Фотонное ЧПУ: Революционная сверхточная обработка для оптики нового поколения

Узнайте, как технология фотонных ЧПУ использует передовую лазерную обработку для достижения субмикронной точности при изготовлении сложных оптических компонентов. Изучите ее применение в дополненной реальности, биомедицинских устройствах и квантовых технологиях, а также узнайте о будущем производства на основе света.

Фотонное ЧПУ: сверхточная обработка на основе света

Статья охватывает несколько ключевых областей в фотонная технология ЧПУ, начинается с введения в важность точного производства и обзора фотонной обработки. Затем в книге рассматриваются основы фотонной обработки и обсуждаются ключевые технологии и материалы. Раздел, посвященный распространенным процессам обработки, включает лазерную резку, методы абляции, маркировку и гравировку, лазерное сверление и лазерную полировку.

После этого в статье противопоставляется алмазное точение и фотонная обработка, рассматриваются методы достижения высокой точности и подробно описывается изготовление оптики свободной формы. В разделе, посвященном световым технологиям ЧПУ, основное внимание уделяется Лазерные системы ЧПУ и интегрированной оптики и метрологии. В заключении рассматривается будущее фотонной обработки, а в разделе часто задаваемых вопросов рассматриваются широко используемые лазеры, достижимая точность, сложные материалы, работа лазерных центров ЧПУ и области применения фотонной обработки.

Точное производство играет решающую роль в разработке миниатюрных оптических систем нового поколения с постоянно улучшающимися характеристиками. Развивающиеся технологии, такие как дисплеи дополненной реальности, биосенсоры, квантовые коммуникации и фотонные интегральные схемы, все чаще требуют сложных невращательно-симметричных или свободных по форме компонентов. Однако обычная механическая обработка сталкивается с ограничениями в гибком изготовлении таких сложных конструкций. Фотонная обработка с использованием интенсивного лазерного излучения в качестве субтрактивного инструмента представляет собой жизнеспособное решение. Благодаря координации мощной лазерной резки с многоосевыми системами компьютерного числового управления на основе лазерного излучения становится возможным настоящее трехмерное моделирование материалов. В сочетании с интегрированной поточной метрологией можно достичь субмикронной точности при работе с различными промышленными материалами.

Производство прецизионной оптики - быстро развивающаяся область, обусловленная растущим спросом со стороны различных отраслей промышленности. Только для глазной хирургии Lasik ежегодно требуется более 200 миллионов корректирующих линз, а продажи оборудования дополненной реальности, по прогнозам, достигнут $100 миллиардов к 2025 году. В то же время, плоскопанельные дисплеи и бытовая электроника переходят на конструкции с эффектом "ближнего глаза" и дифракционные конструкции, что требует новых технологий производства.

Данные Google Trends, отражающие общественный интерес за последнее десятилетие, показывают десятикратный всплеск запросов на "производство фотоники" и "оптическое производство". Это совпадает с ростом исследований и разработок в области биомедицинской диагностики/лечения с использованием сенсоров "лаборатория-на-чипе" и оптогенетики. Такие новые области, как квантовая обработка информации и автономные транспортные средства на основе лидара, также зависят от достижений в области прецизионной оптики. Однако традиционные производственные подходы с трудом поддаются масштабированию, чтобы учесть индивидуальные сложные конструкции, необходимые для этих зарождающихся отраслей. Фотонная обработка представляет собой выгодное решение, способное быстро создавать прототипы произвольной геометрии с помощью многоосевого лазерного компьютерного управления. Эта технология также позволяет уменьшить объемы производства благодаря программной конфигурации.

В этой статье представлен обзор светонаправленной обработки материалов и ее стимулирующей роли в производстве оптики завтрашнего дня. Описывая основы фотонной обработки, целевые области применения, интегрируемые технологии и будущие перспективы, она призвана удовлетворить огромное любопытство общественности к этой важнейшей области, о чем свидетельствуют результаты анализа тенденций Google. Также рассматриваются новые технологии, объединяющие многоосевую лазерную технологию с ЧПУ и передовую метрологию. В целом, фотонная обработка демонстрируется как первостепенная технология для завтрашних потребностей производства фотоники.

Производство, управляемое фотонами

Основы фотонной обработки

При фотонной обработке используется сфокусированное лазерное излучение для облегчения различных методов удаления материала с заготовки. В качестве источников света обычно используются CO2-лазеры, волоконные и короткоимпульсные твердотельные лазеры. CO2-лазеры, излучающие 10,6 мкм, хорошо поглощаются неметаллами, в то время как 1 мкм волокна максимально поглощают металлы. Ультракороткоимпульсные лазеры с пикосекундными или фемтосекундными импульсами обеспечивают высокоточную абляцию без зоны теплового воздействия.

Лазерный луч направляется с помощью сканирующей оптики и фокусируется в узкое пятно с помощью F-тета-линз. Размеры пятна варьируются в пределах 20-300 мкм, что позволяет создавать детали размером до 10 мкм. Во время резки сфокусированный луч движется по запрограммированной траектории относительно заготовки. Кислородные или азотные газы подаются соосно с лучом, чтобы помочь окислению или удалению расплавленного материала. Процесс в основном бесконтактный с минимальными механическими напряжениями.

Для 3D-деталей многоосевые лазерные системы с ЧПУ синхронно маневрируют заготовкой через статический луч с помощью высокоскоростных гальванометрических сканирующих зеркал и поворотных/линейных ступеней. Это позволяет создавать сложные контуры в замысловатых геометрических формах. Короткоимпульсные лазеры аблируют материал посредством абляционного фоторазложения, при котором образующиеся плотные электронно-дырочные пары поглощают последующие лазерные импульсы, что приводит к устойчивому испарению без нагрева окружающего пространства. Это позволяет выполнять микрообработку термически чувствительных материалов. Правильный выбор параметров лазера, таких как мощность, длина волны, длительность импульса и атмосфера обработки, а также высокая точность позиционирования имеют решающее значение для достижения желаемых эффектов обработки материала. Мониторинг процесса в режиме реального времени с помощью ПЗС-матриц, пирометров и спектрометров обеспечивает стабильность процесса.

Материалы, используемые в фотонной обработке

Металлы доминируют в области лазерной обработки благодаря своей высокой теплопроводности. Углеродистая и нержавеющая сталь часто используется для производства потребительских товаров, промышленных компонентов и инструментов. Алюминий и его сплавы Al 6061 и Al 2024 широко используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности и хорошо поддаются лазерной резке. Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, используемые для изготовления хирургических имплантатов, требуют применения сверхбыстрых лазеров. Для производства прецизионной оптики инфракрасные лазеры хорошо подходят для прозрачных материалов, таких как плавленый кварц, боросиликатное стекло и кристаллический сапфир, которые слабо поглощают в видимой области.

Коротковолновые лазеры соответствуют полосам поглощения ниобата лития и дигидрогенфосфата калия, используемых в интегрированных оптофлюидических устройствах. Полимеры, такие как термопласты ABS, поликарбонат и акрил, а также термореактивные эпоксидные смолы и силикон, могут быть микроструктурированы с помощью лазеров, совместимых с их спектрами поглощения. Для биомедицинских применений обычно обрабатываются полиэтилен высокой плотности, нейлон и полиуретан. Все большее распространение получают композитные материалы, включающие армирующие углеродные волокна в эпоксидной смоле, ПЭЭК и пикоуглероде. Здесь ультракороткие лазеры ближнего инфракрасного диапазона, подающие сверхкороткие импульсы, обеспечивают абляцию с незначительным накоплением тепла, сохраняя качество армирования. Таким образом, фотонная обработка - это универсальная технология, применимая во всех отраслях промышленности благодаря широкой совместимости с металлическими сплавами, пластмассами, оптическими и композитными материалами при использовании соответствующих конфигураций лазеров.

Общие процессы обработки

Лазерная резка это термомеханический процесс, при котором концентрированный лазерный луч нагревает и расплавляет заготовку по всей длине пропила, а струя вспомогательного газа выдувает расплавленный шлак. Он позволяет достичь скорости резки в несколько м/мин для деталей из листового металла с точностью ±0. 1 мм.Для 3D-геометрии обычно используются многоосевые лазерные системы. Статический лазер координируется с высокоскоростными гальванометрическими сканерами X-Y и этапами позиционирования по оси Z для постепенной резки/абразивной обработки вдоль траектории инструмента. Поворотные оси способствуют полному 3D-профилированию. Абляция с использованием ультракоротких лазерных импульсов удаляет материал посредством фототермических и фотохимических механизмов без образования нового слоя или HAZ.

Это облегчает высокоточное микроструктурирование термически хрупких материалов. Маркировка и гравировка используют лазерное излучение меньшей мощности для обугливания или аблирования поверхностных слоев. Можно наносить матричные символы, переменные коды данных и микротравления с разрешением менее 50 мкм. Лазерное сверление позволяет получать отверстия с высоким отношением диаметра к глубине, превышающим 30:1. Типичные области применения включают охлаждение лопастей турбин, медицинские имплантаты и микрофлюидные устройства. Развивающейся техникой является лазерная полировка, которая использует несколько сканирований малой мощности для постепенного сглаживания шероховатых поверхностей. Этот метод набирает популярность при обработке металлических деталей, изготовленных методом аддитивного производства. В целом, лазеры, используемые в сочетании с 3D-обрабатывающими центрами, обеспечивают универсальную и гибкую обработку деталей с миниатюрными размерами в различных отраслях промышленности.

Сверхточная оптическая резка

Алмазное точение против фотонной обработки

Как алмазное точение, так и фотонная обработка хорошо зарекомендовали себя при изготовлении прецизионной оптики. Алмазное точение использует одноточечный алмазный инструмент для производства вращательно-симметричных компонентов с ультрагладкой поверхностью <1 нм RMS. Однако ограничения на обработку ограничивают сложность и гибкость изготовления несимметричных деталей свободной формы. Фотонная обработка преодолевает эти ограничения благодаря многоосевым лазерным системам с ЧПУ, способным создавать контуры сложных поверхностей произвольной формы за одну установку. Лазеры также устраняют проблемы износа инструмента. Однако бесконтактная абляция приводит к снижению скорости удаления материала. Сверхбыстрые лазерные процессы позволяют выполнять субмикронную обработку хрупких материалов, которую трудно выполнить алмазными инструментами. В то же время, при обработке отражающих металлов алмазное точение обеспечивает качество поверхности, недостижимое для лазеров. Таким образом, оптимальным может оказаться гибридный подход, сочетающий сильные стороны обоих методов.

Достижение высокой точности

Современные центры лазерной микрообработки оснащены осями с высоким ускорением/замедлением и двигателями с замкнутым моментом, обеспечивающими повторяемость позиционирования на уровне суб-10 нм. Жесткие ползуны на воздушных подшипниках и линейные двигатели обеспечивают плавное многомерное движение. Встроенная метрология волнового фронта обеспечивает быструю обратную связь для корректировки процесса. Измерения напряжения в тонкой пленке и лазерно-доплеровская виброметрия определяют стабильность детали. Спектрометры с волоконной связью определяют сдвиги качества для контроля процесса на месте. Специальные приспособления точно устанавливают детали, устраняя тепловые/механические искажения. Плавающие крепления на воздушных подшипниках помогают выполнять микрорегулировки и компенсировать динамические эффекты в режиме реального времени.

Изготовление оптики свободной формы

Полностью непланарная оптика, такая как асферические, дифракционные или линзы Френеля, требует 5-осевой коррелированной обработки. 3D-траектории инструментов интерполируются из CAD/CAM и выполняется многоосевой лазерной системой. Дифракционные оптические элементы имеют периодический рельеф поверхности, оптимизированный с помощью тщательного анализа сопряженных волн. Сверхбыстрая прямая лазерная запись без масок позволяет создавать произвольные дифракционные конструкции. Оптика Френеля включает зональные преломляющие элементы, смоделированные с помощью трассировки лучей, а затем обработанные с помощью многоуровневой абляции концентрических канавок. Это демонстрирует возможности применения фотонной обработки для создания интегрированных компактных модулей формирования изображений нового поколения с повышенной производительностью и уменьшенными размерами и весом по сравнению с традиционными конструкциями.

Изготовление оптики свободной формы с невращательно-симметричными очертаниями требует гибкости Многоосевая обработка с ЧПУ. Дизайн детали моделируется с помощью оптического программного обеспечения, затем траектории инструментов экспортируются из CAM-программ. Центральным моментом в изготовлении является координация луча лазера для резки/абляции с высокоскоростными гальванометрическими сканерами X-Y и Z-подъемными каскадами. Дополнительные поворотные оси позволяют выполнять настоящее 5-осевое профилирование для асферических поверхностей. Шаговые двигатели или моментные двигатели с прямым приводом регулируют оси, испытывающие большие нагрузки, с нанометрической точностью.

Пневматические подшипники обеспечивают плавное сканирование, необходимое для сверхтонкого текстурирования поверхности. Датчики волнового фронта обеспечивают обратную связь с процессом в режиме реального времени. Дифракционные оптические элементы приобретают все большее значение для таких применений, как голографические дисплеи, лазерное формирование и квантовая связь.

Прямая запись фемтосекундным лазером позволяет воспроизводить сложные компьютерные голограммы без масок. Многоуровневые линзы Френеля включают зональные преломляющие микроструктуры в концентрических кольцах. Короткоимпульсные лазеры точно выжигают траншеи с крутыми боковыми стенками, модулируя фокусное расстояние. Это позволяет создавать компактные объективы с производительностью, превосходящей традиционные конструкции.

Фотонная обработка преодолевает ограничения сферических профилей, позволяя вносить асферические поправки. Области применения включают зеркала свободной формы в микроскопии и астрономии, дисплеи head-up и интегрированные линзы в бытовой электронике. В целом, это свидетельствует о важности прецизионного фотонного производства для разработки миниатюрных и высокопроизводительных систем визуализации и лазерных систем следующего поколения с невозможной до сих пор свободой проектирования.

Технология ЧПУ на основе света

Лазерные системы ЧПУ

Типичные центры лазерной микрообработки состоят из корпуса рабочей зоны, источника лазерного излучения, оптики для доставки луча, многоосевых перемещений и контроллера станка. Высокоскоростные гальванометрические сканеры направляют луч на заготовку с помощью f-тета-линзы. Ступени с Z-подъемом облегчают укладку вырезанных слоев, а поворотные оси обеспечивают одновременное 5-осевое профилирование. Бесщеточные серводвигатели с прямым приводом регулируют движение с нанометровой точностью с помощью линейных энкодеров и резольверов. Жесткие аэростатические подшипники поддерживают тяжелые оси, обеспечивая плавное сканирование. Программируемые логические контроллеры с объемным G-кодом координируют работу всех подсистем. Контуры управления поддерживают пикометровую точность резки благодаря сервокомпенсации тепловых/механических ошибок. Точное управление лазерной микрообработкой подразумевает интеграцию мощных лазерных источников, оптики для доставки луча и многоосевых систем позиционирования.

В качестве источников обычно используются CO2 и волоконные лазеры, генерирующие непрерывные или импульсные лучи в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. Лазеры соединяются с гальванометрическими сканирующими головками, использующими линзы F-Theta, цилиндрические телескопы или расширители луча для фокусировки расходящихся лучей. Диапазоны сканирования и скорость гальвозеркал определяют размеры поля и производительность резки. Заготовки размещаются на 3/4/5-осевых стативах станка с моторизованным перемещением по линейным осям X, Y, Z и поворотным осям A/B. Линейные двигатели с нано-позиционированием и вращающиеся моментные двигатели с прямым приводом обеспечивают быстрое контурирование с разрешением менее 10 нм. Управление осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, загруженных G-кодом из программного обеспечения CAD/CAM.

Замкнутый контур обратной связи с помощью доплеровских интерферометров, емкостных мониторов и резольверов поддерживает траекторию резки и регистрацию слоев с точностью до микрона. Корпуса, продуваемые кислородом или инертными газами, защищают чувствительную оптику и удаляют пары материала для обеспечения стабильности и безопасности процесса. Вытяжные вентиляторы также предотвращают загрязнение окружающей среды. Такая интеграция мощных источников лазерной энергии, компонентов для профилирования луча и синхронизированных многоосевых перемещений под жестким контролем способствует точной микрообработке различных инженерных материалов.

Интегрированная оптика и метрология

Машинные интерферометры быстро определяют качество волнового фронта и локализуют аберрации. Методы фазового сдвига определяют отклонения от желаемой формы с разрешением λ/10. Спектрометры и тепловизоры оценивают качество обработки поверхности, распределение тепла и выявляют дефекты обработки. Решения для распознавания образов выявляют аномалии для самокоррекции. Волоконные зонды, вставляемые через смотровые окна, проводят микрорамановскую спектроскопию на аблированных участках, помогая оптимизировать взаимодействие материалов. Такой замкнутый цикл управления процессом позволяет изготавливать сложные конструкции произвольной формы с точностью до однозначных микрон, применимых для интегральной фотоники нового поколения, биомедицинских устройств и передовой оптики. В заключение,

Лазерное ЧПУ представляет собой универсальную методику точного изготовления деталей свободной формы, дополненную аналитикой в реальном времени для контроля качества. Обеспечение сверхточного производства требует проверки качества волнового фронта во время лазерной микрообработки. Интерферометрические датчики, интегрированные в лазерные обрабатывающие центры, обеспечивают быструю метрологию поверхности без демонтажа деталей.

Обычная фазово-сдвиговая интерферометрия использует несколько последовательностей освещения с низкой когерентностью для получения профилей поверхностей с субнанометровым вертикальным разрешением на миллиметровых расстояниях. Специальные конфигурации, такие как интерферометры Тваймана-Грина и Физо, позволяют тестировать асферические поверхности и градиенты свободной формы с минимальными артефактами от линз. Волоконные зонды in-situ, соединенные с микрорамановскими спектрометрами, определяют фазы материала, изменения напряжения и повреждения кристаллов в результате неконтролируемого нагрева.

Тепловизионные камеры визуализируют распределение температуры, а решения для распознавания образов определяют структурные несовершенства для их компенсации в процессе обработки. Замкнутый цикл управления процессом, включающий метрологические датчики, установленные непосредственно на осях ЧПУ, обеспечивает обратную связь в реальном времени для самокоррекции отклонений траектории и стабилизации параметров резания. Возможность отслеживать, анализировать и компенсировать ошибки в процессе производства приводит к значительному сокращению усилий по последующей полировке и быстрому тиражированию сложных фотонных компонентов.

Заключение:

В заключение следует отметить, что фотонное ЧПУ, использующее контролируемую подачу лазерной энергии в сочетании с многоосевыми обрабатывающими центрами, стало ключевой технологией для прецизионного изготовления миниатюрной оптики свободной формы. Благодаря преодолению ограничений традиционного алмазного точения, таких как износ инструмента и ограничения на сложную геометрию, теперь стало возможным настоящее трехмерное моделирование материалов.

Сочетание лазерной микрообработки с поточной метрологией волнового фронта обеспечивает жизнеспособный путь к самокоррекции и стабильности в процессе производства. Обратная связь в реальном времени позволяет компенсировать динамические отклонения от проекта и выявлять аномалии. Такой контроль в замкнутом цикле приводит к значительному сокращению усилий по полировке после обработки.

В будущем более тесная интеграция передовых инструментов бесконтактной метрологии в сочетании с алгоритмами машинного обучения обещает еще больше повысить эффективность процесса и возможности предотвращения ошибок. Гибридные системы, объединяющие лазерное скульптурирование с параллельными этапами литографии на основе масок, также демонстрируют потенциал для ускорения производительности фотонных схем.

В целом, гибкие возможности обработки материалов и гарантии качества, обеспечиваемые интеграцией лазеров с ЧПУ и аналитикой, предвещают фотонное производство как предпочтительную технологию для разработки компактных технологий следующего поколения во многих отраслях, включая дополненную реальность, квантовые технологии, биофотонику и солнечную фотовольтаику. Будущее остается светлым, поскольку инновации в области короткоимпульсных лазерных источников и многоосевой нанообработки продолжают расширять границы прецизионного 3D-производства.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ:

В: Какие типы лазеров обычно используются для фотонной обработки?

О: Инфракрасные CO2-лазеры для таких материалов, как пластмассы и композиты из углеродного волокна. Волоконные и YAG-лазеры с более короткой длиной волны подходят для металлов. Ультракороткоимпульсные лазеры обеспечивают высокоточную абляцию термочувствительных материалов, таких как полупроводники и оптические кристаллы.

В: Какой точности можно достичь с помощью фотонной обработки?

О: Благодаря интегрированной обратной связи с метрологией, субмикронные допуски регулярно достигаются для структур размером до 150 мм. Повторяемость позиционирования лазерных систем лучше 10 нм, что позволяет осуществлять микро- и нанопроизводство. Можно получить чистоту поверхности менее 1 нм RMS.

В: Какие материалы трудно обрабатывать с помощью лазеров?

О: Поглощение в ближней инфракрасной области плохо для таких материалов, как плавленый кварц, кварц и сапфир. Здесь используются ультрафиолетовые лазеры или нелинейные процессы, такие как многофотонная полимеризация. Металлы с высокой теплопроводностью, такие как медь и серебро, также требуют режимов ультракоротких импульсов.

В: Как работают лазерные центры ЧПУ?

О: Запрограммированный лазерный луч сканируется с помощью гальванометрических зеркал по заготовке, закрепленной на многоосевых ступенях. Синхронизированное движение и управление лазером облегчают контурную обработку. Встроенные датчики проверяют качество для оптимизации на основе обратной связи.

В: Для каких применений требуется фотонная обработка?

О: Свободная форма отражающей и преломляющей оптики, биомедицинские имплантаты, микроэлектромеханические системы, интегральные фотонные микросхемы, электронные компоненты, пресс-формы для массового производства микрооптики выигрывают от гибкости при быстром прототипировании сложных конструкций.