El estado y las perspectivas de la tecnología de mecanizado de precisión láser

El rayo láser se puede enfocar a un tamaño muy pequeño, lo que lo hace particularmente adecuado para mecanizado de precisión. Dividimos la tecnología de mecanizado láser actual en tres niveles según el tamaño del material procesado y los requisitos de precisión del mecanizado:

• ① Tecnología de mecanizado láser para materiales a gran escala, con placas gruesas (de varios milímetros a decenas de milímetros) como objeto principal, y su precisión de mecanizado es generalmente a nivel milimétrico o submilimétrico;
• ② Tecnología de mecanizado láser de precisión, con placas delgadas (0.1 a 1.0 mm) como principal objeto de mecanizado, y su precisión de mecanizado es generalmente del orden de diez micrones;
• ③ Tecnología de microfabricación láser, para varias películas con un espesor inferior a 100μm como objeto principal de mecanizado, su precisión de mecanizado es generalmente inferior a 10 micrones o incluso submicrónicos.

Cabe señalar que en la industria de la maquinaria, la precisión generalmente significa una pequeña rugosidad de la superficie y un pequeño rango de tolerancias (incluida la posición, la forma, el tamaño, etc.). Sin embargo, el término "precisión" en este artículo se refiere al pequeño espacio en el área que se está procesando, lo que significa que el tamaño límite que se puede procesar es pequeño. En los tres tipos anteriores de mecanizado por láser, la tecnología de mecanizado por láser de piezas grandes se ha vuelto cada vez más madura y el grado de industrialización ha sido muy alto. Se han revisado muchas publicaciones; Las tecnologías de micromecanizado láser, como el corte por láser, el grabado de precisión con láser, la tecnología de escritura directa con láser también se han utilizado ampliamente en la industria, y hay muchos informes relacionados. Este artículo se centrará en la tecnología de mecanizado de precisión láser. En aras de la conveniencia, los objetivos de mecanizado para el mecanizado de precisión que se mencionan a continuación se limitan a placas delgadas (0.1-1.0 mm).

1.Comparación entre el mecanizado de precisión láser y los métodos de mecanizado tradicionales

Con el avance de la tecnología, los tipos de tecnología de mecanizado de precisión son cada vez más abundantes.

El mecanizado de precisión láser tiene las siguientes características importantes:

• ①El alcance del mecanizado de precisión láser es amplio e incluye casi todos los materiales metálicos y no metálicos. Si bien el mecanizado electrolítico solo puede procesar materiales conductores, el mecanizado fotoquímico solo es adecuado para materiales fácilmente corrosivos, y el mecanizado por plasma es difícil para procesar ciertos materiales de alto punto de fusión.
• ② Hay pocos factores que influyen en la calidad del mecanizado de precisión láser, y la precisión del mecanizado es alta y, en general, es mejor que otros métodos de mecanizado tradicionales en general.
• ③ Desde la perspectiva del ciclo de mecanizado, el electrodo de herramienta de EDM requiere alta precisión, grandes pérdidas y un ciclo de mecanizado largo; el diseño del molde de cátodo para la cavidad de mecanizado y el perfil del mecanizado electrolítico es amplio y el ciclo de fabricación también es largo; Los procedimientos son complicados; el mecanizado de precisión láser es simple, el ancho de la hendidura es fácil de ajustar y controlar, la velocidad de mecanizado es rápida y el ciclo de mecanizado es más corto que otros métodos.
• ④ El mecanizado de precisión láser pertenece al mecanizado sin contacto, sin fuerza mecánica. En comparación con el mecanizado por electroerosión y arco de plasma, su zona afectada por el calor y su deformación son muy pequeñas, por lo que puede procesar piezas muy pequeñas.

En resumen, la tecnología de mecanizado de precisión láser tiene muchas ventajas sobre los métodos de mecanizado tradicionales, y su perspectiva de aplicación es muy amplia.

2. Introducción a los equipos de mecanizado de precisión láser de uso común

Los láseres que se utilizan comúnmente para el mecanizado de precisión incluyen: láseres de CO2, láseres YAG, láseres de vapor de cobre, láseres excimer y láseres de CO, etc. Para conocer las características del láser, consulte la documentación para obtener más detalles. 

Entre ellos, los láseres de CO2 de alta potencia y los láseres YAG de alta potencia se utilizan ampliamente en la tecnología de mecanizado láser a gran escala; los láseres de vapor de cobre y los láseres excímeros se utilizan más ampliamente en la tecnología de micromecanizado láser; Los láseres YAG de potencia media y baja se utilizan generalmente para el mecanizado de precisión.

3. Aplicación de mecanizado de precisión láser y desarrollo de China e internacional

3.1 Situación internacional

3.1.1 Perforación de precisión láser

Con el avance de la tecnología, el método de punzonado tradicional no ha podido satisfacer las necesidades en muchas ocasiones. Por ejemplo, pequeños orificios con un diámetro de varias decenas de micrómetros se procesan en aleaciones duras de carburo de tungsteno; Los agujeros profundos con un diámetro de varios cientos de micrómetros se procesan en rojo duro y quebradizo, zafiro, etc., lo que no se puede lograr con los métodos de mecanizado convencionales. La densidad de potencia instantánea del rayo láser es tan alta como 108 W / cm2, que puede calentar el material hasta el punto de fusión o ebullición en poco tiempo para lograr la perforación de los materiales anteriores. En comparación con el haz de electrones, la electrólisis, la chispa eléctrica y la perforación mecánica, la perforación con láser tiene buena calidad, alta precisión de repetición, gran versatilidad, alta eficiencia, bajo costo e importantes beneficios técnicos y económicos completos. La perforación láser de precisión internacional ha alcanzado un nivel muy alto. Una empresa suiza utiliza láseres de estado sólido para perforar las palas de las turbinas de los aviones, que pueden procesar microagujeros con un diámetro de 20 μm a 80 μm, y la relación entre el diámetro y la profundidad puede llegar a 1:80 (consulte la Figura 1 (a)). . El rayo láser también puede procesar varios orificios de formas especiales, como orificios ciegos (consulte la Figura 1 (b)) y orificios cuadrados en materiales frágiles, como cerámica, que no se pueden lograr con un mecanizado ordinario.

3.1.2 Corte de precisión láser

Comparado con el método de corte tradicional, precisión corte por láser tiene muchas ventajas. Por ejemplo, puede hacer incisiones estrechas, casi sin residuos de corte, pequeña zona afectada por el calor, bajo ruido de corte y puede ahorrar entre un 15% y un 30% de material. Debido a que el láser apenas produce impulsos mecánicos y presión sobre el material que se está cortando, es adecuado para cortar materiales duros y quebradizos como vidrio, cerámica y semiconductores. Además, el punto del láser es pequeño y la hendidura es estrecha, por lo que es particularmente Adecuado para piezas pequeñas. Tipo de corte de precisión. Una empresa suiza utiliza láseres de estado sólido para cortes de precisión y su precisión dimensional ha alcanzado un nivel muy alto.

Una aplicación típica del corte de precisión láser es cortar plantillas SMT en placas de circuitos impresos (consulte la Figura 2). El método tradicional de mecanizado de plantillas SMT es un método de grabado químico. Su fatal desventaja es que el tamaño límite del mecanizado no debe ser menor que el espesor de la placa, y el método de grabado químico tiene un proceso complicado, un ciclo de mecanizado largo y el medio corrosivo contamina el medio ambiente. 

El mecanizado láser no solo puede superar estas deficiencias, sino que también puede reprocesar la plantilla terminada. En particular, la precisión del mecanizado y la densidad del espacio son significativamente mejores que las anteriores (ver Figura 3). Es un poco más baja que la anterior. Sin embargo, debido al alto contenido tecnológico de todo el conjunto de equipos utilizados para el mecanizado láser y al alto precio, solo unas pocas empresas en unos pocos países como Estados Unidos, Japón y Alemania pueden producir la máquina completa.

3.1.3 Soldadura de precisión láser

La soldadura por láser tiene una zona muy estrecha afectada por el calor y una pequeña costura de soldadura. En particular, puede soldar materiales de alto punto de fusión y metales diferentes sin la necesidad de materiales adicionales. El uso internacional de láseres YAG sólidos para soldadura de uniones y soldadura por puntos ha alcanzado un alto nivel. Además, los cables conductores del circuito impreso están soldados por láser, lo que no requiere el uso de un fundente, y puede reducir el choque térmico sin afectar el troquel del circuito, asegurando así la calidad del troquel del circuito integrado (ver Figura 4). .

3.2 Situación actual en China

Después de más de 20 años de esfuerzos, en términos de tecnología de mecanizado de precisión láser y equipo completo, aunque China se ha utilizado en el trazado por láser de cerámica y la soldadura por puntos con láser de piezas metálicas micropequeñas, soldadura de costura y soldadura hermética al aire y marcado, etc. 

Sin embargo, en la tecnología de mecanizado de precisión láser, el proceso de corte y grabado de precisión de plantilla de circuito microelectrónico con alto contenido técnico y amplio mercado de aplicaciones, orificios pasantes, orificios ciegos y orificios de formas especiales, ranuras de diversas especificaciones y tamaños en láminas de cerámica e impresas placas de circuito El mecanizado de precisión láser y otros aspectos aún se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo, y no ha aparecido ningún prototipo industrial correspondiente. 

La mayoría de los usuarios en China generalmente utilizan plantillas importadas o mecanizado por encargo en Hong Kong y otros lugares. El alto precio y el ciclo largo han afectado seriamente el ciclo de desarrollo del producto. En los últimos años, algunas grandes empresas internacionales han visto el enorme mercado potencial de China en la industria del mecanizado de precisión láser. , Ha comenzado a establecer sucursales en China. Sin embargo, los altos costos de mecanizado aumentan los costos del producto y aún hacen que muchas empresas los desalienten.

4.Tendencia de desarrollo y perspectivas de la tecnología de mecanizado de precisión láser

Láseres de alta calidad, eficientes, estables, fiables y económicos son los requisitos previos para la promoción y aplicación del mecanizado de precisión. Una de las tendencias de desarrollo del mecanizado de precisión láser es la miniaturización de los sistemas de mecanizado. En los últimos años, los láseres bombeados por diodos se han desarrollado rápidamente. Tiene una serie de ventajas como alta eficiencia de conversión, buena estabilidad de trabajo, buena calidad de haz y tamaño reducido. Es probable que se convierta en el láser principal para la próxima generación de mecanizado de precisión láser.

La integración de sistemas de mecanizado es otra tendencia importante en el desarrollo del mecanizado de precisión láser. Sistematizar y mejorar la tecnología de mecanizado de precisión láser para diversos materiales; desarrollar un software de control dedicado y fácil de usar, adecuado para el mecanizado de precisión láser, y complementarlo con la base de datos de procesos correspondiente; Combine el control, el proceso y el láser para lograr el mecanizado óptico. La integración de la máquina, la electricidad y el mecanizado de materiales es una tendencia inevitable en el desarrollo del mecanizado de precisión con láser.

Aunque China tiene una gran brecha con el internacional en términos de tecnología y equipos de mecanizado láser, si continuamos mejorando la calidad del rayo láser y la precisión del mecanizado basados ​​en el original, combinados con la investigación de la tecnología de mecanizado de materiales, ocuparemos la precisión láser. mercado de mecanizado tanto como sea posible. Y penetrar gradualmente en el campo del micromecanizado láser, puede promover el rápido desarrollo de corte por láser tecnología y, finalmente, convertir el mecanizado de precisión láser en una industria a gran escala.

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