光纤激光技术提高了金属微加工的成本和质量

通过Geoff Shannon博士，Miyachi美国

零部件变得越来越小，尤其是在医疗、汽车和电子产品市场，这是一个不可否认的事实。新的微加工技术，包括具有优越光束质量的先进激光系统，可以得到与传统加工技术相似的结果，但速度更快、更灵活。用于微加工的激光系统被称为激光标记机，因为它们通常执行标记或雕刻操作，而不是切割。纤维标记技术可以比标准技术便宜2到3倍。

大批量生产的制造商希望在满足微型化加工挑战的同时降低成本，可以使用单模光纤标记器在一系列材料上实现优异的结果，包括钢、镍、钛、硅、铝和铜。当更新或更换电火花加工(EDM)设备时，以及在新工艺中通常考虑532和355纳米激光时，应考虑这种方法。

只看结果，不看细节
微加工指的是使用标准的加工操作，如钻孔、切割、划线和开槽，制造小的特征，但规模较小。没有官方标准来确定一个操作是否被认为是微加工，但经验法则是用肉眼无法轻易看到特征。换句话说，你可能不知道对材料做了什么来获得特定的效果。例如，如果你在一块铜上钻50 μ m孔，你会看到光，但不能看到孔是多大或小，让光通过。

合适的工具
在如此小的规模上成功工作需要正确的工具和操作知识，以达到预期的结果，在质量和材料去除速度方面。

例如，Miyachi美国最近推出了LMF2000-SM单模光纤激光标记机，它能够在尺寸上进行精细细节的微加工，并具有优异的去除率。

激光标记机具有极高的光束质量，具有M²(测量光束质量)小于1.3。它可以产生聚焦光斑尺寸小至20 μ m，使其适合于划线和切割氧化铝，硅，铜，铝箔等。此外，使用具有不同脉冲宽度和峰值功率特性的可选脉冲宽度波形，可以调整特征表面的去除率和质量。

与传统的q开关激光器相比，这种脉冲宽度和峰值功率与脉冲频率的独立控制提供了明显的控制优势和过程可调性，传统的q开关激光器提供固定的脉冲宽度/峰值功率设置作为q开关频率的函数。快速移动激光的扫描头也是系统的关键部件，需要提供足够的高速移动，并具有合适的重复性和精度。

光纤激光微加工技术可用于焊锡屏障的选择性镀除，太阳能电池的刻划和钻孔，医用试管和流体流动控制系统的不锈钢钻孔，以及小于0.02英寸的切割。用于快速成型零件的厚金属。

与其他技术的比较
单模光纤激光标记可以作为更昂贵的微加工技术的替代方案，包括卡槽EDM设备，或532和355 nm Nd:YVO4激光器。

例如，在图1中，我们看到了该技术如何被用来替代卡槽电火花机床。左图为在200 μ m厚的钢中钻孔150 μ m，±10 μ m的孔，未进行后处理。该设备在50%的时间内实现了最少的碎屑和紧密的孔容。

此外，由于激光打标机提供了一个XY工作区域，多个零件可以在一次加载操作中完成，而不是在下沉机上一次加载。这一优势使得光纤激光打标机的投资回报率(ROI)更加引人注目。光纤激光器可以加工薄板材料、箔等较难加工的材料。图1还显示了在50 μ m厚的铜箔上加工100 μ m宽的螺旋形元件。

图2显示了使用光纤激光标记器(左)和355 nm紫外激光源(右)钻孔硅的对比。UV激光器提供了更好的质量，但光纤激光器的结果对这种应用来说已经足够好了，提供了足够的质量“适合用途”。光纤激光器的速度是紫外线激光器的17倍，成本是紫外线激光器的50%。

图3比较了0.008 in中20W单光纤激光器(左)和5W 355 nm激光器(右)钻孔的质量。不锈钢在同样的加工时间内。

单模光纤激光器具有较高的精细度和加工控制能力。例如，这就像取一种人类头发宽度的1 / 4的材料，在微加工后只留下大约1 / 10的人类头发。

陶瓷是微电子学中常用的另一种材料，通常使用355 nm激光对陶瓷材料进行刻划和钻削。从图4可以看出，光纤激光标记器可以避免陶瓷材料中多种特征的微裂纹。

许多应用需要(或可以受益于)激光有选择性地去除金属、陶瓷甚至塑料上的镀层或涂层的能力。光纤激光加工技术在微加工焊锡屏障或焊锡坝、薄膜电阻/电容修整和用于焊接的电池箔的主动层去除方面显示了良好的效果。这种选择性和定制层去除过程通常是不可能在组件或零件的生产过程中，因为屏蔽区域是根本不可行的。

激光在选择电路的精确电阻值时很有用。当用于电阻或电容微调时，作为动态迭代去除和测量调谐过程的一部分，其中去除区域可能从组件到组件发生变化时，它是极好的。

图5显示了两个使用光纤激光器产生的焊锡屏障的例子。对于每个部分，激光选择性地去除黄金层。镀金后，它可以用来选择性地去除材料。

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