¿Alguna vez se ha preguntado cómo pueden los láseres cortar materiales con tanta precisión? Este artículo explora el fascinante mundo de los láseres de nanosegundos, picosegundos y femtosegundos. Aprenderá cómo funcionan estos láseres, sus ventajas únicas y sus amplias aplicaciones en el procesamiento de materiales. Sumérjase y descubra los secretos de estas potentes herramientas.
Empecemos por convertir las unidades de tiempo.
Con esta comprensión de las unidades de tiempo, podemos ver que los láseres de femtosegundos producen pulsos extremadamente cortos.
En los últimos años, el pulso ultracorto procesamiento láser la tecnología ha experimentado rápidos avances.
Los láseres desempeñan un papel crucial en la fabricación y el procesamiento de materiales modernos, y su eficacia viene determinada en gran medida por la duración del pulso. Esta sección explora tres tipos clave de láseres ultrarrápidos: de nanosegundos, de picosegundos y de femtosegundos, cada uno de los cuales se distingue por sus duraciones de pulso cada vez más cortas y sus características únicas de interacción con los materiales.
Los láseres de nanosegundos, con duraciones de pulso de 10-⁹ segundos, se han adoptado ampliamente en aplicaciones industriales desde hace décadas. Estos láseres ofrecen un equilibrio entre potencia y precisión, lo que los hace adecuados para una amplia gama de tareas de procesamiento de materiales, como el corte, el taladrado y el marcado. Sin embargo, su duración de pulso relativamente más larga puede inducir zonas afectadas por el calor (ZAC) significativas en materiales sensibles, lo que puede provocar daños térmicos, microfisuras o modificaciones no deseadas del material.
Los láseres de picosegundos, que funcionan con pulsos de 10-¹² segundos, representan un avance significativo en el procesamiento láser de precisión. La duración reducida del pulso minimiza los efectos térmicos, lo que permite una deposición de energía y una eliminación de material más controladas. El resultado es una ablación más limpia, unos bordes más definidos y una reducción de los daños colaterales. Los láseres de picosegundos destacan en aplicaciones que requieren gran precisión, como el micromecanizado, la creación de patrones de película fina y el procesamiento de materiales sensibles al calor, como polímeros y cerámicas.
En la vanguardia de la tecnología láser ultrarrápida, los láseres de femtosegundos emiten pulsos en el rango de los 10-¹⁵ segundos. Estos pulsos increíblemente cortos permiten un fenómeno conocido como "ablación en frío". La energía láser se suministra más rápido que el tiempo de relajación térmica del material, lo que provoca la vaporización directa de la zona objetivo sin una conducción de calor significativa a las regiones circundantes. Esta característica única permite una precisión sin precedentes en la eliminación de material, prácticamente sin HAZ, lo que hace que los láseres de femtosegundos sean ideales para aplicaciones ultraprecisas en el procesamiento de semiconductores, la fabricación de dispositivos biomédicos y la fabricación de nanomateriales.
La progresión de los láseres de nanosegundos a los de femtosegundos representa un cambio de paradigma en los mecanismos de interacción láser-material. Mientras que los láseres de nanosegundos se basan principalmente en procesos fototérmicos, los de picosegundos y femtosegundos aprovechan cada vez más las interacciones fotoablativas y fotoquímicas. Este cambio se traduce en una mayor precisión, una reducción de los efectos térmicos y la capacidad de procesar una gama más amplia de materiales, incluidas sustancias tradicionalmente difíciles como los materiales transparentes y las aleaciones ultraduras.
En resumen, los láseres de nanosegundos (10-⁹ s), picosegundos (10-¹² s) y femtosegundos (10-¹⁵ s) ofrecen una amplia gama de posibilidades en el procesamiento ultrarrápido por láser. La elección entre estas tecnologías depende de los requisitos específicos de la aplicación, equilibrando factores como la velocidad de procesamiento, la precisión, la sensibilidad del material y la rentabilidad. A medida que avanza la tecnología láser, la integración de estos láseres ultrarrápidos con sofisticados sistemas de conformación del haz, supervisión del proceso en tiempo real y control adaptativo está ampliando los límites de lo que es posible en la fabricación avanzada y el procesamiento de materiales.
Durante mucho tiempo se ha intentado utilizar el láser para el micromecanizado.
Sin embargo, el largo ancho de pulso y la baja intensidad de los láseres tradicionales hacían que el material se fundiera y evaporara continuamente.
Aunque el rayo láser podía concentrarse en un punto pequeño, el impacto térmico resultante en el material seguía siendo significativo, lo que limitaba la precisión del mecanizado.
Para mejorar la calidad de la transformación, era necesario reducir el efecto del calor.
Cuando un pulso láser a escala de picosegundos actúa sobre el material, el efecto del procesado cambia drásticamente.
Con un fuerte aumento de la energía del impulso, la alta densidad de potencia es suficiente para eliminar los electrones exteriores.
La interacción entre el láser y el material es tan corta que los iones se ablacionan de la superficie del material antes de que la energía se transfiera a los materiales circundantes, evitando el impacto térmico.
Por eso el proceso también se denomina "trabajo en frío".
Gracias a las ventajas del trabajo en frío, los láseres de impulsos cortos y ultracortos se han abierto camino en la producción y las aplicaciones industriales.
Procesado láser: pulso largo frente a pulso ultracorto
En el tratamiento con pulsos ultracortos, la energía se inyecta rápidamente en una pequeña zona de acción.
La alta densidad de energía depositada en un instante cambia el modo de absorción y movimiento de los electrones, evitando los efectos de la absorción lineal del láser, la transferencia de energía y la difusión. Esto altera fundamentalmente el mecanismo de interacción entre el láser y el material.
Posición tras el tratamiento con láser de pulso largo
Posición tras el procesamiento ultrarrápido de impulsos láser
El procesamiento por láser abarca el corte y la soldadura de alta potencia.
Los distintos métodos de tratamiento por láser, como perforaciónLos procesos de micromecanizado, como el trazado, el corte, el texturizado, el decapado y el aislamiento, se utilizan principalmente para los siguientes fines:
| Clasificación | Onda continua (CW) | Cuasicontinuo （QCW） | Pulso corto （Q-Conmutado） | Pulso ultracorto （Modo bloqueado） |
|---|---|---|---|---|
| Formulario de salida | Salida continua | Milisegundo-Microsegundo （ms-μs） | Nanosegundo (ns) | Picosegundo ~ Femtosegundo （ps-fs） |
| Aplicación | Soldadura láser corte por láser Revestimiento láser | Taladrado láser Tratamiento térmico | Marcado láser Taladrado láser Tratamiento médico con láser Prototipado rápido por láser | Micromecanizado Láser fino médico Taladrado de precisión Corte de precisión |
En el diseño de placas de circuitos, los sustratos cerámicos se utilizan cada vez más en sustitución de los sustratos plásticos tradicionales debido a su mejor conductividad térmica.
Para conectar componentes electrónicos, suele ser necesario taladrar cientos de miles de agujeros micrométricos en la placa.
Por lo tanto, es esencial garantizar que la estabilidad del sustrato no se vea afectada por el calor generado durante el proceso de perforación.
Los láseres de picosegundos son una herramienta ideal para esta aplicación.
Mediante el taladrado por impacto, los láseres de picosegundos pueden completar el procesamiento del orificio y mantener su uniformidad.
Además de placas de circuitos, los láseres de picosegundos también pueden utilizarse para perforar orificios de alta calidad en materiales como películas de plástico, semiconductores, películas metálicas y zafiros.
Por ejemplo, al perforar un pozo de 100 micrómetros...chapa gruesa de acero inoxidable utilizando 10000 pulsos de láser de 3,3-nanosegundos o 200-femtosegundos cerca del umbral de ablación:
Las líneas pueden generarse escaneando y superponiendo pulsos láser.
Realizando múltiples exploraciones, es posible penetrar profundamente en el interior del material cerámico hasta que la profundidad de la línea alcanza 1/6 del grosor del material.
A continuación, los módulos se separan del sustrato cerámico a lo largo de estas líneas trazadas, un proceso conocido como trazado.
Otro método de separación es el corte por ablación con láser de pulsos ultracortos, también conocido como corte por ablación.
En este proceso, el láser elimina material mediante ablación hasta cortarlo.
Una ventaja de esta tecnología es su mayor flexibilidad en cuanto a la forma y el tamaño del orificio mecanizado.
Todas las fases de procesamiento pueden realizarse con un láser de picosegundos.
También cabe destacar las diferencias en los efectos de los láseres de picosegundos y nanosegundos sobre los materiales de policarbonato.
Otra aplicación habitual en el micromecanizado es la eliminación precisa de revestimientos sin causar ningún daño al material de base.
La ablación puede abarcar desde una línea de unas pocas micras de ancho hasta una gran superficie de varios centímetros cuadrados.
Como el grosor del revestimiento suele ser mucho menor que la anchura de la ablación, el calor no puede conducirse a los lados. En este caso, puede utilizarse un láser de ancho de pulso de nanosegundos.
La combinación de láser de alta potencia media, fibra conductora cuadrada o rectangular y distribución de intensidad luminosa plana hace que la ablación superficial por láser sea muy adecuada para aplicaciones industriales.
Por ejemplo, el láser Trumicro 7060 de la empresa Trumpf se utiliza para eliminar el revestimiento del cristal de las células solares de película fina.
El mismo láser puede utilizarse también en la industria del automóvil para eliminar revestimientos anticorrosión y preparar la soldadura posterior.
El grabado consiste en crear formas tridimensionales mediante la ablación de materiales.
Aunque el tamaño de la ablación puede exceder el ámbito tradicional del micromecanizado, la precisión requerida sigue situándola en el ámbito de las aplicaciones láser.
Los láseres de picosegundos pueden utilizarse para procesar los bordes del diamante policristalino herramientas de fresado máquinas.
Los láseres son una herramienta ideal para el mecanizado de diamantes policristalinos, que son materiales extremadamente duros utilizados para fabricar filos de fresa.
Las ventajas de utilizar láseres incluyen el procesamiento sin contacto y una gran precisión de mecanizado.
El micromecanizado tiene un amplio abanico de aplicaciones y se utiliza cada vez más para fabricar diversos artículos de primera necesidad.
El procesado por láser es un método sin contacto y ofrece varias ventajas significativas, como menos pasos de postprocesado, buena controlabilidad, facilidad de integración, alta eficiencia de procesado, baja pérdida de material y mínimo impacto medioambiental.
Se ha generalizado en sectores como la automoción, la electrónica, los electrodomésticos, la aviación, la metalurgia y la fabricación de maquinaria, y desempeña un papel cada vez más importante en la mejora de la calidad de los productos, la productividad laboral y la automatización, al tiempo que reduce el consumo de materiales.
Los láseres de nanosegundo, picosegundo y femtosegundo se diferencian principalmente por la duración de sus impulsos. Un nanosegundo (ns) es 10-9 segundos, un picosegundo (ps) es 10-12 segundos y un femtosegundo (fs) es 10-15 segundos. Estas duraciones de pulso ultracortas son decisivas para determinar las aplicaciones y capacidades de estos láseres.
Los láseres de femtosegundos son idóneos para aplicaciones en oftalmología y el procesamiento preciso de materiales gracias a sus pulsos extremadamente cortos y su reducido daño térmico. Los láseres de picosegundos son similares y ofrecen gran precisión en tareas como el micromecanizado o la eliminación de tatuajes. Los láseres de nanosegundos, con pulsos de mayor duración, se utilizan en aplicaciones que requieren una mayor transferencia de energía.
En resumen, la elección entre láseres de nanosegundos, picosegundos y femtosegundos depende de los requisitos específicos de las distintas aplicaciones. Estos láseres ultrarrápidos ofrecen un abanico de posibilidades en cuanto a precisión, transferencia de energía y reducción de daños térmicos, lo que los convierte en herramientas indispensables en numerosas industrias y campos.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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