschips sichergestellt wird (siehe Abbildung 4) .

3.2 Aktuelle Situation in China

Nach mehr als 20 Jahren Bemühungen in Bezug auf Laserpräzisionsbearbeitungstechnologie und komplette Ausrüstung, obwohl China beim keramischen Laserritzen und Laserpunktschweißen von mikrokleinen Metallteilen, beim Nahtschweißen und luftdichten Schweißen sowie beim Markieren verwendet wurde, usw. 

In der Laser-Präzisionsbearbeitungstechnologie jedoch, der Präzisionsschneid- und Ätzprozess für mikroelektronische Schaltungsschablonen mit hohem technischen Inhalt und breitem Anwendungsmarkt, Durchgangslöcher, Sacklöcher und speziell geformte Löcher, Schlitze verschiedener Spezifikationen und Größen auf Keramikplatten und gedruckt Leiterplatten Laser-Präzisionsbearbeitung und andere Aspekte befinden sich noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, und es ist kein entsprechender industrieller Prototyp erschienen. 

Die Mehrheit der Benutzer in China verwendet im Allgemeinen importierte Vorlagen oder die Auftragsbearbeitung in Hongkong und anderen Orten. Der hohe Preis und der lange Zyklus haben den Produktentwicklungszyklus ernsthaft beeinträchtigt. In den letzten Jahren haben einige große internationale Unternehmen Chinas riesiges Marktpotenzial in der Laserpräzisionsbearbeitungsindustrie erkannt. , Hat begonnen, Niederlassungen in China einzurichten. Hohe Bearbeitungskosten erhöhen jedoch die Produktkosten und schrecken viele Unternehmen noch immer davon ab.

4. Entwicklungstrend und Perspektive der Laserpräzisionsbearbeitungstechnologie

Qualitativ hochwertige, effiziente, stabile, zuverlässige und kostengünstige Laser sind die Voraussetzung für die Förderung und Anwendung der Präzisionsbearbeitung. Einer der Entwicklungstrends der Laser-Präzisionsbearbeitung ist die Miniaturisierung von Bearbeitungssystemen. In den letzten Jahren haben sich diodengepumpte Laser rasant entwickelt. Es hat eine Reihe von Vorteilen wie einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine gute Arbeitsstabilität, eine gute Strahlqualität und eine geringe Größe. Er dürfte der Hauptlaser für die nächste Generation der Laserpräzisionsbearbeitung werden.

Die Integration von Bearbeitungssystemen ist ein weiterer wichtiger Trend in der Entwicklung der Laserpräzisionsbearbeitung. Systematisierung und Verbesserung der Laser-Präzisionsbearbeitungstechnologie für verschiedene Materialien; eine benutzerfreundliche, dedizierte Steuerungssoftware für die Laserpräzisionsbearbeitung zu entwickeln und mit der entsprechenden Prozessdatenbank zu ergänzen; Kombinieren Sie Steuerung, Prozess und Laser, um optische zu erreichen. Die Integration von Maschinen-, Strom- und Materialbearbeitung ist ein unvermeidlicher Trend in der Entwicklung der Laserpräzisionsbearbeitung.

Obwohl China in Bezug auf Laserbearbeitungstechnologie und -ausrüstung eine große Lücke im internationalen Vergleich hat, werden wir die Laserpräzision besetzen, wenn wir die Laserstrahlqualität und die Bearbeitungsgenauigkeit basierend auf dem Original in Kombination mit der Erforschung der Materialbearbeitungstechnologie weiter verbessern Zerspanungsmarkt so gut wie möglich. Und nach und nach in den Bereich der Lasermikrobearbeitung eindringen, kann die schnelle Entwicklung von fördern Laser schneiden Technologie und machen die Laser-Präzisionsbearbeitung schließlich zu einer Großindustrie.

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