A nova geração de tecnologia de injeção direta no cilindro é a tecnologia dominante no campo do motor automotivo. Ele injeta combustível com precisão no cilindro através do injetor de combustível e se mistura totalmente com o ar de admissão para dar plena função ao efeito de cada gota de combustível.

Como pode ser visto na figura abaixo, existem microporos distribuídos no injetor, cujo diâmetro é inferior a 150 mícrons. Diâmetro do furo, rugosidade da superfície, posição, forma e assim por diante afetarão diretamente o desempenho do injetor, por isso há requisitos de processamento rigorosos. Ao mesmo tempo, para obter rentabilidade, o tempo de processamento de cada microfuro deve ser controlado em poucos segundos.

Qual método é eficiente e confiável para microusinagem inferior a 150 μm? 1

Portanto, o problema é que os requisitos de processamento dos microfuros do injetor estão muito além da capacidade da tecnologia de perfuração mecânica tradicional. Qual processo é usado para processar com precisão esses micro orifícios?

Método de processamento tradicional versus tecnologia inovadora de processamento de micro furos

Atualmente, os métodos comuns de usinagem de micro furos de injetores incluem principalmente perfuração mecânica, EDM e usinagem a laser de femtossegundos.

O custo da perfuração mecânica é o mais alto. Pois a ferramenta para furação de furos pequenos é cara, fácil de desgastar no processo de usinagem, e a ferramenta tem risco de fratura, o que afeta diretamente a consistência do processamento do micro furo e o rendimento do produto, e o custo dos consumíveis é alto.

Embora a EDM seja um pouco mais flexível do que a furação mecânica em tamanho, sua eficiência de usinagem é baixa e a rugosidade da superfície não é a ideal. Especialmente, haverá camada de refusão na superfície usinada. Ao mesmo tempo, também devemos considerar o custo do eletrodo e a estabilidade do processo.

No entanto, o laser de femtosegundo não pode produzir calor no processo de processamento, e o micro furo processado pelo laser de femtosegundo não possui camada de refusão e rebarba, o que pode obter uma borda afiada mais clara e melhor qualidade de superfície, prolongando assim a vida útil do bico.

Tomando um furo com um diâmetro de 150 μm e uma profundidade de 0,5 mm como exemplo, os resultados de usinagem de EDM e laser de femtosegundo são comparados

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O lado esquerdo da figura mostra o micro furo usinado por EDM e o lado direito mostra o micro furo usinado por laser de femtossegundo

Vale a pena mencionar que não estamos familiarizados com o processamento a laser. Então, qual é a diferença entre o laser de femtossegundos e o laser de nanossegundos e o laser de picossegundos que ouvimos com frequência?

Vamos esclarecer primeiro a conversão da unidade de tempo

1 ms = 0,001 s = 10-3

1μs=0,000001s=10-6

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

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

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

Se entendermos a unidade de tempo, saberemos que o laser de femtosegundo é um processamento de laser de pulso extremamente curto, portanto, somente ele pode ser realmente competente para processamento de alta precisão.

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Existem furos de perfuração a laser de nanossegundos, furos de perfuração a laser de picossegundos e furos de perfuração a laser de femtossegundos

Mecanismo de trabalho do laser de femtossegundo

Quando o laser de femtosegundo atua no processamento de metais e não metais, o princípio é completamente diferente. Há um grande número de elétrons livres na superfície do metal. Quando o laser irradia a superfície do metal, os elétrons livres serão instantaneamente aquecidos e os elétrons colidirão em dezenas de segundos voadores. Os elétrons livres irão transmitir energia para a rede cristalina e formar buracos. No entanto, a energia da colisão de elétrons livres é muito menor do que a dos íons, por isso leva muito tempo para conduzir a energia. No entanto, este problema foi resolvido por cientistas chineses.

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Quando o laser de femtosegundo atua em materiais não metálicos, pois há poucos elétrons livres na superfície dos materiais, a superfície dos materiais deve ser ionizada antes da irradiação do laser, e então os elétrons livres são gerados. Os elos restantes são consistentes com os materiais metálicos. Quando o laser de femtosegundo é usado para processar microfuros, um pequeno poço é formado no estágio inicial. Com o aumento do número de pulsos, a profundidade do poço aumenta. No entanto, com o aumento da profundidade, é cada vez mais difícil que os detritos voem para fora do fundo do poço. Como resultado, a energia de propagação do laser para o fundo é cada vez menor, e o estado de saturação da profundidade não pode ser aumentado, ou seja, um micro furo é perfurado.

Aplicação da nova tecnologia de laser de femtosegundo

A aplicação da nova tecnologia de laser de femtosegundo está apenas surgindo. As principais indústrias de aplicação incluem: indústria de semicondutores, indústria de energia solar (especialmente tecnologia de filme fino), indústria de exibição plana, micro fundição de liga, abertura de precisão e processamento de estrutura de eletrodo, processamento de materiais difíceis de aviação, equipamentos médicos e outros campos!

Sob o pano de fundo do made in China 2025, a indústria de fabricação industrial tradicional está enfrentando uma profunda transformação. Uma das direções é melhorar a eficiência e recorrer ao processamento de alta precisão com maior valor agregado e maiores barreiras técnicas. O processamento a laser está totalmente alinhado com este tema. Lasers e equipamentos de processamento a laser surgiram em campos de fabricação 3C de ponta, como produção de módulos de tela de toque eletrônica de consumidor, corte de wafer semicondutor, etc., e mostram novas perspectivas de aplicação no processamento de safira, vidro curvo e produção de cerâmica.

indústria 3C

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Como um representante típico do laser de pulso ultracurto, o laser de femtosegundo tem as características de largura de pulso ultra curta e potência de pico ultra alta. Possui uma ampla gama de objetos de processamento, especialmente adequados para o processamento de materiais frágeis e materiais sensíveis ao calor, como safira, vidro, cerâmica, etc., por isso é adequado para a indústria de microprocessamento na indústria eletrônica.

A principal razão é que a aplicação do módulo de identificação de impressão digital em telefones celulares desde o ano passado levou à compra do laser de femtosegundo. O módulo de impressão digital envolve processamento a laser: ① corte de wafer, ② corte de cavacos, ③ corte de cobertura, ④ corte e perfuração de contorno de placa macia FPC, ⑤ marcação a laser, etc. Entre eles, placa de cobertura de safira / vidro e chip IC são processados principalmente. O Apple 6 usa oficialmente a identificação por impressão digital desde 2015 e promoveu a popularidade de várias marcas nacionais. Atualmente, a taxa de penetração da identificação de impressão digital é inferior a 50%. Portanto, ainda há um grande espaço de desenvolvimento para a máquina a laser usada para processar o módulo de identificação de impressões digitais.

Ao mesmo tempo, a máquina a laser também pode ser usada na perfuração de PCB, corte em cubos de wafer, etc., e o campo de aplicação está em constante expansão. Especialmente com a aplicação de materiais frágeis de alto valor agregado, como safira e cerâmica em telefones celulares no futuro, os equipamentos de processamento a laser se tornarão uma parte importante dos equipamentos de automação 3C. Acreditamos que o laser de femtosegundo desempenhará um papel amplo e profundo no campo de equipamentos de processamento automático 3C no futuro.

motor de avião

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Por muito tempo, a tecnologia de fabricação de motores da China sempre foi um gargalo que restringe o desenvolvimento da indústria aeroespacial. A qualidade dos produtos não está à altura de dois aspectos: um é a tecnologia do material; a outra é a tecnologia de processamento de materiais. A perfuração a laser de femtosegundo resolve esse problema!

No campo aeroespacial, a turbina a gás é o primeiro dos três componentes principais do motor, e seu desempenho determina diretamente a qualidade do motor. No entanto, a temperatura de trabalho da lâmina da turbina do motor aeronáutico é de pelo menos 1400 ℃, por isso é necessário usar tecnologia de resfriamento precisa para peças de alta temperatura, especialmente lâminas.

O resfriamento da lâmina geralmente é obtido por um grande número de furos de filme com diferentes diâmetros. O diâmetro do furo é de cerca de 100 ~ 700 μm, e a distribuição espacial é complexa. A maioria deles são furos inclinados com ângulos que variam de 15° a 90°. Para melhorar a eficiência do resfriamento, o formato dos furos é muitas vezes em forma de leque ou retangular, o que dificulta muito a usinagem. Atualmente, o método convencional é EDM de alta velocidade, mas a fabricação do eletrodo da ferramenta é extremamente difícil, as peças processadas são fáceis de usar, a velocidade de processamento é lenta, é difícil remover os cavacos de usinagem no furo, não é fácil dissipação de calor, por isso não é adequado para produção em massa.

Além disso, a superfície da lâmina do motor moderno é geralmente coberta com uma camada de revestimento de barreira térmica, que geralmente é material cerâmico, que não pode ser usinado por EDM tradicional, que é a tecnologia chave da fabricação avançada de motores no futuro. Com o desenvolvimento da não metalização dos materiais das pás do motor, a EDM não é mais confiável. A usinagem a laser de femtosegundo tem muitas vantagens, como ampla adaptabilidade, alta precisão de posicionamento, sem deformação mecânica, sem contato direto e assim por diante. É muito adequado para usinagem de micro furos.

cuidados médicos

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Atualmente, todo laser de femtosegundo usado no tratamento refrativo oftálmico deve ser um dos dispositivos mais maduros na aplicação médica da tecnologia de femtosegundo. Há também expansor, endoscópio e processamento de cateter e assim por diante.

No tratamento médico, em comparação com o laser de pulso longo, a energia do laser de femtosegundo é altamente concentrada, quase não há efeito de transferência de calor durante a ação, por isso não causará o aumento da temperatura do ambiente circundante, o que é muito importante na aplicação médica de cirurgia a laser. Por um lado, vários graus de aumento de temperatura se tornarão ondas de pressão em um instante e serão transmitidas às células nervosas para produzir dor. Por outro lado, pode causar danos fatais aos tecidos biológicos. Portanto, o laser de femtosegundo pode alcançar um tratamento seguro indolor e não invasivo.

Avanço na tecnologia de perfuração a laser de femtosegundo

Embora a tecnologia de perfuração a laser de femtosegundo tenha esse poder mágico, seu desenvolvimento também é muito difícil, especialmente nos esforços de integração de sistemas e engenharia de tecnologia, existem várias dificuldades e a potência de saída também é limitada. Além disso, como formar um conjunto completo de indústria de processamento microporoso também é um problema mundial. No entanto, através dos esforços de cientistas chineses, não apenas percebemos a praticidade e integração do sistema, mas também inventamos a tecnologia de processamento de parafuso, que pode ser personalizada de forma privada com diferentes formas de microporos, que pode ser considerada a principal posição no mundo.

Atualmente, com a atualização gradual dos padrões de emissão na indústria automotiva no país e no exterior, os desafios para os fabricantes de injetores e seus OEMs estão se tornando cada vez mais sérios. Os furos redondos tradicionais não podem atender às necessidades dos clientes. Os fabricantes estão constantemente procurando e desenvolvendo formas de bicos especiais e inovadoras para atender aos requisitos. A flexibilidade e as vantagens do processamento a laser de femtossegundos estão se tornando cada vez mais óbvias.

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Formas de orifícios de pulverização especiais e inovadoras