Лазерное сверление - Laser drilling

Лазерное сверление представляет собой процесс создания сквозных отверстий, называемых «вытесненными» отверстиями или «просверленными ударным способом» отверстиями, путем многократного воздействия на материал сфокусированной лазерной энергии. Диаметр этих отверстий может составлять всего 0,002 дюйма (~ 50 мкм). Если требуются отверстия большего размера, лазер перемещается по окружности «вытолкнутого» отверстия, пока не будет получен желаемый диаметр; эта техника называется «трепанация».

Приложения

Лазерное сверление - один из немногих методов изготовления отверстий с высоким удлинением - отверстий с отношением глубины к диаметру, намного превышающим 10: 1.^[1]

Просверленные лазером отверстия с высоким соотношением сторон используются во многих приложениях, включая масляная галерея некоторых блоки двигателя отверстия для охлаждения газотурбинных двигателей, компоненты лазерного термоядерного синтеза,^[1] и микропереходные отверстия печатной платы.^[2][3][4][5]

Производители турбинные двигатели за двигательная установка самолета и для выработка энергии извлекли выгоду из продуктивности лазеры для сверления небольших (типичный диаметр 0,3–1 мм) цилиндрических отверстий под углом 15–90 ° к поверхности в отливке, листовой металл и обработанные компоненты. Их способность сверлить отверстия под небольшими углами к поверхности со скоростью от 0,3 до 3 отверстий в секунду позволила создать новые конструкции, включающие отверстия для пленочного охлаждения для улучшения эффективность топлива, снижение шума и снижение выбросов NOx и CO.

Постепенные усовершенствования лазерных процессов и технологий управления привели к существенному увеличению количества охлаждающих отверстий, используемых в газотурбинных двигателях. В основе этих улучшений и более широкого использования отверстий, просверленных лазером, является понимание взаимосвязи между параметрами процесса и качеством отверстия и бурение скорость.

Теория

Ниже приводится краткое изложение технических представлений о процессе лазерного бурения и взаимосвязи между параметрами процесса и качеством отверстия и скоростью сверления.

Физические явления

Лазерное сверление цилиндрических отверстий обычно происходит через таяние и испарение (также называется "абляция ") материала заготовки за счет поглощения энергии от сфокусированного лазерный луч.

Энергия, необходимая для удаления материала путем плавления, составляет около 25% энергии, необходимой для испарения того же объема, поэтому часто предпочтение отдается процессу удаления материала путем плавления.^{[нужна цитата ]}

Преобладающая роль в процессе лазерного сверления - плавление или испарение - зависит от многих факторов, в том числе лазерный импульс продолжительность и энергия играют важную роль. Вообще говоря, абляция доминирует, когда используется Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности.^{[нужна цитата ]} С другой стороны, вытеснение расплава, средство, с помощью которого создается отверстие в результате плавления материала, преобладает, когда вспышка используется Nd: YAG-лазер с накачкой.^{[нужна цитата ]} Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности обычно имеет длительность импульса порядка наносекунды, пиковая мощность порядка десяти и сотен МВт / см², а скорость съема материала из нескольких микрометры за импульс. Nd: YAG-лазер с накачкой импульсной лампой обычно имеет длительность импульса порядка сотен микросекунды к миллисекунда, пиковая мощность порядка менее МВт / см²и скорость съема материала от десяти до сотен микрометров за импульс. Для процессов обработки каждым лазером абляция и вытеснение расплава обычно сосуществуют.^{[нужна цитата ]}

Вытеснение расплава возникает в результате быстрого накопления давление газа (сила отдачи) в полости, созданной испарение. Чтобы произошло вытеснение расплава, должен образоваться слой расплава и градиенты давления воздействие на поверхность из-за испарения должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть поверхностное натяжение силы и вытеснить расплавленный материал из отверстия.^[6]

«Лучшее из обоих миров» - это единая система, способная производить как «мелкое», так и «грубое» удаление расплава. «Прекрасное» выталкивание расплава позволяет получить элементы с отличным разрешением стен и небольшими размерами. зона термического влияния в то время как «грубое» вытеснение расплава, такое как используется в ударное бурение и трепанация, быстро удаляет материал.

Сила отдачи сильно зависит от пика температура. Значение T_cr^{[требуется разъяснение ]} при которой силы отдачи и поверхностного натяжения равны, является критической температурой вытеснения жидкости. Например, жидкое вытеснение из титан может иметь место, когда температура в центре отверстия превышает 3780 К.

В ранних работах (Körner et al., 1996)^[7] было обнаружено, что доля материала, удаляемого вытеснением из расплава, увеличивается с увеличением интенсивности. Более поздняя работа (Voisey, et al., 2000)^[8] показывает, что доля материала, удаляемого при удалении расплава, называемая фракцией выброса расплава (MEF), уменьшается при дальнейшем увеличении энергии лазера. Первоначальное увеличение вытеснения расплава при увеличении мощности луча было предварительно приписано увеличению давления и градиента давления, создаваемому внутри отверстия в результате испарения.

Лучшего результата можно добиться, если расплав будет выбрасываться 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. Для большей длительности импульса более высокая общая подводимая энергия помогает формировать более толстый расплавленный слой и приводит к выталкиванию соответственно более крупных капель.^[9]

Предыдущие модели

Чан и Мазумдер (1987)^[10] разработал одномерную модель установившегося состояния для учета вытеснения жидкости, но одномерное предположение не подходит для высоких соотношение сторон сверление отверстий и процесс бурения носит временный характер. Кар и Мазумдер (1990)^[11] расширил модель до 2-D, но вытеснение из расплава явно не рассматривалось. Более строгий подход к вытеснению из расплава был представлен Ganesh et al. (1997),^[12] которая представляет собой двумерную обобщенную модель переходных процессов для включения твердого тела, жидкости, температуры и давления во время лазерного бурения, но требует больших вычислительных затрат. Яо и др. (2001)^[13] разработал двухмерную переходную модель, в которой слой Кнудсена рассматривается на фронте расплава и пара, и модель подходит для более коротких импульсов и лазерной абляции с высокой пиковой мощностью.

Поглощение лазерной энергии и фронт паров расплава

На фронте расплав-пар граничное условие Стефана обычно применяется для описания поглощения лазерной энергии (Kar and Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).

${\displaystyle I_{abs}+k\left({\frac {\partial T}{\partial z}}+r{\frac {\partial T}{\partial r}}\right)+\rho _{l}\nu _{i}L_{v}-\rho _{v}\nu _{v}(c_{p}T_{i}+E_{v})=0}$ (1)

куда ${\displaystyle I_{abs}=I(t)^{-\beta z}}$ - поглощенная интенсивность лазера, β - коэффициент поглощения лазера в зависимости от длина волны и целевой материал, и Это) описывает временную входную интенсивность лазера, включая ширину импульса, частоту повторения и временную форму импульса. k это теплопроводность, Т это температура, z и р - расстояния в осевом и радиальном направлениях, п является плотность, v в скорость, L_v скрытая теплота испарения. Индексы л, v и я обозначают жидкую фазу, паровую фазу и границу раздела пар-жидкость соответственно.

Если интенсивность лазера высокая, а длительность импульса короткая, так называемый Слой Кнудсена Предполагается, что существует на фронте расплав-пар, где переменные состояния претерпевают скачкообразные изменения по всему слою. Учитывая неоднородность слоя Кнудсена, Яо и др. (2001) смоделировали скорость поверхностного углубления V_v распределение в радиальном направлении в разное время, что указывает на то, что скорость абляции материала значительно меняется в слое Кнудсена.^{[нужна цитата ]}

Удаление расплава

После получения давление газа п_v, течение слоя расплава и вытеснение расплава можно смоделировать с помощью уравнений гидродинамики (Ganesh et al., 1997). Вытеснение расплава происходит, когда на свободную поверхность жидкости воздействует давление пара, которое, в свою очередь, отталкивает расплав в радиальном направлении. Для достижения тонкого вытеснения расплава необходимо очень точно спрогнозировать характер течения расплава, особенно скорость течения расплава на краю отверстия. Таким образом, 2-D осесимметричный используется переходная модель и соответственно импульс и использовались уравнения неразрывности.

Модель выброса расплава Ганеша является всеобъемлющей и может использоваться на разных этапах процесса бурения скважин. Однако расчет занимает очень много времени, и Солана и др. (2001),^[14] представили упрощенную модель, зависящую от времени, которая предполагает, что скорость вытеснения расплава только вдоль стенки отверстия, и может дать результаты с минимальными вычислительными усилиями.

Жидкость будет двигаться вверх со скоростью u в результате градиента давления вдоль вертикальных стенок, который, в свою очередь, определяется разницей между давлением абляции и поверхностным натяжением, деленной на глубину проникновения. Икс.

Предполагая, что фронт бурения движется с постоянной скоростью, следующие линейное уравнение движения жидкости по вертикальной стенке является хорошим приближением для моделирования вытеснения расплава после начальной стадии бурения.

${\displaystyle \rho {\frac {\partial u(r,t)}{\partial t}}=P(t)+\mu {\frac {\partial ^{2}u(r,t)}{\partial r^{2}}}}$ (2)

куда п - плотность расплава, μ это вязкость жидкости, P (t) = (ΔP (t) / x (t)) - градиент давления вдоль жидкого слоя, ΔP (т) разница между давлением пара п_v и поверхностное натяжение ${\displaystyle 2\sigma \over {\bar {\delta }}}$.

Эффект формы импульса

Роос (1980)^[15] показали, что последовательность 200 мкс, состоящая из импульсов 0,5 мкс, дает лучшие результаты при сверлении металлов, чем импульс плоской формы 200 мкс. Анисимов и др. (1984)^[16] обнаружили, что эффективность процесса повышается за счет ускорения расплава во время импульса.

Град и Мозина (1998)^[17] далее продемонстрировал влияние формы импульса. Пик длительностью 12 нс был добавлен в начале, середине и конце импульса длительностью 5 мс. Когда к началу длинного лазерного импульса, когда не образовывался расплав, был добавлен пик длительностью 12 нс, не наблюдалось значительного влияния на удаление. С другой стороны, когда пик был добавлен в середине и конце длинного импульса, улучшение сверления эффективность составила 80 и 90% соответственно. Эффект межимпульсного формирования также был исследован. Лоу и Ли (2001)^[18] показал, что последовательность импульсов линейно возрастающей величины оказали существенное влияние на процессы изгнания.

Форсман и др. (2007) продемонстрировали, что поток двойных импульсов приводит к увеличению скорости бурения и резания со значительно более чистыми отверстиями.^[1]

Вывод

Производители применяют результаты моделирование процессов и экспериментальные методы для лучшего понимания и контроля процесса лазерного сверления. Результат - более качественные и производительные процессы, которые, в свою очередь, приводят к лучшим конечным продуктам, таким как более экономичный и более чистый самолет и энергетические газотурбинные двигатели.

Смотрите также

• Лазерная резка
• Список лазерных статей

Рекомендации

1. Форсман, А; и другие. (Июнь 2007 г.). "Superpulse Наносекундный импульсный формат для улучшения лазерного сверления" (PDF). Фотонные спектры. Получено 2014-07-20.
2. Бовацек, Джим; Тамханкар, Ашвини; Патель, Раджеш (1 ноября 2012 г.). «Ультрафиолетовые лазеры: ультрафиолетовые лазеры улучшают процессы производства печатных плат». Laser Focus World. Получено 20 июля 2014.
3. Мейер, Дитер Дж .; Шмидт, Стефан Х. (2002). «Лазерная технология печатных плат для жестких и гибких HDI - формирование переходных отверстий, структурирование, трассировка» (PDF). LPKF Лазер и электроника. Получено 20 июля 2014.
4. Gan, E.K.W .; Zheng, H.Y .; Лим, Г. (7 декабря 2000 г.). Лазерное сверление отверстий в подложках печатных плат. Труды 3-ей конференции по технологии упаковки электроники. IEEE. Дои:10.1109 / eptc.2000.906394. ISBN  0-7803-6644-1.
5. Kestenbaum, A .; D'Amico, J.F .; Blumenstock, B.J .; ДеАнджело, М.А. (1990). «Лазерное сверление микропереходов в стеклопластиковых печатных платах». Транзакции IEEE по компонентам, гибридам и производственным технологиям. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 13 (4): 1055–1062. Дои:10.1109/33.62548. ISSN  0148-6411.
6. Basu, S .; Деброй, Т. (1992-10-15). «Вытеснение жидкого металла при лазерном облучении». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 72 (8): 3317–3322. Дои:10.1063/1.351452. ISSN  0021-8979.
7. Körner, C .; Mayerhofer, R .; Hartmann, M .; Бергманн, Х. В. (1996). «Физические и материальные аспекты использования видимых лазерных импульсов наносекундной длительности для абляции». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка материалов. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 63 (2): 123–131. Дои:10.1007 / bf01567639. ISSN  0947-8396. S2CID  97443562.
8. Войзи, К.Т .; Cheng, C.F .; Клайн, Т. (2000). «Количественная оценка явлений выброса расплава во время лазерного бурения». MRS Proceedings. Сан-Франциско: Издательство Кембриджского университета (CUP). 617. Дои:10.1557 / proc-617-j5.6. ISSN  0272-9172.
9. Войзи, К. Т .; Томпсон, Дж. А .; Клайн, Т. У. (14–18 октября 2001 г.). Повреждения, вызванные лазерным сверлением ТБП термического напыления на подложках из суперсплавов. ICALEO 2001. Джэксонвилл, Флорида: Американский институт лазеров. п. 257. Дои:10.2351/1.5059872. ISBN  978-0-912035-71-0.
10. Chan, C.L .; Мазумдер, Дж. (1987). «Одномерная стационарная модель повреждения в результате испарения и вытеснения жидкости из-за взаимодействия лазера и материала». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 62 (11): 4579–4586. Дои:10.1063/1.339053. ISSN  0021-8979.
11. Kar, A .; Мазумдер, Дж. (1990-10-15). «Двумерная модель повреждения материала из-за плавления и испарения при лазерном облучении». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 68 (8): 3884–3891. Дои:10.1063/1.346275. ISSN  0021-8979.
12. Ганеш, Р.К .; Faghri, A .; Хан, Ю. (1997). «Обобщенное тепловое моделирование процесса лазерного бурения - I. Математическое моделирование и численная методология». Международный журнал тепломассообмена. Elsevier BV. 40 (14): 3351–3360. Дои:10.1016 / с0017-9310 (96) 00368-7. ISSN  0017-9310.
13. Zhang, W .; Yao, Y.L .; Чен, К. (01.09.2001). «Моделирование и анализ ультрафиолетовой лазерной микрообработки меди». Международный журнал передовых производственных технологий. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 18 (5): 323–331. Дои:10.1007 / s001700170056. ISSN  0268-3768. S2CID  17600502.
14. Солана, Пабло; Кападиа, Фирозе; Дауден, Джон; Родден, Уильям С.О .; Kudesia, Sean S .; Hand, Duncan P .; Джонс, Джулиан округ Колумбия (2001). «Зависящие от времени процессы абляции и выброса жидкости при лазерном сверлении металлов». Оптика Коммуникации. Elsevier BV. 191 (1–2): 97–112. Дои:10.1016 / с0030-4018 (01) 01072-0. ISSN  0030-4018.
15. Роос, Свен ‐ Олов (1980). «Лазерное сверление с различной формой импульса». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 51 (9): 5061–5063. Дои:10.1063/1.328358. ISSN  0021-8979.
16. Анисимов, В. Н .; Арутюнян, Р. В .; Баранов, В.Ю .; Большов, Л. А .; Велихов, Э. П .; и другие. (1984-01-01). «Обработка материалов импульсными эксимерными и углекислотными лазерами с высокой частотой следования импульсов». Прикладная оптика. Оптическое общество. 23 (1): 18. Дои:10.1364 / ао.23.000018. ISSN  0003-6935. PMID  18204507.
17. Град, Ладислав; Можина, Янез (1998). «Влияние формы лазерного импульса на оптически индуцированные динамические процессы». Прикладная наука о поверхности. Elsevier BV. 127–129: 999–1004. Дои:10.1016 / s0169-4332 (97) 00781-2. ISSN  0169-4332.
18. Низкий, D.K.Y; Ли, Л; Берд, П.Дж. (2001). «Влияние временной модуляции последовательности импульсов при лазерном ударном бурении». Оптика и лазеры в технике. Elsevier BV. 35 (3): 149–164. Дои:10.1016 / s0143-8166 (01) 00008-2. ISSN  0143-8166.