Nowa generacja technologii bezpośredniego wtrysku do cylindra jest główną technologią w dziedzinie silników samochodowych. Dokładnie wtryskuje paliwo do cylindra przez wtryskiwacz paliwa i całkowicie miesza się z powietrzem wlotowym, aby zapewnić pełne działanie każdej kropli paliwa.

Jak widać na poniższym rysunku, na wtryskiwaczu rozmieszczone są mikro pory, których średnica jest mniejsza niż 150 mikronów. Średnica otworu, chropowatość powierzchni, położenie, kształt itp. mają bezpośredni wpływ na wydajność wtryskiwacza, dlatego istnieją surowe wymagania dotyczące przetwarzania. Jednocześnie, aby osiągnąć opłacalność, czas obróbki każdego mikrootworu musi być kontrolowany w ciągu kilku sekund.

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 1

Problem polega więc na tym, że wymagania dotyczące obróbki mikrootworów wtryskiwaczy znacznie przekraczają możliwości tradycyjnej technologii wiercenia mechanicznego. Jaki proces jest używany do dokładnej obróbki tych mikrootworów?

Tradycyjna metoda obróbki a innowacyjna technologia obróbki mikrootworów

Obecnie powszechne metody obróbki mikrootworów wtryskiwacza obejmują głównie wiercenie mechaniczne, EDM i obróbkę laserem femtosekundowym.

Koszt wiercenia mechanicznego jest najwyższy. Ponieważ narzędzie do wiercenia małych otworów jest drogie, łatwo zużywa się w procesie obróbki, a narzędzie ma ryzyko pęknięcia, co bezpośrednio wpływa na spójność obróbki mikrootworu i uzysk produktu, a koszt materiałów eksploatacyjnych jest wysoki.

Chociaż EDM jest nieco bardziej elastyczny niż wiercenie mechaniczne, jego wydajność obróbki jest niska, a chropowatość powierzchni nie jest idealna. W szczególności na obrabianej powierzchni pojawi się warstwa przetopu. Jednocześnie musimy również wziąć pod uwagę koszt elektrody i stabilność procesu.

Jednak laser femtosekundowy nie może wytwarzać ciepła w procesie obróbki, a mikrootwór obrabiany laserem femtosekundowym nie ma warstwy przetapiania i zadziorów, co może uzyskać wyraźniejsze ostre krawędzie i lepszą jakość powierzchni, co przedłuża żywotność dyszy.

Na przykładzie otworu o średnicy 150 μm i głębokości 0,5 mm porównuje się wyniki obróbki EDM i lasera femtosekundowego

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 2
Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 3

Lewa strona rysunku pokazuje mikro otwór obrabiany przez EDM, a prawa strona pokazuje mikro otwór obrabiany laserem femtosekundowym

Warto wspomnieć, że obróbka laserowa nie jest nam obca. Jaka jest więc różnica między laserem femtosekundowym a laserem nanosekundowym i laserem pikosekundowym, który często słyszymy?

Najpierw wyjaśnijmy konwersję jednostek czasu

1ms =0,001s=10-3

1μs=0.000001s=10-6

1ns=0.0000000001s=10-9s

1ps =0.00000000000001s=10-12s

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

Jeśli zrozumiemy jednostkę czasu, będziemy wiedzieć, że laser femtosekundowy jest obróbką laserową o niezwykle krótkim impulsie, więc tylko on może naprawdę być kompetentny w obróbce o wysokiej precyzji.

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 4

Istnieje nanosekundowy otwór do wiercenia laserem, pikosekundowy otwór do wiercenia laserem i otwory do wiercenia laserem femtosekundowym

Mechanizm działania lasera femtosekundowego

Kiedy laser femtosekundowy działa na obróbkę metalu i niemetalu, zasada jest zupełnie inna. Na powierzchni metalu znajduje się duża liczba wolnych elektronów. Kiedy laser napromieniuje metalową powierzchnię, wolne elektrony zostaną natychmiast podgrzane, a elektrony zderzą się w ciągu kilkudziesięciu sekund lotu. Swobodne elektrony będą przekazywać energię do sieci krystalicznej i tworzyć dziury. Jednak energia zderzeń swobodnych elektronów jest znacznie mniejsza niż energii jonów, więc przewodzenie energii zajmuje dużo czasu. Problem ten jednak rozwiązali chińscy naukowcy.

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 5

Gdy laser femtosekundowy działa na materiały niemetaliczne, ponieważ na powierzchni materiałów znajduje się niewiele wolnych elektronów, powierzchnię materiałów należy zjonizować przed napromieniowaniem laserem, a następnie wygenerować wolne elektrony. Pozostałe linki są zgodne z materiałami metalowymi. Kiedy laser femtosekundowy jest używany do obróbki mikrootworów, na początkowym etapie powstaje niewielki wgłębienie. Wraz ze wzrostem liczby impulsów zwiększa się głębokość wykopu. Jednak wraz ze wzrostem głębokości coraz trudniej jest wylatywać gruzowi z dna wykopu. W efekcie energia propagacji lasera do dna jest coraz mniejsza i nie można zwiększyć stanu nasycenia głębokości, to znaczy wywiercić mikrootwór.

Zastosowanie nowej technologii lasera femtosekundowego

Pojawia się zastosowanie nowej technologii lasera femtosekundowego. Główne branże zastosowań to: przemysł półprzewodników, przemysł energii słonecznej (zwłaszcza technologia cienkowarstwowa), przemysł wyświetlaczy planarnych, mikroodlewanie stopów, precyzyjna obróbka apertury i struktury elektrod, obróbka materiałów trudnych w lotnictwie, sprzęt medyczny i inne dziedziny!

Na tle made in China 2025 tradycyjny przemysł wytwórczy stoi w obliczu głębokiej transformacji. Jednym z kierunków jest poprawa wydajności i przejście do wysokiej klasy precyzyjnej obróbki z wyższą wartością dodaną i wyższymi barierami technicznymi. Obróbka laserowa jest w pełni zgodna z tym tematem. Lasery i sprzęt do obróbki laserowej pojawiły się w zaawansowanych dziedzinach produkcji 3C, takich jak produkcja modułów ekranów dotykowych elektroniki użytkowej, cięcie płytek półprzewodnikowych itp., i pokazują nowe perspektywy zastosowań w obróbce szafiru, zakrzywionej produkcji szkła i ceramiki.

Przemysł 3C

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 6

Jako typowy przedstawiciel lasera ultrakrótkiego impulsu, laser femtosekundowy charakteryzuje się ultrakrótką szerokością impulsu i ultrawysoką mocą szczytową. Posiada szeroką gamę przedmiotów do obróbki, szczególnie nadaje się do obróbki kruchych materiałów i materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak szafir, szkło, ceramika itp., dzięki czemu nadaje się do mikroprzetwarzania w przemyśle elektronicznym.

Głównym powodem jest to, że zastosowanie modułu identyfikacji odcisków palców w telefonach komórkowych od zeszłego roku doprowadziło do zakupu lasera femtosekundowego. Moduł linii papilarnych obejmuje obróbkę laserową: ① cięcie wafelków, ② cięcie wiórów, ③ cięcie okładek, ④ cięcie i wiercenie konturów miękkich płyt FPC, ⑤ znakowanie laserowe, itp. Wśród nich głównie przetwarzane są płyty szafirowe / szklane oraz układ scalony. Apple 6 oficjalnie używa identyfikacji odcisków palców od 2015 roku i promuje popularność wielu rodzimych marek. Obecnie wskaźnik penetracji identyfikacji odcisków palców jest mniejszy niż 50%. Dlatego wciąż istnieje duża przestrzeń rozwojowa dla maszyny laserowej wykorzystywanej do przetwarzania modułu identyfikacji odcisków palców.

Jednocześnie maszyna laserowa może być również wykorzystywana do wiercenia PCB, cięcia wafelków itp., a obszar zastosowań stale się rozszerza. Szczególnie przy zastosowaniu w przyszłości w telefonach komórkowych kruchych materiałów o wysokiej wartości dodanej, takich jak szafir i ceramika, sprzęt do obróbki laserowej stanie się ważną częścią sprzętu do automatyzacji 3C. Wierzymy, że laser femtosekundowy odegra w przyszłości szeroką i głęboką rolę w dziedzinie urządzeń do automatycznego przetwarzania 3C.

silnik samolotu

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 7

Przez długi czas chińska technologia produkcji silników zawsze była wąskim gardłem hamującym rozwój przemysłu lotniczego. Jakość produktów nie odpowiada standardom z dwóch aspektów: jednym jest technologia materiałowa; drugi to technologia obróbki materiałów. Wiercenie laserem femtosekundowym rozwiązuje ten problem!

W branży lotniczej turbina gazowa jest pierwszym z trzech kluczowych elementów silnika, a jej osiągi bezpośrednio decydują o jakości silnika. Jednak temperatura pracy łopatek turbiny silnika lotniczego wynosi co najmniej 1400℃, dlatego konieczne jest zastosowanie dokładnej technologii chłodzenia części wysokotemperaturowych, zwłaszcza łopatek.

Chłodzenie łopatki jest zwykle osiągane dzięki dużej liczbie otworów w folii o różnych średnicach. Średnica otworu wynosi około 100 ~ 700 μm, a rozkład przestrzenny jest złożony. Większość z nich to otwory pochyłe o kątach od 15° do 90°. W celu poprawienia wydajności chłodzenia, otwory często mają kształt wachlarzowy lub prostokątny, co bardzo utrudnia obróbkę. Obecnie główną metodą jest EDM o dużej prędkości, ale wytwarzanie elektrody narzędziowej jest niezwykle trudne, obrabiane części są łatwe do zużycia, prędkość przetwarzania jest niska, trudno jest usunąć wióry z obróbki w otworze, nie jest łatwo odprowadza ciepło, dlatego nie nadaje się do masowej produkcji.

Ponadto, powierzchnia łopatek nowoczesnych silników jest zwykle pokryta warstwą powłoki termoizolacyjnej, która jest zwykle materiałem ceramicznym, który nie może być obrabiany tradycyjną EDM, która jest kluczową technologią zaawansowanej produkcji silników w przyszłości. Wraz z rozwojem niemetalizacji materiałów łopatek silnika, EDM jest bardziej zawodny. Obróbka laserem femtosekundowym ma wiele zalet, takich jak szerokie możliwości adaptacji, wysoka dokładność pozycjonowania, brak odkształceń mechanicznych, brak bezpośredniego kontaktu i tak dalej. Bardzo dobrze nadaje się do obróbki mikrootworów.

opieka medyczna

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 8

Obecnie wszystkie lasery femtosekundowe stosowane w okulistycznym leczeniu refrakcyjnym powinny być jednymi z najbardziej dojrzałych urządzeń w medycznym zastosowaniu technologii femtosekundowej. Istnieje również przetwarzanie ekspandera, endoskopu i cewnika i tak dalej.

W leczeniu medycznym, w porównaniu z laserem o długim impulsie, energia lasera femtosekundowego jest silnie skoncentrowana, prawie nie ma efektu wymiany ciepła podczas działania, więc nie spowoduje wzrostu temperatury otaczającego środowiska, co jest bardzo ważne w zastosowaniach medycznych operacja laserowa. Z jednej strony wzrost temperatury o kilka stopni w jednej chwili stanie się falą ciśnienia i przeniesie się do komórek nerwowych, wywołując ból. Z drugiej strony może spowodować śmiertelne uszkodzenie tkanek biologicznych. Dzięki temu laser femtosekundowy może zapewnić bezbolesne i nieinwazyjne, bezpieczne leczenie.

Przełom w technologii femtosekundowego wiercenia laserowego

Chociaż technologia femtosekundowego wiercenia laserowego ma taką magiczną moc, jej rozwój jest również bardzo trudny, szczególnie w wysiłkach integracji systemów i inżynierii technologicznej, występują różne trudności, a moc wyjściowa jest również ograniczona. Ponadto, jak stworzyć kompletny zestaw mikroporowatego przemysłu przetwórczego, jest również problemem ogólnoświatowym. Jednak dzięki wysiłkom chińskich naukowców nie tylko zdaliśmy sobie sprawę z praktyczności i integracji systemu, ale także wynaleźliśmy technologię obróbki śrub, którą można prywatnie dostosować za pomocą różnych kształtów mikroporów, o których można powiedzieć, że są w czołówce pozycja na świecie.

W dzisiejszych czasach, wraz ze stopniowym podnoszeniem standardów emisji w przemyśle motoryzacyjnym w kraju i za granicą, wyzwania dla producentów wtryskiwaczy i ich OEM stają się coraz poważniejsze. Tradycyjne okrągłe otwory nie mogą zaspokoić potrzeb klientów. Producenci nieustannie poszukują i opracowują specjalne i nowatorskie kształty dysz, aby sprostać wymaganiom. Elastyczność i zalety obróbki laserem femtosekundowym stają się coraz bardziej oczywiste.

Jaka metoda jest wydajna i niezawodna w przypadku mikroobróbki poniżej 150 μm? 9

Specjalne i nowatorskie kształty otworów natryskowych