Лазерная микрообработка: точные и эффективные решения

Почему лазерная обработка превосходит традиционные методы

Когда речь заходит об изделиях малого размера, требующих высочайшей точности и качества, лазерная микрообработка выходит на первый план. И этому есть веские основания.

Бесконтактная обработка — гарантия сохранности деталей

Представьте ситуацию: инструмент не касается заготовки вообще. Никакого давления, трения, механических воздействий, способных деформировать структуру материала. Это и есть главное преимущество лазера — полная бесконтактность процесса.

Что это даёт на практике? Минимум брака, сохранение геометрии даже самых хрупких элементов, возможность работы с микроскопическими деталями, которые просто не выдержали бы механического воздействия.

Точность до нескольких микрон

Современные лазерные системы способны сфокусировать излучение в пятно диаметром всего 25 микрон. А кинематические системы на линейных двигателях прямого привода обеспечивают точность позиционирования 3-5 мкм.

Это означает, что материал удаляется буквально микроскопическими порциями с ювелирной точностью. Для сравнения: человеческий волос имеет толщину около 50-100 микрон. Лазер работает с точностью в десятки раз выше.

Контроль теплового воздействия

Минимальное термическое воздействие с высоким уровнем управляемости — ещё один козырь лазерных технологий. Система позволяет избежать неконтролируемого нагрева, деформаций и остаточных напряжений в материале.

Почему это важно? Потому что перегрев может изменить структуру материала, привести к появлению микротрещин, ухудшить эксплуатационные характеристики готового изделия. Лазер решает эту проблему.

Гибкость настройки параметров

Технология позволяет контролировать и изменять в широких пределах:

• длительность импульса
• форму импульса
• мощность энергии

Таким образом реализуется крайне широкий спектр технологий — от деликатной обработки хрупких материалов до работы с особо прочными сплавами и керамикой.

Многоосевая обработка сложных форм

Отсутствие механического контакта делает лазер одним из наиболее удачных инструментов для многоосевой обработки. Система позволяет работать с изделиями самых различных и сложных форм, до которых просто не добраться традиционным инструментом.

Где применяют лазерную микрообработку

Сегодня лазерные методы микрообработки проникли практически во все наукоёмкие отрасли производства. Их используют как для создания нового технологического оборудования, так и для непосредственного массового и серийного производства.

Электроника и микроэлектромеханические системы

В электронике лазерная обработка решает множество задач:

• обработка новых и традиционных материалов
• создание 3D структур
• переход на субмикронные технологические нормы
• разработка интеллектуальных систем датчиков и приборов на основе MEMS-технологий
• создание сверхлёгких гибких компонентов, мембран, панелей

Лазерные технологии активно применяются и в производстве бытовой электроники — от смартфонов до носимых устройств.

Телекоммуникации и волоконная оптика

В средствах связи происходит переход на мультиплексированные (WDM и DWDM) волоконно-оптические линии связи. Создаётся абсолютно новый класс оптических коммуникационных приборов кроссирования на основе MEMS и DMS-технологий.

Без прецизионной лазерной обработки производство таких компонентов было бы просто невозможно.

Машиностроение, авиация и автомобилестроение

Здесь лазерная микрообработка открывает совершенно новые горизонты:

• новые технологии лазерной резки и микросварки
• лазерная формовка деталей
• микроструктурирование поверхностей
• сверление технологических микроотверстий в агрегатах, инжекторах, форсунках
• работа с особо прочными и керамическими материалами
• сверление вентиляционных охлаждающих каналов в турбинных лопатках авиационных двигателей

Список можно продолжать долго — применение лазеров в этой сфере практически безгранично.

Энергетика и солнечная генерация

В энергетике лазерные технологии играют ключевую роль в производстве солнечных элементов нового поколения. Точность обработки напрямую влияет на КПД фотоэлектрических панелей.

Ведущие производители оборудования

В определённый момент развития технологий стало ясно: для решения значительной части новых задач возможностей традиционных лазерных машин недостаточно. Пределы качественного улучшения основных характеристик ограничены физическими возможностями элементной базы.

Встал вопрос о создании комплексов с лазерами нового поколения, освоении прецизионных кинематических систем с повышенными точностями позиционирования.

Четыре группы производителей

Сегодня среди мировых производителей лазерного оборудования можно выделить 4 основные группы:

Разработчики лазерных источников. Эти компании создают системы на своих собственных лазерах, «достраивая» их при помощи покупных модулей самостоятельно или в сотрудничестве с компаниями-интеграторами. К этой группе относятся Coherent, InnoLas, Thales Laser, Lasag, а также ряд компаний, созданных российскими специалистами за рубежом — прежде всего LIMO и IPG Photonics.

Ведущие станкостроительные фирмы. Производители металлообрабатывающего оборудования различного назначения устанавливают на свои координатные системы покупные лазеры. Яркий пример — компания DMG.

Компании-интеграторы. Они идут «от конечной задачи» заказчика и разрабатывают оборудование для реализации конкретных технологий. В последние годы наметилась тенденция: компании-интеграторы оказываются более экономически эффективными, чем производители комплектующих. Это ведёт к созданию концернов и разнообразным поглощениям.

Иногда производители отдельных блоков (как правило, лазеров или кинематических систем) «достраивают» корпорацию, создавая или приобретая компании-интеграторы. В обоих случаях в рамках одного концерна объединяется производство отдельных блоков, систем и оборудования в целом.

Примеры зарубежных компаний: LPKF, GSI, Rofin Sinar, Jenoptik, NewPort. В России одними из ведущих интеграторов является ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ».

Технологические центры и job-shops

Развитие осуществляется и на основе центров: технологических, научных или производственных (job-shops). Однако в этом случае оборудование изготавливается в единичных экземплярах. Такие центры существуют как за рубежом, так и в России.

Российский опыт

До середины 2000-х годов для целей микрообработки в России производились в основном системы с твердотельными лазерами с ламповой накачкой или с газовыми (CO2) лазерами. Точности позиционирования координатных систем составляли 20-50 мкм.

Используемая элементная база ограничивала как технологические, так и экономические показатели. Но в 2007-2008 гг. в России начались разработки комплексов с новейшей элементной базой:

• волоконные лазеры
• лазеры с диодной накачкой
• кинематические системы прямого привода с линейными двигателями
• микрооптика
• асферическая оптика

На сегодняшний день такие станки российского производства серийно выпускаются, и десятки таких станков активно эксплуатируются на целом ряде предприятий на территории СНГ.

Основные модули лазерных систем

Основными блоками любой системы для лазерной микрообработки, определяющими её технологические возможности и эксплуатационные характеристики, являются:

• кинематическая система
• источник лазерного излучения
• система управления

Разберём каждый из них подробнее.

Как работают кинематические системы

Гальваносканеры vs линейные двигатели

Сегодня для решения задач по микрообработке наиболее оптимальными являются станки с координатными системами либо на основе гальваносканеров, либо на основе линейных двигателей прямого привода.

Гальваносканеры достаточно давно используются в лазерном оборудовании. В России наиболее широкое применение они получили в системах для маркировки, однако благодаря своим параметрам успешно используются и в системах микрообработки.

Системы на линейных двигателях начали серийно внедрять на предприятиях последние 5 лет. Их применение позволяет избавиться от проблем, которые сопутствуют использованию «традиционных» приводов (ШВП, шестерня-рейка и т.п.).

Преимущества линейных двигателей

Линейные двигатели, реализующие прямой электропривод без преобразования видов движения, обладают рядом неоспоримых преимуществ:

Отсутствие преобразователей. Линейные двигатели позволяют избавиться от преобразователей вращательного движения в поступательное, снижающих точность, быстродействие и долговечность оборудования. В ЛД нет соприкасающихся частей, подверженных износу, соответственно, высокие точностные характеристики остаются неизменными на протяжении всего срока службы.

Компактность. Вследствие сравнительно малой величины статического усилия ЛД имеют габариты и массу, не превышающие аналогичные показатели приводов на ШВП.

Высокий КПД. За счёт реализации технологии прямого электропривода линейные двигатели обладают на порядок более высоким КПД, а значит, имеют существенно более высокую производительность.

В результате применение таких приводов позволяет создавать технологическое оборудование с существенно улучшенными эксплуатационными характеристиками, а зачастую — и новыми свойствами. Более того, целый ряд технологических задач не может быть качественно решён с использованием других типов приводов.

Серийно выпускаемые сегодня привода на линейных двигателях для лазерного оборудования позволяют добиваться точности и повторяемости лучше 1-3 мкм.

При этом привод на линейных двигателях можно использовать как для прямолинейных перемещений, так и для осей вращения, что позволяет создавать многоосевые системы высочайшей точности.

Источники лазерного излучения

В зависимости от обрабатываемого материала и его свойств для целей микрообработки могут использоваться различные типы лазеров:

• «традиционные» CO2 и Nd:YAG с ламповой накачкой
• волоконные лазеры
• лазеры с диодной накачкой
• фемтосекундные лазеры
• и другие типы

Выбор конкретного типа лазера зависит от множества факторов: материала заготовки, требуемой точности, производительности, бюджета проекта.

Сравнение волоконных и ламповых лазеров

Ниже представлена сравнительная характеристика свойств волоконных иттербиевых лазеров и Nd:YAG с ламповой накачкой при работе с различными материалами и при решении различных задач.

Как видите, волоконные лазеры имеют существенные преимущества по большинству параметров. Однако выбор всегда зависит от конкретных задач и бюджета.

Перспективы развития технологий

Для лазерных комплексов микрообработки, как и для других лазерных систем, характерно соединение точного машиностроения с самой современной лазерной и управляющей техникой.

В современном лазерном технологическом комплексе используются достижения многих направлений высокотехнологичного производства. И в то же время развитие лазерных технологий обработки во многом определяет развитие практически всех отраслей промышленности.

Степень развития лазерных технологий обработки в любом государстве однозначно отражает мощь, статус и технологическое положение страны на мировом рынке. Это позволяет максимально эффективно справляться с трудностями предприятий, обусловленными рецессией, и даже совершенствовать собственные возможности и конкурентоспособность в период спада.

Технологии не стоят на месте. Уже сегодня разрабатываются системы с ещё более высокой точностью, новые типы лазеров с улучшенными характеристиками, интеллектуальные системы управления на базе искусственного интеллекта.

Что это даст в ближайшем будущем? Ещё более высокую производительность, снижение себестоимости продукции, возможность обработки новых материалов, создание изделий, которые сегодня кажутся фантастикой.

Одно можно сказать точно: лазерная микрообработка — это технология будущего, которая уже сегодня меняет правила игры в самых разных отраслях промышленности.

Кудрявцева А.Л.

ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ»