Прецизионная лазерная резка – это высокотехнологичный процесс, при котором сфокусированный лазерный луч используется для обработки тонколистовых материалов: металлов, керамики, композитов или фольги.
Один из видов лазерной резки - это газолазерная, такой подход обеспечивает бесконтактный нагрев материала до высоких температур, обеспечивающих удаление материала, а газ (например, азот) удаляет остатки расплава, формируя чистый рез. Это позволяет создавать сложные контуры, отверстия и узоры без перегрева всего материала.
Прецизионная газолазерная резка тонколистовых материалов применяется в микроэлектронике, медицине и радиоэлектронной промышленности, так как данные отрасли требуют деталей/изделий, изготовленных с высокой точностью, скоростью и качеством.
В этой статье разберём, какие материалы принято относить к тонколистовым и какие сложности возникают при изготовлении изделий с помощью лазерной резки. Далее рассмотрим основные подходы к решению типовых технологических задач и сравним варианты лазерного оборудования, применяемые для прецизионной обработки тонких заготовок. В завершение покажем несколько кейсов с результатами лазерной обработки, выполненные с помощью системы компании «Лазерный центр».
Какой материал считается тонколистовым и какие есть сложности при его обработке?
В промышленности тонколистовыми материалами принято считать листы толщиной от нескольких сотен микрон (мкм) до единиц миллиметров. Малая толщина делает такие заготовки особенно чувствительными к тепловому и механическому воздействию. Поэтому газолазерная резка тонколистовых материалов сопряжена с рядом технологических проблем:
Высокоточная резка изделий с отверстиями и мелкими элементами
Из-за неверно выбранной настройки мощности лазера материал перегревается, начинает подплавляться и деформироваться.Резка трубчатых заготовок (с использованием вращателя)
Резка отверстий с минимальной конусностью
В сканаторных системах луч отклоняется зеркалами, поэтому к разным точкам поля он приходит под разными углами. В результате диаметр на входе и на выходе может отличаться и появляется конусность.Повышение производительности при сохранении качества обработки
Сохранение высокой точности (допусков) межцентровых и габаритных размеров
Возможные решения:
Для задач обработки тонких материалов используют три типа систем: сканаторные, с линейными осями и гибридные. Ниже кратко рассмотрим их различия.
Сканаторные системы
За счёт малого веса зеркал такие системы обеспечивают очень высокие скорости перемещения луча, более 1-2 м/с. Из-за скорости процесс резки практически не виден человеческому глазу. Видна лишь вспышка в зоне обработки, а оценивать, что именно происходит с заготовкой приходится через увеличительную оптику - микроскоп или камеру наблюдения.
Системы с линейными осями
В таких системах перемещение выполняется по линейным координатам (X и Y), а не за счёт отклонения зеркал.
Гибридные системы
Сочетают сканирование в пределах гальвополя и перемещение по области линейными осями. Основная сложность - обеспечить корректную «сшивку» полей: на границах гальвополей важно сохранить одинаковые условия реза, иначе появляется заметный шов.
В данной статье поговорим о системе на основе линейных осей серии МикроСЕТ 2 Дайс.
Технические особенности системы МикроСЕТ 2 Дайс:
МикроСЕТ 2 Дайс представляет собой класс лазерных ЧПУ-станков с неподвижной режущей головкой и линейными осями. Такая система разработана для достижения максимальной точности и качества реза.
Качество реза и точность геометрии
За счёт неподвижной лазерной головки в данной системе луч постоянно направлен строго по вертикали, а перемещение заготовки выполняют линейные оси. Из-за такого метода обработки конусность на тонких материалах либо отсутствует, либо минимальна.
Параметры движения столика (скорость, ускорение) настраиваются под конкретную деталь, что позволяет подобрать режимы так, чтобы стабильно выдерживать межцентровые расстояния и нужные размеры. Все допуски будут соблюдаться в очень высоких точностях (до 10 мкм).
Поскольку скорости перемещения в системах с линейными осями ниже, чем в сканаторных, оператору проще контролировать процесс: видна зона воздействия, легче оценивать качество обработки, проработку углов и мелких элементов. При этом отсутствует фактор «стыковки» гальвополей, характерный для гибридных решений.
Для поддержания стабильного качества, установки могут дополнительно комплектоваться системой автофокусировки, которая корректирует положение фокуса в реальном времени, выдерживая его в точно заданных значениях.
Повышение производительности
Даже при работе на сравнительно небольшой мощности производительность можно увеличивать за счёт более лёгкого столика: при снижении массы уменьшается инерция, поэтому становятся доступными более высокие скорости и ускорения без потери качества.
Дополнительно, при наличии высокочастотного лазерного источника (до 10 кГц) можно синхронно повышать скорость перемещения и мощность лазера так, чтобы сохранялась стабильность процесса и одновременно росла производительность.
Гибкая конфигурация под различные задачи
Система позволяет настраивать процесс обработки под разные задачи - точность, баланс или скорость за счёт сменной оснастки. Производительность и качество можно адаптировать под конкретное изделие без долгой настройки: например, менять конфигурацию рабочего стола в зависимости от материала, его толщины и требуемых допусков.
Гибкость обеспечивают сменные столики и сопла. Замена столика позволяет подобрать нужный размер под конкретную задачу, а подбор сопла - настроить продувку и расход газа. В результате можно либо уменьшить расход газа, либо, наоборот, усилить продувку области реза для более «чистой» обработки. Изменения в количестве подачи газа осуществляются нажатием кнопки, а смена столика и сопла выполняется быстро и не требует длительной перенастройки.
Масштабирование зоны обработки также реализуется без лишних сложностей: при переходе на другой размер столика. Для задач с трубчатыми заготовками предусмотрена опция вращателя, что расширяет возможности установки и позволяет вести обработку по цилиндру.
База режимов и дополнительные функции
Для повышения повторяемости и удобства настройки в системе предусмотрены функции, которые упрощают подбор режимов и контроль процесса.
База режимов: для типовых материалов и толщин заранее подобраны параметры обработки. Это позволяет запускать резку по проверенным настройкам без длительного подбора вручную. Также в системе предусмотрен переключатель газа, который может быть реализован как в автоматическом исполнении, так и в ручном. В случае, автоматического переключателя он работает по кнопке и может быть привязан к базе режимов: тип газа и необходимость переключения задаются в настройках, а перед началом резки система выполняет переключение автоматически - без дополнительной ручной настройки со стороны оператора.
Вакуумный прижим: для тонких листов и пластин применяется вакуумный прижим, который обеспечивает надежное крепление заготовки на столике, предотвращая ее смещение.
Далее рассмотрим примеры из практики «Лазерного Центра».
Практические примеры обработки тонких материалов:
Изготовление медицинских стентов (для стентирования сосудов)
Изготовление медицинских стентов крайне сложная задача в виду конструктивной сложности изделия. Однако ключевым моментом является резка стента из заготовки - трубки, в основном из нержавеющей стали, диаметром 1,6-7 мм и толщиной стенки 100-150 мкм. Топология рисунка крайне сложна, минимальная ширина перемычек может составлять менее 100 мкм.
Резка электронных компонентов
В производстве радиоэлектронных компонентов изделия часто формируют в виде общего массива элементов, размещённых на одной подложке. Плотность распределения элементов очень важна. Применение лазерных технологий позволяет обеспечить высокую плотность расположения компонентов при уменьшении расстояния между элементами. Ниже покажем два примера применения: резка сеток и масок для спектральных приборов и изготовление трафаретов для паяльной пасты.
Заключение
Резка тонколистовых материалов требует точной настройки параметров обработки. В статье рассмотрены основные сложности, подходы к их решению и варианты систем, применяемых на практике. Представленные кейсы «Лазерного Центра» показывают результаты обработки для типовых задач медицины и радиоэлектроники