O status e as perspectivas da tecnologia de usinagem de precisão a laser

O feixe de laser pode ser focado em um tamanho muito pequeno, o que o torna particularmente adequado para usinagem de precisão. Dividimos a atual tecnologia de usinagem a laser em três níveis de acordo com o tamanho do material processado e os requisitos de precisão da usinagem:

• ① Tecnologia de usinagem a laser para materiais de grande escala, com chapas grossas (vários milímetros a dezenas de milímetros) como o objeto principal, e sua precisão de usinagem é geralmente no nível milimétrico ou submilimétrico;
• ② Tecnologia de usinagem a laser de precisão, com placas finas (0.1 a 1.0 mm) como o principal objeto de usinagem, e sua precisão de usinagem é geralmente da ordem de dez mícrons;
• ③ Tecnologia de microfabricação a laser, para vários filmes com espessura inferior a 100μm como o objeto de usinagem principal, sua precisão de usinagem é geralmente inferior a 10 mícrons ou mesmo em nível submícron.

Deve-se observar que, na indústria de máquinas, precisão geralmente significa pequena rugosidade superficial e uma pequena faixa de tolerâncias (incluindo posição, forma, tamanho, etc.). No entanto, o termo "precisão" neste artigo refere-se à pequena lacuna na área que está sendo processada, o que significa que o tamanho limite que pode ser processado é pequeno. Nos três tipos de usinagem a laser acima, a tecnologia de usinagem a laser de peças grandes tornou-se cada vez mais madura e o grau de industrialização tem sido muito alto. Muitas literaturas foram revisadas; tecnologias de micro usinagem a laser, como corte a laser, gravação a laser de precisão, tecnologia de gravação direta a laser também tem sido amplamente utilizada na indústria, e há muitos relatórios relacionados. Este artigo se concentrará na tecnologia de usinagem de precisão a laser. Por conveniência, os alvos de usinagem para usinagem de precisão mencionados abaixo são limitados a placas finas (0.1-1.0 mm).

1. Comparação entre a usinagem de precisão a laser e os métodos de usinagem tradicionais

Com o avanço da tecnologia, os tipos de tecnologia de usinagem de precisão estão se tornando cada vez mais abundantes.

A usinagem de precisão a laser tem as seguintes características significativas:

• ①O escopo da usinagem de precisão a laser é amplo, incluindo quase todos os materiais metálicos e não metálicos. Enquanto a usinagem eletrolítica só pode processar materiais condutores, a usinagem fotoquímica só é adequada para materiais facilmente corrosivos, e a usinagem a plasma é difícil de processar certos materiais de alto ponto de fusão.
• ② Existem poucos fatores que influenciam a qualidade da usinagem de precisão a laser e a exatidão da usinagem é alta e geralmente é melhor do que outros métodos de usinagem tradicionais em geral.
• ③ Do ponto de vista do ciclo de usinagem, o eletrodo de ferramenta da EDM requer alta precisão, grande perda e um longo ciclo de usinagem; o projeto do molde catódico para a cavidade de usinagem e o perfil da usinagem eletrolítica é grande e o ciclo de fabricação também é longo; Os procedimentos são complicados; a usinagem de precisão a laser é simples, a largura da fenda é fácil de ajustar e controlar, a velocidade de usinagem é rápida e o ciclo de usinagem é mais curto do que outros métodos.
• ④A usinagem de precisão a laser pertence à usinagem sem contato, sem força mecânica. Em comparação com EDM e usinagem de arco de plasma, sua zona afetada pelo calor e deformação são muito pequenas, portanto, ele pode processar peças muito pequenas.

Em resumo, a tecnologia de usinagem de precisão a laser tem muitas vantagens sobre os métodos de usinagem tradicionais e sua perspectiva de aplicação é muito ampla.

2. Introdução aos equipamentos de usinagem de precisão a laser comumente usados

Lasers comumente usados ​​para usinagem de precisão incluem: lasers de CO2, lasers YAG, lasers de vapor de cobre, lasers de excimer e lasers de CO, etc. Para suas características de laser, consulte a literatura para obter detalhes. 

Entre eles, lasers de CO2 de alta potência e lasers YAG de alta potência são amplamente usados ​​na tecnologia de usinagem a laser em grande escala; lasers de vapor de cobre e lasers de excimer são mais amplamente usados ​​na tecnologia de micro-usinagem a laser; lasers YAG de média e baixa potência são geralmente usados ​​para usinagem de precisão.

3. Aplicação de usinagem de precisão a laser e desenvolvimento da China e internacional

3.1 Status internacional

3.1.1 Perfuração de precisão a laser

Com o avanço da tecnologia, o método de puncionamento tradicional tem sido incapaz de atender às necessidades em muitas ocasiões. Por exemplo, pequenos orifícios com um diâmetro de várias dezenas de micrômetros são processados ​​em ligas de carboneto de tungstênio; furos profundos com um diâmetro de várias centenas de micrômetros são processados ​​em vermelho duro e quebradiço e safira, etc., o que não pode ser alcançado por métodos de usinagem convencionais. A densidade de potência instantânea do feixe de laser é tão alta quanto 108 W / cm2, que pode aquecer o material até o ponto de fusão ou ebulição em um curto período de tempo para atingir a perfuração nos materiais acima. Comparada com feixe de elétrons, eletrólise, faísca elétrica e perfuração mecânica, a perfuração a laser tem boa qualidade, alta precisão de repetição, grande versatilidade, alta eficiência, baixo custo e benefícios técnicos e econômicos abrangentes significativos. A perfuração a laser de precisão internacional atingiu um nível muito alto. Uma empresa suíça usa lasers de estado sólido para fazer furos nas lâminas das turbinas de aeronaves, que podem processar microfuros com um diâmetro de 20 μm a 80 μm, e a proporção do diâmetro para a profundidade pode chegar a 1:80 (ver Figura 1 (a)) . O feixe de laser também pode processar vários orifícios de formato especial, como orifícios cegos (consulte a Figura 1 (b)) e orifícios quadrados em materiais frágeis, como cerâmica, que não podem ser obtidos por usinagem comum.

3.1.2 Corte de precisão a laser

Comparado com o método de corte tradicional, precisão corte a laser tem muitas vantagens. Por exemplo, pode fazer incisões estreitas, quase nenhum resíduo de corte, pequena zona afetada pelo calor, baixo ruído de corte e pode economizar de 15% a 30% do material. Como o laser dificilmente produz impulso mecânico e pressão no material a ser cortado, ele é adequado para cortar materiais duros e quebradiços, como vidro, cerâmica e semicondutores. Além disso, o ponto do laser é pequeno e a fenda é estreita, por isso é particularmente adequado para peças pequenas. Tipo de corte de precisão. Uma empresa suíça usa lasers de estado sólido para cortes de precisão e sua precisão dimensional atingiu um nível muito alto.

Uma aplicação típica de corte de precisão a laser é o corte de estênceis SMT em placas de circuitos impressos (consulte a Figura 2). O método tradicional de usinagem de gabaritos SMT é um método de corrosão química. Sua desvantagem fatal é que o tamanho limite da usinagem não deve ser menor que a espessura da placa, e o método de corrosão química tem um processo complicado, um longo ciclo de usinagem e o meio corrosivo polui o meio ambiente. 

O uso da usinagem a laser pode não apenas superar essas deficiências, mas também reprocessar o molde acabado. Em particular, a precisão da usinagem e a densidade da lacuna são significativamente melhores do que a anterior (consulte a Figura 3). É ligeiramente inferior ao anterior. No entanto, devido ao alto conteúdo tecnológico de todo o conjunto de equipamentos usados ​​para usinagem a laser e ao alto preço, apenas algumas empresas em alguns países como Estados Unidos, Japão e Alemanha podem produzir a máquina completa.

3.1.3 Soldagem de precisão a laser

A soldagem a laser tem uma zona afetada pelo calor muito estreita e uma pequena costura de solda. Em particular, ele pode soldar materiais de alto ponto de fusão e metais diferentes sem a necessidade de materiais adicionais. O uso internacional de lasers YAG sólidos para soldagem de costura e soldagem a ponto atingiu um alto nível. Além disso, os fios condutores do circuito impresso são soldados a laser, o que não requer o uso de fluxo, e pode reduzir o choque térmico sem afetar a matriz do circuito, garantindo assim a qualidade da matriz do circuito integrado (ver Figura 4) .

3.2 Situação atual na China

Depois de mais de 20 anos de esforços, em termos de tecnologia de usinagem de precisão a laser e equipamentos completos, embora a China tenha sido usada em gravação a laser de cerâmica e soldagem a laser a ponto de micro-pequenas peças de metal, soldagem por costura e soldagem hermética e marcação, etc. 

Porém, na tecnologia de usinagem de precisão a laser, o processo de corte e gravação de precisão de molde de circuito microeletrônico com alto conteúdo técnico e amplo mercado de aplicação, furos passantes, furos cegos e furos em formatos especiais, fendas de várias especificações e tamanhos em placas de cerâmica e impressos placas de circuito A usinagem de precisão a laser e outros aspectos ainda estão em estágio de pesquisa e desenvolvimento e nenhum protótipo industrial correspondente apareceu. 

A maioria dos usuários na China geralmente usa modelos importados ou usinagem de comissão em Hong Kong e outros lugares. O preço alto e o ciclo longo afetaram seriamente o ciclo de desenvolvimento do produto. Nos últimos anos, algumas grandes empresas internacionais viram o enorme mercado potencial da China na indústria de usinagem de precisão a laser. , Começou a abrir filiais na China. No entanto, os altos custos de usinagem aumentam os custos do produto e ainda fazem com que muitas empresas os desencorajem.

4. Tendências de desenvolvimento e perspectivas de tecnologia de usinagem de precisão a laser

Lasers de alta qualidade, eficientes, estáveis, confiáveis ​​e baratos são os pré-requisitos para a promoção e aplicação da usinagem de precisão. Uma das tendências de desenvolvimento da usinagem de precisão a laser é a miniaturização dos sistemas de usinagem. Nos últimos anos, os lasers com bombeamento de diodo desenvolveram-se rapidamente. Ele tem uma série de vantagens, como alta eficiência de conversão, boa estabilidade de trabalho, boa qualidade de feixe e tamanho pequeno. É provável que se torne o principal laser da próxima geração de usinagem de precisão a laser.

A integração de sistemas de usinagem é outra tendência importante no desenvolvimento da usinagem de precisão a laser. Sistematizar e melhorar a tecnologia de usinagem de precisão a laser para diversos materiais; desenvolver software de controle dedicado e amigável, adequado para usinagem de precisão a laser, e complementá-lo com o banco de dados de processo correspondente; Combine o controle, o processo e o laser para alcançar a óptica. A integração da máquina, da eletricidade e da usinagem de materiais é uma tendência inevitável no desenvolvimento da usinagem de precisão a laser.

Embora a China tenha uma grande lacuna com o internacional em termos de tecnologia e equipamentos de usinagem a laser, se continuarmos a melhorar a qualidade do feixe de laser e a precisão da usinagem com base no original, combinada com a pesquisa de tecnologia de usinagem de materiais, ocuparemos a precisão do laser mercado de usinagem, tanto quanto possível. E gradualmente penetrar no campo da micro-usinagem a laser, pode promover o rápido desenvolvimento de corte a laser tecnologia e, eventualmente, tornar a usinagem de precisão a laser em uma indústria de grande escala.

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