Die neue Generation der In-Zylinder-Direkteinspritzung ist die Mainstream-Technologie im Bereich der Automobilmotoren. Es spritzt den Kraftstoff durch das Einspritzventil präzise in den Zylinder ein und vermischt sich vollständig mit der Ansaugluft, um die Wirkung jedes Kraftstofftropfens voll auszuschöpfen.

Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, sind auf dem Injektor Mikroporen verteilt, deren Durchmesser weniger als 150 Mikrometer beträgt. Lochdurchmesser, Oberflächenrauheit, Position, Form usw. wirken sich direkt auf die Leistung des Injektors aus, daher gelten strenge Verarbeitungsanforderungen. Gleichzeitig muss die Bearbeitungszeit jedes Mikrolochs innerhalb weniger Sekunden kontrolliert werden, um Wirtschaftlichkeit zu erreichen.

Welche Methode ist effizient und zuverlässig für die Mikrobearbeitung unter 150 μm? 1

Das Problem besteht also darin, dass die Verarbeitungsanforderungen von Injektormikrolöchern die Kapazität herkömmlicher mechanischer Bohrtechnologie bei weitem übersteigen. Welcher Prozess wird verwendet, um diese Mikrolöcher genau zu bearbeiten?

Traditionelle Verarbeitungsmethode vs. innovative Mikroloch-Verarbeitungstechnologie

Gegenwärtig umfassen die gängigen Mikroloch-Bearbeitungsverfahren von Injektoren hauptsächlich mechanisches Bohren, EDM und Femtosekunden-Laserbearbeitung.

Die Kosten für das mechanische Bohren sind am höchsten. Da das Werkzeug zum Bohren kleiner Löcher teuer ist, sich beim Bearbeitungsprozess leicht abnutzt und das Werkzeug ein Bruchrisiko aufweist, das sich direkt auf die Konsistenz der Mikrolochbearbeitung und die Produktausbeute auswirkt, und die Kosten für Verbrauchsmaterialien hoch sind.

Obwohl EDM in der Größe etwas flexibler ist als mechanisches Bohren, ist seine Bearbeitungseffizienz gering und die Oberflächenrauheit nicht ideal. Insbesondere wird es eine Umschmelzschicht auf der bearbeiteten Oberfläche geben. Gleichzeitig müssen wir auch die Elektrodenkosten und die Stabilität des Prozesses berücksichtigen.

Der Femtosekundenlaser kann jedoch im Bearbeitungsprozess keine Wärme erzeugen, und das mit dem Femtosekundenlaser bearbeitete Mikroloch hat keine Umschmelzschicht und keinen Grat, wodurch eine klarere scharfe Kante und eine bessere Oberflächenqualität erzielt werden können, wodurch die Lebensdauer der Düse verlängert wird.

Am Beispiel einer Bohrung mit einem Durchmesser von 150 μm und einer Tiefe von 0,5 mm werden die Bearbeitungsergebnisse von EDM und Femtosekundenlaser verglichen

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Die linke Seite der Abbildung zeigt das durch EDM bearbeitete Mikroloch und die rechte Seite zeigt das durch einen Femtosekundenlaser bearbeitete Mikroloch

Erwähnenswert ist, dass uns die Laserbearbeitung nicht fremd ist. Also, was ist der Unterschied zwischen Femtosekundenlaser und Nanosekundenlaser und Pikosekundenlaser, den wir oft hören?

Lassen Sie uns zuerst die Zeiteinheitenumrechnung verdeutlichen

1 ms = 0,001 s = 10-3

1 μs = 0,000001 s = 10-6

1 ns = 0,0000000001 s = 10-9s

1 ps = 0,0000000000001 s = 10-12s

1 fs = 0,000000000000001 s = 10-15s

Wenn wir die Zeiteinheit verstehen, wissen wir, dass der Femtosekundenlaser eine extrem kurz gepulste Laserbearbeitung ist, sodass nur er wirklich für eine hochpräzise Bearbeitung geeignet sein kann.

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Es gibt Nanosekundenlaser-Bohrlöcher, Pikosekundenlaser-Bohrlöcher und Femtosekundenlaser-Bohrlöcher

Arbeitsmechanismus des Femtosekundenlasers

Wenn der Femtosekundenlaser auf die Metall- und Nichtmetallbearbeitung einwirkt, ist das Prinzip ein völlig anderes. Auf der Metalloberfläche befindet sich eine große Anzahl freier Elektronen. Wenn der Laser die Metalloberfläche bestrahlt, werden die freien Elektronen sofort erhitzt und die Elektronen kollidieren in zehn Flugsekunden. Die freien Elektronen übertragen Energie auf das Kristallgitter und bilden Löcher. Die Energie der Kollision freier Elektronen ist jedoch viel kleiner als die von Ionen, so dass es lange dauert, Energie zu leiten. Dieses Problem wurde jedoch von chinesischen Wissenschaftlern gelöst.

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Wenn ein Femtosekundenlaser auf nichtmetallische Materialien einwirkt, sollte die Oberfläche der Materialien vor der Laserbestrahlung ionisiert werden, da sich auf der Oberfläche der Materialien nur wenige freie Elektronen befinden, und dann werden freie Elektronen erzeugt. Die verbleibenden Glieder stimmen mit den Metallmaterialien überein. Wenn ein Femtosekundenlaser zum Bearbeiten von Mikrolöchern verwendet wird, wird im Anfangsstadium eine kleine Vertiefung gebildet. Mit zunehmender Anzahl von Impulsen nimmt die Tiefe der Vertiefung zu. Mit zunehmender Tiefe wird es jedoch für die Trümmer immer schwieriger, aus der Grubensohle herauszufliegen. Als Ergebnis wird die Energie der Laserausbreitung nach unten immer geringer und der Sättigungszustand der Tiefe kann nicht erhöht werden, das heißt, es wird ein Mikroloch gebohrt.

Anwendung der neuen Femtosekunden-Lasertechnologie

Die Anwendung der neuen Femtosekundenlasertechnologie entsteht gerade. Zu den Hauptanwendungsbranchen gehören: Halbleiterindustrie, Solarenergieindustrie (insbesondere Dünnschichttechnologie), Industrie für planare Displays, Legierungsmikroguss, Präzisionsöffnungs- und Elektrodenstrukturverarbeitung, schwierige Materialverarbeitung in der Luftfahrt, medizinische Geräte und andere Bereiche!

Vor dem Hintergrund von Made in China 2025 steht die traditionelle industrielle Fertigungsindustrie vor einem tiefgreifenden Wandel. Eine der Richtungen besteht darin, die Effizienz zu verbessern und sich der High-End-Präzisionsverarbeitung mit höherem Mehrwert und höheren technischen Barrieren zuzuwenden. Die Laserbearbeitung steht ganz im Zeichen dieses Themas. Laser und Laserbearbeitungsgeräte sind in High-End-3C-Fertigungsbereichen wie der Produktion von Touchscreen-Modulen für Verbraucherelektronik, dem Schneiden von Halbleiterwafern usw. aufgetaucht und zeigen neue Anwendungsperspektiven in der Saphirbearbeitung, der Herstellung von gebogenem Glas und der Keramik.

3C-Industrie

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Als typischer Vertreter von Ultrakurzpulslasern hat der Femtosekundenlaser die Eigenschaften einer ultrakurzen Pulsbreite und einer ultrahohen Spitzenleistung. Es verfügt über eine breite Palette von Verarbeitungsobjekten, die sich besonders für die Verarbeitung von spröden Materialien und wärmeempfindlichen Materialien wie Saphir, Glas, Keramik usw. eignen, sodass es für die Mikroverarbeitungsindustrie in der Elektronikindustrie geeignet ist.

Der Hauptgrund ist, dass die Anwendung von Fingerabdruck-Identifikationsmodulen in Mobiltelefonen seit letztem Jahr zum Kauf von Femtosekundenlasern geführt hat. Das Fingerabdruckmodul umfasst die Laserbearbeitung: ① Wafer-Dicing, ② Chip-Cutting, ③ Cover-Cutting, ④ FPC-Softboard-Konturschneiden und -Bohren, ⑤ Lasermarkieren usw. Darunter werden hauptsächlich Saphir- / Glas-Abdeckplatte und IC-Chip verarbeitet. Apple 6 verwendet seit 2015 offiziell die Fingerabdruckerkennung und hat die Popularität einer Reihe einheimischer Marken gefördert. Derzeit liegt die Penetrationsrate der Fingerabdruckidentifikation unter 50%. Daher gibt es noch einen großen Entwicklungsraum für Lasermaschinen, die zur Verarbeitung von Fingerabdruck-Identifikationsmodulen verwendet werden.

Gleichzeitig kann die Lasermaschine auch zum Bohren von Leiterplatten, Schneiden von Wafern usw. verwendet werden, und das Anwendungsfeld wird ständig erweitert. Insbesondere mit der zukünftigen Anwendung von spröden Materialien mit hoher Wertschöpfung wie Saphir und Keramik in Mobiltelefonen werden Laserbearbeitungsgeräte zu einem wichtigen Bestandteil von 3C-Automatisierungsgeräten. Wir glauben, dass Femtosekundenlaser in Zukunft eine breite und tiefgreifende Rolle im Bereich der automatischen 3C-Verarbeitungsgeräte spielen werden.

Flugzeugmotor

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Chinas Triebwerksbautechnologie war lange Zeit ein Engpass, der die Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie einschränkte. Die Qualität der Produkte entspricht in zweierlei Hinsicht nicht dem Standard: Einer ist die Materialtechnologie; die andere ist die Materialbearbeitungstechnik. Femtosekunden-Laserbohren löst dieses Problem!

In der Luft- und Raumfahrt ist die Gasturbine die erste der drei Schlüsselkomponenten des Triebwerks, und ihre Leistung bestimmt direkt die Qualität des Triebwerks. Die Arbeitstemperatur von Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken beträgt jedoch mindestens 1400 ℃, sodass für Hochtemperaturteile, insbesondere Schaufeln, eine genaue Kühltechnologie erforderlich ist.

Die Schaufelkühlung wird üblicherweise durch eine Vielzahl von Folienlöchern mit unterschiedlichen Durchmessern erreicht. Der Lochdurchmesser beträgt etwa 100 ~ 700 μm, und die räumliche Verteilung ist komplex. Die meisten von ihnen sind geneigte Löcher mit Winkeln im Bereich von 15 ° bis 90 °. Um die Kühleffizienz zu verbessern, ist die Form der Löcher oft fächerförmig oder rechteckig, was große Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung mit sich bringt. Gegenwärtig ist das Hauptverfahren Hochgeschwindigkeits-EDM, aber die Herstellung von Werkzeugelektroden ist äußerst schwierig, die bearbeiteten Teile sind leicht zu verschleißen, die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist langsam, es ist schwierig, die Bearbeitungsspäne im Loch zu entfernen, ist es nicht leicht zur Wärmeableitung, daher nicht für die Massenproduktion geeignet.

Darüber hinaus ist die Oberfläche moderner Triebwerksschaufeln normalerweise mit einer Schicht Wärmedämmschicht bedeckt, bei der es sich normalerweise um Keramikmaterial handelt, das nicht durch herkömmliches EDM bearbeitet werden kann, was die Schlüsseltechnologie für die fortschrittliche Triebwerksfertigung der Zukunft darstellt. Mit der Entwicklung der Nichtmetallisierung von Triebwerksschaufelmaterialien ist EDM unzuverlässiger. Die Femtosekundenlaserbearbeitung hat viele Vorteile, wie z. B. breite Anpassungsfähigkeit, hohe Positioniergenauigkeit, keine mechanische Verformung, kein direkter Kontakt und so weiter. Es eignet sich sehr gut für die Bearbeitung von Mikrolöchern.

medizinische Versorgung

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Derzeit sollten alle Femtosekundenlaser, die in der refraktiven Augenbehandlung verwendet werden, eines der ausgereiftesten Geräte in der medizinischen Anwendung der Femtosekundentechnologie sein. Es gibt auch Expander-, Endoskop- und Katheterverarbeitung und so weiter.

Bei der medizinischen Behandlung ist die Energie des Femtosekundenlasers im Vergleich zu Langpulslasern hochkonzentriert, es gibt fast keinen Wärmeübertragungseffekt während der Aktion, so dass es nicht zu einem Temperaturanstieg der Umgebung kommt, was bei der medizinischen Anwendung sehr wichtig ist Laser Behandlung. Einerseits werden mehrere Grad Temperaturanstieg augenblicklich zu Druckwellen und übertragen sich auf Nervenzellen, um Schmerzen zu erzeugen. Andererseits kann es tödliche Schäden an biologischem Gewebe verursachen. Daher kann mit dem Femtosekundenlaser eine schmerzfreie und nicht-invasive sichere Behandlung erreicht werden.

Durchbruch in der Femtosekunden-Laserbohrtechnologie

Obwohl die Femtosekunden-Laserbohrtechnologie eine solche magische Kraft hat, ist ihre Entwicklung auch sehr schwierig, insbesondere bei den Bemühungen der Systemintegration und des Technologie-Engineerings, gibt es verschiedene Schwierigkeiten, und die Ausgangsleistung ist ebenfalls begrenzt. Darüber hinaus ist es auch ein weltweites Problem, wie man einen vollständigen Satz mikroporöser Verarbeitungsindustrie bildet. Durch die Bemühungen chinesischer Wissenschaftler haben wir jedoch nicht nur die Praktikabilität und Integration des Systems erkannt, sondern auch die Schraubenverarbeitungstechnologie erfunden, die privat mit verschiedenen Formen von Mikroporen angepasst werden kann, was als führend bezeichnet werden kann Stellung in der Welt.

Heutzutage werden mit der schrittweisen Anhebung der Abgasnormen in der Automobilindustrie im In- und Ausland die Herausforderungen für Injektorhersteller und ihre OEMs immer größer. Die traditionellen runden Löcher können die Bedürfnisse der Kunden nicht erfüllen. Hersteller suchen und entwickeln ständig spezielle und neuartige Düsenformen, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Flexibilität und Vorteile der Femtosekunden-Laserbearbeitung werden immer offensichtlicher.

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Spezielle und neuartige Spritzlochformen