چگونه یک میلیون سوراخ سوراخ می کنید؟

چگونه یک میلیون سوراخ سوراخ می کنید؟

چگونه یک میلیون سوراخ سوراخ می کنید؟

لیزر ابزار انتخابی برای حفاری تعداد زیادی سوراخ مشابه در کنار یکدیگر است. اما کدام سیستم لیزری سریعترین است؟ و کدام فرآیند حفاری مناسب ترین نتایج را ارائه می دهد؟ موسسه Fraunhofer برای فناوری لیزر ILT چندین دهه در حال توسعه و آزمایش فناوری برای چنین فرآیندهایی بوده است. مقاله زیر مروری بر نحوه برخورد با این سؤالات ارائه می‌کند.

توسط Dipl.-Phys. Martin Reininghaus، رهبر گروه میکرو و نانوساختار در Fraunhofer ILT و دنیس هاسلر، گروه میکرو و نانوساختار در Fraunhofer ILT

چه کسی به این همه سوراخ نیاز دارد؟

اگرچه این بیماری همه گیر در حال حاضر سفرهای هوایی را کاهش داده است، صنعت هواپیما برای کاهش بیشتر مصرف سوخت تحت فشار قابل توجهی قرار دارد. اصل “کنترل جریان آرام هیبریدی” این فرصت را برای آن فراهم می کند: هوا در اطراف بال هواپیما با مقاومت کمتری جریان می یابد اگر سطح آن سوراخ های کوچک زیادی داشته باشد. صرفه جویی در مصرف سوخت تا 10 درصد از این طریق امکان پذیر است.

وضعیت در مورد توربین‌های هواپیما نیز مشابه است، جایی که سوراخ‌های کوچک به کاهش صدای موتور کمک می‌کنند. مثال سوم فناوری فیلتر است. در اینجا، فویل‌های فلزی با سوراخ‌هایی در محدوده میکرومتر می‌توانند میکروپلاستیک‌ها را به طور موثری از فاضلاب فیلتر کنند. این سه مثال به خوبی نشان می‌دهند که سوراخ‌های زیادی برای حفاری در مناطق بسیار متفاوت وجود دارد. ساخت توربین، تولید کاغذ یا بازیافت پلاستیک مناطقی هستند که پتانسیل بالایی دارند.

چگونه با لیزر دریل کنیم؟

fachbeitrag laserbohren 1 einteilung bohrverfahren en چگونه یک میلیون سوراخ
فرایندهای مختلف حفاری لیزری را می توان بر اساس دقت و سرعت حفاری طبقه بندی کرد. © Fraunhofer ILT، آخن، آلمان.

لیزر اکنون چندین دهه است که در صنعت استفاده می شود و کاربردهای آن نیز متفاوت است. علاوه بر علامت گذاری، جوشکاری و برش، لیزرها معمولاً برای حفاری نیز استفاده می شوند. از نقطه نظر علمی، حفاری لیزری یک فرآیند برش حرارتی غیر آسیاب است. تصویر 1 چهار روش مختلف برای سوراخ کردن سوراخ با لیزر را نشان می دهد. معاوضه بین سرعت بالا و دقت بالا نقش مهمی در انتخاب دارد.

البته، سریع‌ترین راه این است که سوراخ‌ها را با پالس‌های منفرد از میان مواد عبور دهید. حفاری حلزونی طولانی‌ترین زمان را می‌برد، معمولاً حتی به سیستم‌های نوری خاصی نیاز دارد، اما در ازای آن دقت بالایی ارائه می‌دهد. حفاری ضربه ای شامل قرار دادن چندین پالس در یک نقطه برای لیزر کردن سوراخ از طریق مواد است. ترپنینگ زمانی است که سوراخ با ردیابی کانتور سوراخ پس از حفاری اولیه یک سوراخ کوچکتر بریده می شود.

fachbeitrag laserbohren 2 sonaca laengsschliffe چگونه یک میلیون سوراخ
نمای حفره‌های کوچک با نور عبوری (چپ) و بخش طولی سوراخ‌ها (راست). © Fraunhofer ILT، آخن، آلمان.

البته دقت سوراخ مته و صاف بودن دیواره های آن به مواد و نوع تابش لیزر نیز بستگی دارد. از آنجایی که به عنوان مثال، مس تشعشعات سبز و آبی را بسیار بهتر از مادون قرمز معمولی جذب می کند، با این نوع لیزر بهتر پردازش می شود.

مدت پالس و انرژی پالس نیز بر نتیجه تأثیر می‌گذارد، و اینجاست که لیزرهای پالس اولترا کوتاه (USP) چیز بسیار خاصی هستند: آنها انرژی لیزر را در زمان بسیار کوتاهی اعمال می‌کنند و مواد را تقریباً بلافاصله به پلاسما تبدیل می‌کنند. در نتیجه، لیزرهای USP می توانند تقریباً هر ماده ای را پردازش کنند، کیفیت سطح عالی را ارائه دهند، اما همچنین به طولانی ترین زمان برای سوراخ کردن سوراخ نیاز دارند.

Fraunhofer ILT سالها تمام این فرآیندها را بررسی و بهینه سازی کرده است. این کار منجر به فرآیندهای حفاری بسیار پرباری شده است که می تواند ده ها تا صدها سوراخ در ثانیه ایجاد کند. چالش بزرگ در اینجا حفظ تحمل کم قطر سوراخ و کیفیت سطح بالا حتی در بهره وری بالا (نرخ حفاری) بود. در اینجا، مؤسسه از فرآیند معروف حفاری تک پالس «در پرواز» (OTF) و همچنین فرآیند حفاری ضربه‌ای OTF که در Fraunhofer ILT توسعه یافته است، استفاده می‌کند.

مثال 1: میکرودریلینگ تک پالس با لیزر

پربازده ترین فرآیند حفاری در لیست بالا، حفاری با تک پالس است. همیشه باید توجه داشت که سرعت فرآیند و کیفیت سوراخ باید متعادل باشد. اگر مجموعه نوری خیلی سریع روی سطح حرکت کند، سوراخ کشیده می شود. کیفیت سوراخ مته را می توان با توجه به پارامترهای مختلف ارزیابی کرد:

  • گرد بودن، یعنی میزان انحراف سوراخ مته از شکل دایره ای ایده آل. تحت تأثیر لیزر و سرعت پردازش قرار می گیرد.
  • مخروط بودن درجه تغییر قطر سوراخ با عمق است.
  • کیفیت سطح در سوراخ مته، بر آن تأثیر می گذارد. با شدت تابش لیزر.

در Fraunhofer ILT، فرآیند بهینه‌سازی شد به طوری که می‌توان 200 سوراخ در ثانیه را در ورق تیتانیوم 1 میلی‌متری حفر کرد. برای این منظور، از لیزر تک حالته استفاده شد که می تواند قطر فوکوس تنها 12 میکرومتر ایجاد کند تا سوراخ هایی با قطر کمتر از 80 میکرومتر ایجاد کند.

حفاری “در حال پرواز” انجام شد، یعنی با نرخ تغذیه ثابت سیستم نوری نسبت به قطعه کار. با استفاده از پارامترهای فرآیند بهینه‌سازی شده، این مؤسسه توانست یک نمایشگر سه‌بعدی به طول ۲ متر از یک بال هواپیما را بر روی یک سیستم ۶ محوره ماشین‌کاری کند. با سرعت 200 سوراخ در ثانیه، حدود 2 میلیون سوراخ در هر متر مربع در مساحتی حدود 2 متر مربع در کمتر از سه ساعت حفر شد. قطر سوراخ ها 80 میکرومتر بود. همچنین کنترل دقیق فاصله بین سیستم های نوری و قطعه کار بسیار مهم بود. توموگرافی انسجام نوری (OCT) برای نظارت بر این مورد استفاده شد، زیرا OCT تحت تأثیر پلاسما یا پاشش قرار نمی‌گیرد و دقت اندازه‌گیری تنها چند میکرومتر است.

مثال 2: حفاری کوبه ای “در پرواز”

fachbeitrag laserbohren 3 otf prozess fluegel چگونه یک میلیون سوراخ
اگر سوراخ های کوچک در قسمت جلویی بال هواپیما هوا را جذب کند، تشکیل تلاطم کاهش می یابد و سوخت کمتری مصرف می شود. سوراخ‌های 80 میکرومتری با سرعتی در حدود 150 میلی‌متر بر ثانیه در قطعه بال «در حال پرواز» حفر می‌شوند. © سمت چپ: Sonaca. سمت راست: Fraunhofer ILT، آخن، آلمان.

همه سوراخ‌ها را نمی‌توان با تک پالس‌های لیزری حفر کرد: برای مثال، آن‌هایی که نسبت‌های تصویری بالاتری دارند، کیفیت سوراخ مته‌کاری بالاتری دارند یا شیب سوراخ دارند. اینها را می توان با حفاری ضربه ای به دست آورد. قطر سوراخ های بزرگتر کاربرد دیگری برای حفاری ضربه ای OTF است. در این فرآیند، چندین پالس لیزر به یک سوراخ شلیک می شود. واضح است که نرخ تغذیه در اینجا نقش مهم تری ایفا می کند: سوراخ باید قبل از حرکت سیستم نوری تمام شود، در غیر این صورت سوراخ کج می شود یا لیزر به هیچ وجه نمی تواند به مواد نفوذ کند.

مدت زمان لازم برای دریل کردن یک سوراخ به تعداد پالس های لیزر مورد نیاز و سرعت تکرار لیزر بستگی دارد. فرآیند حفاری به خودی خود پیچیده تر از یک پالس است. تا زمانی که سوراخ حفر می شود، تک تک پالس های لیزر باید به اندازه کافی قوی باشند تا مواد را بیشتر از سوراخ خارج کنند، زیرا بسته به پارامترهای فرآیند، مذاب می تواند در سوراخ باقی بماند و جامد شود، لیزر را تحت الشعاع قرار دهد یا حتی سوراخ را ببندد. سوراخ.

fachbeitrag laserbohren 4rem aufnahme en چگونه یک میلیون سوراخ
© Fraunhofer ILT، آخن، آلمان. پالس های لیزری فوق کوتاه (راست) سطوح بسیار بهتری نسبت به پالس های لیزر کوتاه (سمت چپ) تولید می کنند.

فراونهوفر این موضوع را به تفصیل بررسی کرد و یک فرآیند OTF برای حفاری ضربی ایجاد کرد. با استفاده از یک منبع پرتو لیزر فیبر جدید با حداکثر توان پالس حداکثر 20 کیلووات و نرخ تکرار 2000 هرتز، این موسسه توانست تا 30 سوراخ در ثانیه در آلومینیوم ضخامت 2 میلی‌متر ایجاد کند.

قطر حفره 500 میکرومتر با درجه دقت بالایی تولید شد. انحراف معیار در ورودی کمتر از 5 درصد و در خروجی حتی کمتر از 2.5 درصد بود. قدرت‌های پیک پالس بالا و نرخ‌های تکرار منابع لیزر جدید، حفر سوراخ‌های دقیق با بهره‌وری بالا را ممکن می‌سازد.

و اگر این کافی نیست؟

تکنولوژی لیزر و فرآیند به طور مداوم در حال پیشرفت است، و بنابراین پیشرفت های بیشتری در حفاری لیزری نیز در سال های آینده قابل انتظار است. از نظر منابع پرتو، لیزرهای پالس اولترا کوتاه با توان بالاتر در حال افزایش هستند. آنها دو مزیت عمده دارند: از یک طرف، پردازش USP حفره‌هایی را ایجاد می‌کند که دقیق‌تر، بدون نقص یا به سادگی صاف‌تر هستند. از سوی دیگر، لیزرهای USP می توانند عملاً تمام مواد را پردازش کنند. تا کنون، این تنها با سرعت کار بسیار پایین تر جبران شده است. در CAPS منابع فوتون پیشرفته Cluster of Excellence Fraunhofer، کارشناسان چندین مؤسسه Fraunhofer در حال حاضر در حال توسعه منابع پرتو با سطوح توان بیش از 10 کیلو وات و همچنین فناوری فرآیند لازم هستند. آنها همچنین باید مشکل فعلی بهره وری پایین لیزرهای USP را حل کنند.

چنین منابع پرتو لیزر قدرتمند استفاده از سیستم های نوری چند پرتویی را نیز امکان پذیر می کند. از جمله، آنها امکان حفر صدها یا هزاران سوراخ به صورت موازی را فراهم می کنند. در پروژه SimConDrill، صفحات فیلتر برای فیلترهای فاضلاب با میلیون ها سوراخ 10 میکرومتری قبلاً به این روش حفر شده است. با چنین سوراخ‌های کوچکی، می‌توان از فیلترها در کارخانه‌های فاضلاب عمومی برای به دام انداختن میکروپلاستیک‌ها تا محدوده زیر 10 میکرومتر استفاده کرد.

سیستم‌های نوری چند پرتو را می‌توان به روش‌های مختلفی پیکربندی کرد: تعداد زیادی پرتوهای جزئی یکسان موازی را می‌توان از طریق عناصر نوری پراش تولید کرد. از تعدیل کننده های کریستال مایع ویژه می توان برای تعریف توزیع پرتوهای جزئی تقریباً به میل استفاده کرد. از مدولاتورهای آکوستو-اپتیکال نیز می توان برای روشن و خاموش کردن پرتوهای جداگانه استفاده کرد.

به طور کلی، فناوری حفاری لیزری دستخوش تغییرات پویا و جذابی است. فرآیندهای جدیدی در حال توسعه هستند، و لیزرهای قدرتمند به طور فزاینده فرصت‌های جدیدی را از نظر هندسه حفاری و بهره‌وری قابل دستیابی می‌گشایند. به طور خاص، پیشرفت های بزرگ در منابع پرتو USP، کاربردهای جدید و هیجان انگیز زیادی را در حفاری لیزری در سال های آینده امکان پذیر خواهد کرد. Fraunhofer ILT دانش را از تحقیقات پایه توسعه می دهد و آن را در کاربردهای صنعتی و توسعه سیستم به کار می برد.

در LASER WORLD of PHOTONICS امسال در مونیخ از 26 تا 29 آوریل 2022، کارشناسان Fraunhofer ILT طیف ارائه شده توسط فناوری UKP در زمینه حفاری لیزری را ارائه خواهند کرد: غرفه مشترک Fraunhofer در سالن A6.441.

کلیدواژه : محیط
ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *