Lição 13.6Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Usinagem a laser de femtossegundos

Remove material com pulsos de laser ultracurtos, sem fundir

A usinagem a laser de femtossegundos corta, fura e texturiza materiais com flashes de laser que duram menos de um trilionésimo de segundo. Cada flash vaporiza uma fina camada antes que o calor se espalhe, então as bordas saem limpas em vez de fundidas. Fabricantes de stents cardíacos, de vidros de cobertura de celulares e de injetores de combustível a usam onde até um leve dano de calor importa.

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

usinagem a laser de femtossegundos · a máquina e uma ampliação do pontoOs números circulados correspondem às etapas abaixo; os dois quadros emoldurados ampliam o ponto onde a luz encontra o material.

Como funciona

Gere pulsos ultracurtos. Um oscilador (o núcleo do laser que produz os pulsos) emite um trem constante de pulsos fracos. Cada um dura de dezenas a centenas de femtossegundos (um femtossegundo é um milionésimo de bilionésimo de segundo).
Amplifique-os. Um amplificador estica cada pulso, aumenta sua energia e depois o comprime de novo. Esse truque, a amplificação de pulsos com chirp, ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2018.
Mire e focalize. Um escâner (dois espelhos que giram rápido) direciona o feixe. Uma lente o focaliza em um ponto de poucos mícrons de largura (um mícron, ou µm, é um milésimo de milímetro).
Ablação a frio. O pulso despeja sua energia mais rápido do que os átomos conseguem passar calor aos vizinhos. Uma fina camada sofre ablação, ou seja, é arrancada como vapor e plasma (gás quente e carregado), com quase nenhuma fusão.
Percorra o caminho. Centenas de milhares de pulsos por segundo ou mais traçam o caminho programado, camada por camada, para cortar, furar ou texturizar. Focalizados dentro de vidro transparente, os pulsos podem até gravar canais sem tocar a superfície.

Dados-chave

Materiais: Quase qualquer coisa: aço, titânio, nitinol (uma liga com memória de forma), vidro, safira, cerâmicas, polímeros, até tecido ocular
Peças típicas: Stents cardíacos, microfuros em injetores de combustível e placas de circuito, recortes em vidros de cobertura de celulares, superfícies texturizadas
Tamanho da peça: Detalhes de cerca de 1 µm a milímetros; peças normalmente pequenas ou finas (tubos, chapas, folhas)
Precisão: Normalmente alguns mícrons; detalhes de até cerca de 1 µm
Acabamento superficial: Bordas limpas e sem rebarbas, com quase nenhuma zona afetada pelo calor (a faixa de material alterada pelo calor)
Tamanho de lote adequado: De protótipos a grandes séries de peças de alto valor (stents, vidros de celulares, folhas de baterias)
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental; uma estação de laser normalmente custa várias centenas de milhares de dólares
Velocidade: Centenas de milhares de pulsos por segundo, mas remoção lenta em volume: normalmente milímetros cúbicos por minuto

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Quase nenhum dano de calor: sem rebarbas, bordas fundidas nem trincas
Funciona em vidro, safira, cerâmicas e plásticos sensíveis ao calor
Detalhes em escala de mícron, sem contato de ferramenta e sem desgaste de ferramenta
Pode modificar o interior do vidro sem tocar a superfície

Limites

Remove material devagar em comparação com lasers convencionais
As fontes de laser são caras e complexas
Ajustar a energia, a taxa e a sobreposição dos pulsos é delicado
Serve para peças pequenas e seções finas; os fumos precisam de exaustão

Onde é usado

Dispositivos médicosStents coronários, cateteres, microagulhas
Eletrônicos de consumoVidros de cobertura de celulares, tampas de câmeras de safira, recortes de telas
EletrônicaMicrovias (minúsculos furos que ligam camadas de uma placa de circuito), corte de wafers
BateriasCorte e estruturação de folhas de eletrodos
Cirurgia ocularRetalhos de córnea para LASIK, etapas da cirurgia de catarata
Automotivo e aeroespacialFuros de injetores de combustível, furos de refrigeração, texturas de superfície que reduzem o atrito

Como reconhecê-lo

Normalmente você não vê: os detalhes têm mícrons de largura e acabam escondidos dentro de stents, celulares, placas de circuito e motores.
Bordas cortadas em vidro ou metal que parecem perfeitamente limpas, sem cor de queima, sem rebarba e sem gotículas de metal resolidificado.
Sob uma lupa, microfuros redondos e nítidos, muitas vezes levemente cônicos (mais largos do lado por onde o laser entrou).
Metal texturizado a laser que cintila com cores de arco-íris: os pulsos deixam ondulações finas o bastante para separar a luz em cores.

Compare com

Corte a laser6.2um feixe contínuo ou de pulsos mais longos funde e sopra o material para longe; muito mais rápido, mas deixa uma borda afetada pelo calor.Feixe de íons focalizado13.5remove material com um feixe de íons (átomos carregados) no vácuo; mais fino, até nanômetros, mas muito mais lento.Polimerização por dois fótons13.8usa o mesmo tipo de laser para construir em vez de remover, endurecendo a resina só no foco.

Assista

SME Media · Uma visão geral simples do que pulsos ultracurtos podem fazer

CMS Laser · Cortando padrões de stent em finos tubos de metal

Spectra-Physics an MKS Brand · Closes de microcortes e furos limpos

TRUMPFtube · Furando placas de circuito em velocidade de produção

Veja fotos reais

Wikipedia: Ablação a laser — como lasers pulsados removem material; poucas fotos
Wikipedia: Pulso ultracurto — o que são pulsos de femtossegundos e como são produzidos
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Pulsos mais curtos que o tempo de que o calor precisa para se espalhar removem material sem fundi-lo.
Usina quase qualquer material, vidro e tecido inclusive, com detalhes em escala de mícron.
O preço são lasers caros e remoção lenta, então serve para peças pequenas e de alto valor.