Laser ultra-azkarrak hamarkadetan zehar existitu diren arren, aplikazio industrialak azkar hazi dira azken bi hamarkadetan. 2019an, laser ultra-azkarrek merkatuan zuten balioalaser materialaprozesamendua 460 milioi dolar ingurukoa izan zen, % 13ko urteko hazkunde-tasa konposatuarekin. Material industrialak prozesatzeko laser ultraazkarrak arrakastaz erabili diren aplikazio-eremuen artean, hauek daude: fotomaskararen fabrikazioa eta konponketa erdieroaleen industrian, baita siliziozko zatikatzea, beira ebakitzea/marraztea eta (indio-eztainu oxidoa) ITO filmaren kentzea kontsumo-elektronikan, hala nola telefono mugikorretan eta tabletetan, pistoien testuratzea automobilgintzarako, koronario-stent fabrikazioa eta mikrofluidoen gailuen fabrikazioa medikuntza-industriarako.
01 Fotomaskararen fabrikazioa eta konponketa erdieroaleen industrian
Laser ultra-azkarrak materialen prozesamenduko lehenengo industria-aplikazioetako batean erabili ziren. IBMk femtosegundoen laser ablazioaren aplikazioa jakinarazi zuen fotomaskararen ekoizpenean 1990eko hamarkadan. Nanosegundoen laser ablazioarekin alderatuta, metal zipriztinak eta beira kalteak sor ditzakeena, femtosegundoen laser maskarek ez dute metal zipriztintzen, ezta beira kaltetzen ere, etab. Abantailak. Metodo hau zirkuitu integratuak (IC) ekoizteko erabiltzen da. IC txipa ekoizteko 30 maskara arte behar izan daitezke eta 100.000 dolar baino gehiago kostatu. Femtosegundoen laser prozesamenduak 150 nm-tik beherako lerroak eta puntuak prozesatu ditzake.
1. irudia. Fotomaskararen fabrikazioa eta konponketa
2. irudia. Muturreko ultramore litografiarako maskara-eredu desberdinen optimizazio-emaitzak
02 Siliziozko ebaketa erdieroaleen industrian
Siliziozko obleen zatiketa erdieroaleen industrian ohiko fabrikazio-prozesua da eta normalean mekanikoki zatiketa erabiliz egiten da. Ebaketa-gurpil hauek askotan mikropitzadurak garatzen dituzte eta zailak dira oblea meheak (adibidez, < 150 μm-ko lodiera) moztea. Siliziozko obleen laser bidezko ebaketa urte askotan erabili izan da erdieroaleen industrian, batez ere oblea meheetarako (100-200 μm), eta hainbat urratsetan egiten da: laser bidezko ildaskatzea, ondoren bereizketa mekanikoa edo ebaketa isilpekoa (hau da, siliziozko marrazketaren barruan infragorri laser izpia) eta ondoren zinta mekanikoki bereiztea. Nanosegundoko pultsu-laserrak orduko 15 oblea prozesatu ditzake, eta pikosegundoko laserrak orduko 23 oblea, kalitate handiagoarekin.
03 Beira moztea/marraztea elektronika kontsumigarrien industrian
Telefono mugikorretarako eta ordenagailu eramangarrietarako ukipen-pantailak eta babes-betaurrekoak gero eta meheagoak dira, eta forma geometriko batzuk kurbatuak dira. Horrek zaildu egiten du ebaketa mekaniko tradizionala. Laser tipikoek ebaketa-kalitate eskasa sortzen dute normalean, batez ere beirazko pantaila hauek 3-4 geruzatan pilatzen direnean eta 700 μm-ko lodierako babes-beira tenplatuta dagoenean, eta hori tentsio lokalizatuarekin hautsi daiteke. Laser ultra-azkarrek beira hauek ertz-indarra hobearekin moztu ditzaketela frogatu da. Panel lau handiak ebakitzeko, femtosegundoetako laserra beirazko xaflaren atzeko gainazalean fokatu daiteke, beiraren barrualdea urratuz aurreko gainazala kaltetu gabe. Ondoren, beira hautsi daiteke bide mekaniko edo termikoak erabiliz marra-ereduan zehar.
3. irudia. Pikosegundoetan ultra-azkarreko laser beirazko ebaketa forma bereziarekin
04 Pistoien ehundurak automobilgintzan
Automobilen motor arinak aluminiozko aleazioz eginda daude, eta ez dira burdinurtua bezain erresistenteak higadurarekiko. Ikerketek aurkitu dute autoen pistoien ehundurak femtosegundoz laser bidez prozesatzeak % 25eraino murriztu dezakeela marruskadura, hondakinak eta olioa eraginkortasunez gorde baitaitezke.
4. irudia. Automobilen motorraren pistoien femtosegundo laser bidezko prozesamendua motorraren errendimendua hobetzeko
05 Bihotzeko stent fabrikazioa medikuntza industrian
Milioi bat koronario-stent ezartzen dira gorputzeko koronario-arterietan, odolak bestela koagulatuta dauden hodietara isurtzeko kanal bat irekitzeko, eta horrek milioika bizitza salbatzen ditu urtero. Koronario-stent-ak normalean metalezko (adibidez, altzairu herdoilgaitzezko, nikel-titaniozko forma-memoriazko aleaziozko edo, berrikiago, kobalto-kromozko aleaziozko) alanbre-sare batekin egiten dira, gutxi gorabehera 100 μm-ko zabalerarekin. Pultsu luzeko laser bidezko ebaketarekin alderatuta, laser ultra-azkarrak erabiltzearen abantailak hauek dira: ebaketa-kalitate handia, gainazaleko akabera hobea eta hondakin gutxiago, eta horrek prozesatu osteko kostuak murrizten ditu.
06 Medikuntza industriarako gailu mikrofluidikoen fabrikazioa
Mikrofluidoen gailuek normalean erabiltzen dira medikuntza industrian gaixotasunak probatzeko eta diagnostikatzeko. Hauek normalean banakako piezen mikroinjekzio bidezko moldeaketaren bidez fabrikatzen dira eta ondoren itsasgarria edo soldadura erabiliz lotzen dira. Mikrofluidoen laser bidezko fabrikazio ultra-azkarrak abantaila du beira bezalako material gardenetan 3D mikrokanalak sortzeko, konexiorik behar izan gabe. Metodo bat beira baten barruan laser bidezko fabrikazio ultra-azkarra da, ondoren grabatu kimiko hezea eginez, eta beste bat beira edo plastikoaren barruan femtosegundoen laser ablazioa da ur destilatuan hondakinak kentzeko. Beste ikuspegi bat beiraren gainazalean kanalak mekanizatzea eta beirazko estalki batekin zigilatzea da femtosegundoen laser soldaduraren bidez.
6. irudia. Femtosegundoen bidezko laser bidezko grabatu selektiboa beirazko materialen barruan mikrofluido-kanalak prestatzeko
07 Injektore-toberaren mikrozulaketa
Femtosegundoen laser bidezko mikrozuloen mekanizazioak mikro-EDM ordezkatu du presio handiko injektoreen merkatuko enpresa askotan, fluxu-zuloen profilak aldatzeko malgutasun handiagoa eta mekanizazio-denbora laburragoak dituelako. Eskaneatze-buru baten bidez fokuaren posizioa eta izpiaren inklinazioa automatikoki kontrolatzeko gaitasunak irekidura-profilak (adibidez, upela, distira, konbergentzia, dibergentzia) diseinatzera eraman du, eta horiek atomizazioa edo sartzea sustatu dezakete errekuntza-ganberan. Zulaketa-denbora ablazio-bolumenaren araberakoa da, 0,2 – 0,5 mm-ko zulagailuaren lodierarekin eta 0,12 – 0,25 mm-ko zulo-diametroarekin, teknika hau mikro-EDM baino hamar aldiz azkarragoa bihurtuz. Mikrozulaketa hiru etapatan egiten da, besteak beste, pilotu-zuloen zirriborroa eta akabera barne. Argona gas laguntzaile gisa erabiltzen da zuloa oxidaziotik babesteko eta azken plasma hasierako etapetan babesteko.
7. irudia. Femtosegundo laser bidezko zehaztasun handiko prozesamendua diesel motorraren injektorearen alderantzizko kono-zuloaren bidez.
08 Laser bidezko testuratze ultra-azkarra
Azken urteotan, mekanizazioaren zehaztasuna hobetzeko, materialen kalteak murrizteko eta prozesatzeko eraginkortasuna handitzeko, mikromekanizazioaren arloa ikertzaileen arreta-gune bihurtu da pixkanaka. Laser ultra-azkarrak hainbat prozesatzeko abantaila ditu, hala nola kalte txikia eta zehaztasun handia, eta hori prozesatzeko teknologiaren garapena sustatzeko arreta-gune bihurtu da. Aldi berean, laser ultra-azkarrek hainbat materialetan eragin dezakete, eta laser bidezko prozesamenduko materialen kalteak ere ikerketa-ildo nagusi bat dira. Laser ultra-azkarra materialak ablatzeko erabiltzen da. Laseraren energia-dentsitatea materialaren ablazio-atalasea baino handiagoa denean, ablatutako materialaren gainazalak ezaugarri jakin batzuk dituen mikro-nano egitura bat erakutsiko du. Ikerketek erakusten dute gainazaleko egitura berezi hau materialak laser bidez prozesatzean gertatzen den fenomeno ohikoa dela. Gainazaleko mikro-nano egituren prestaketak materialaren beraren propietateak hobetu ditzake eta material berrien garapena ere ahalbidetu dezake. Horrek gainazaleko mikro-nano egituren prestaketa laser ultra-azkarraren bidez garapen-garrantzi handiko metodo tekniko bihurtzen du. Gaur egun, metalezko materialei dagokienez, gainazaleko laser testuratze ultra-azkarraren ikerketak metalezko gainazalaren bustitze-propietateak hobetu ditzake, gainazaleko marruskadura eta higadura-propietateak hobetu, estalduraren atxikimendua eta zelulen ugalketa eta atxikimendu norabidetsua hobetu.
8. irudia. Laser bidez prestatutako siliziozko gainazalaren propietate superhidrofoboak
Prozesatzeko teknologia aurreratu gisa, laser bidezko prozesamendu ultra-azkarrak beroak eragindako eremu txiki baten, materialekin elkarreragiteko prozesu ez-lineal baten eta difrakzio-mugaren gainetik bereizmen handiko prozesamenduaren ezaugarriak ditu. Hainbat materialen mikro-nano prozesamendua kalitate handiko eta zehaztasun handikoa eta hiru dimentsioko mikro-nano egituren fabrikazioa lor ditzake. Material berezien, egitura konplexuen eta gailu berezien laser bidezko fabrikazioa lortzeak bide berriak irekitzen ditu mikro-nano fabrikaziorako. Gaur egun, femtosegundoko laserra asko erabili da zientzia-arlo aurreratu askotan: femtosegundoko laserra hainbat gailu optiko prestatzeko erabil daiteke, hala nola mikrolenteen matrizeak, begi konposatu bionikoak, uhin-gida optikoak eta metagainazalak; bere zehaztasun handiko, bereizmen handiko eta hiru dimentsioko prozesatzeko gaitasunekin, femtosegundoko laserrak mikrofluido eta optofluido txipak prestatu edo integratu ditzake, hala nola mikroberogailu osagaiak eta hiru dimentsioko mikrofluido kanalak; Gainera, femtosegundo laserrak gainazaleko mikro-nanoegitura mota desberdinak ere prestatu ditzake islatzearen aurkakoa, islatzearen aurkakoa, super-hidrofoboa, izotzaren aurkakoa eta beste funtzio batzuk lortzeko; ez hori bakarrik, femtosegundo laserra biomedikuntzaren arloan ere aplikatu da, errendimendu bikaina erakutsiz mikro-stent biologikoetan, zelula-kultura substratuetan eta irudi mikroskopiko biologikoetan. Aplikazio-aukera zabalak. Gaur egun, femtosegundo laser prozesamenduaren aplikazio-eremuak urtez urte zabaltzen ari dira. Aipatutako mikro-optikan, mikrofluidikan, funtzio anitzeko mikro-nanoegituretan eta ingeniaritza biomedikoaren aplikazioez gain, zeregin handia du sortzen ari diren arlo batzuetan ere, hala nola metagainazalen prestaketan, mikro-nano fabrikazioan eta informazio optiko multidimentsionalaren biltegiratzean, etab.
Argitaratze data: 2024ko apirilaren 17a
