Lección 13.6Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Mecanizado con láser de femtosegundos

Elimina material con pulsos láser ultracortos, sin fundir

El mecanizado con láser de femtosegundos corta, taladra y texturiza material con destellos láser que duran menos de una billonésima de segundo. Cada destello vaporiza una capa fina antes de que el calor se propague, así que los bordes salen limpios en vez de fundidos. Los fabricantes de stents cardíacos, vidrio de cubierta de móviles e inyectores de combustible lo usan donde importa incluso un daño térmico leve.

Foto: paul_houle, CC BY-SA 2.0, vía Wikimedia Commons

mecanizado con láser de femtosegundos · la máquina y un detalle del punto de trabajoLos números en círculo corresponden a los pasos de abajo; los dos paneles enmarcados amplían el punto donde la luz se encuentra con el material.

Cómo funciona

Genera pulsos ultracortos. Un oscilador (el núcleo del láser que genera los pulsos) emite un tren constante de pulsos débiles. Cada uno dura de decenas a cientos de femtosegundos (un femtosegundo es una milmillonésima de millonésima de segundo).
Amplifícalos. Un amplificador estira cada pulso, aumenta su energía y luego lo vuelve a comprimir. Este truco, la amplificación de pulsos con modulación de frecuencia (chirp), ganó el Premio Nobel de Física de 2018.
Apunta y enfoca. Un escáner (dos espejos de giro rápido) dirige el haz. Una lente lo enfoca en un punto de unas pocas micras de ancho (una micra, o µm, es una milésima de milímetro).
Ablación en frío. El pulso descarga su energía más rápido de lo que los átomos pueden pasar calor a sus vecinos. Una capa fina se ablaciona, es decir, sale despedida como vapor y plasma (gas caliente y cargado), casi sin fusión.
Recorre la trayectoria. Cientos de miles de pulsos por segundo o más trazan la trayectoria programada, capa a capa, para cortar, taladrar o texturizar. Enfocados dentro de vidrio transparente, los pulsos pueden incluso escribir canales sin tocar la superficie.

Datos clave

Materiales: Casi cualquier cosa: acero, titanio, nitinol (una aleación con memoria de forma), vidrio, zafiro, cerámicas, polímeros, incluso tejido ocular
Piezas típicas: Stents cardíacos, microagujeros en inyectores de combustible y placas de circuito, recortes en vidrio de cubierta de móviles, superficies texturizadas
Tamaño de pieza: Detalles desde aproximadamente 1 µm hasta milímetros; piezas normalmente pequeñas o finas (tubos, láminas, hojas)
Precisión: Normalmente unas pocas micras; detalles de hasta aproximadamente 1 µm
Acabado superficial: Bordes limpios y sin rebabas con casi ninguna zona afectada por el calor (la banda de material alterada por el calor)
Tamaño de lote adecuado: De prototipos a grandes series de piezas de alto valor (stents, vidrio de móviles, láminas de baterías)
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje; una estación de trabajo láser suele costar varios cientos de miles de dólares
Velocidad: Cientos de miles de pulsos por segundo, aunque con una eliminación masiva lenta: normalmente milímetros cúbicos por minuto

Ventajas y límites

Ventajas

Casi sin daño térmico: sin rebabas, bordes fundidos ni grietas
Funciona en vidrio, zafiro, cerámicas y plásticos sensibles al calor
Detalle a escala de micras, sin contacto de herramienta y sin desgaste de herramienta
Puede modificar el interior del vidrio sin tocar su superficie

Límites

Elimina material despacio en comparación con los láseres convencionales
Las fuentes láser son caras y complejas
Ajustar la energía, la frecuencia y el solapamiento de los pulsos es delicado
Adecuado para piezas pequeñas y secciones finas; los humos necesitan extracción

Dónde se usa

Productos sanitariosStents coronarios, catéteres, microagujas
Electrónica de consumoVidrio de cubierta de móviles, cubiertas de cámara de zafiro, recortes de pantallas
ElectrónicaMicrovías (agujeros diminutos que unen capas de placas de circuito), corte de obleas
BateríasCorte y estructuración de láminas de electrodos
Cirugía ocularColgajos corneales para LASIK, pasos de la cirugía de cataratas
Automoción y aeroespacialAgujeros de inyectores de combustible, agujeros de refrigeración, texturas superficiales que reducen la fricción

Cómo reconocerlo

Normalmente no se puede: los detalles miden micras de ancho y acaban ocultos dentro de stents, móviles, placas de circuito y motores.
Bordes cortados en vidrio o metal que se ven perfectamente limpios, sin color de quemadura, sin rebabas y sin gotas de metal resolidificado.
Con una lupa, microagujeros redondos y nítidos, a menudo ligeramente cónicos (más anchos en el lado por donde entró el láser).
Metal texturizado con láser que reluce con colores del arcoíris: los pulsos dejan ondulaciones lo bastante finas para separar la luz en colores.

Compáralo con

Corte por láser6.2un haz continuo o de pulsos más largos funde y expulsa el material; mucho más rápido, pero deja un borde afectado por el calor.Haz de iones focalizado13.5elimina material con un haz de iones (átomos con carga) en vacío; más fino, hasta nanómetros, pero mucho más lento.Polimerización de dos fotones13.8usa el mismo tipo de láser para construir en vez de eliminar, endureciendo la resina solo en el foco.

Míralo

SME Media · Una visión general sencilla de lo que pueden hacer los pulsos ultracortos

CMS Laser · Corte de dibujos tipo stent en tubos finos de metal

Spectra-Physics an MKS Brand · Primeros planos de microcortes y agujeros limpios

TRUMPFtube · Taladrado de placas de circuito a velocidad de producción

Ver fotos reales

Wikipedia: Ablación láser — cómo los láseres pulsados eliminan material; pocas fotos
Wikipedia: Pulso ultracorto — qué son los pulsos de femtosegundos y cómo se generan
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Los pulsos más cortos que el tiempo que necesita el calor para propagarse eliminan material sin fundirlo.
Mecaniza casi cualquier material, vidrio y tejido incluidos, con detalle de micras.
El precio son láseres caros y una eliminación lenta, así que es adecuado para piezas pequeñas de alto valor.