Þótt ofurhraðir leysir hafi verið til í áratugi hafa iðnaðarnotkun aukist hratt á síðustu tveimur áratugum. Árið 2019 var markaðsvirði ofurhraðra leysigeislaleysiefniVinnslan nam um það bil 460 milljónum Bandaríkjadala, með 13% samsettum árlegum vexti. Meðal notkunarsviða þar sem ofurhraðir leysir hafa verið notaðir með góðum árangri til að vinna úr iðnaðarefnum eru meðal annars smíði og viðgerðir á ljósgrímum í hálfleiðaraiðnaðinum, svo og kísillskurður, glerskurður/risting og (indíum-tínoxíð) ITO-filmueyðing í neytendaraftækjum eins og farsímum og spjaldtölvum, áferð stimpilbúnaðar fyrir bílaiðnaðinn, framleiðsla kransæðastenta og framleiðsla örvökvatækja fyrir lækningaiðnaðinn.
01 Framleiðsla og viðgerðir á ljósgrímum í hálfleiðaraiðnaðinum
Ofurhraðir leysir voru notaðir í einni af fyrstu iðnaðarforritunum í efnisvinnslu. IBM greindi frá notkun femtósekúndu leysigeislaeyðingar í framleiðslu ljósgríma á tíunda áratugnum. Í samanburði við nanósekúndu leysigeislaeyðingu, sem getur valdið málmskvettum og glerskemmdum, sýna femtósekúndu leysirgrímur hvorki málmskvettur né glerskemmdir o.s.frv. Kostirnir. Þessi aðferð er notuð til að framleiða samþættar hringrásir (ICs). Framleiðsla á IC flís getur þurft allt að 30 grímur og kostað >$100.000. Femtósekúndu leysirvinnsla getur unnið úr línum og punktum undir 150 nm.
Mynd 1. Framleiðsla og viðgerð á ljósgrímu
Mynd 2. Niðurstöður hagræðingar mismunandi grímumynstra fyrir öfgafull útfjólubláa litografíu
02 Kísillskurður í hálfleiðaraiðnaðinum
Skerun kísilþynna er staðlað framleiðsluferli í hálfleiðaraiðnaðinum og er yfirleitt framkvæmd með vélrænni skerun. Þessi skurðarhjól mynda oft örsprungur og erfitt er að skera þunnar (t.d. þykkt < 150 μm) þynnur. Leysiskurður á kísilþynnum hefur verið notaður í hálfleiðaraiðnaðinum í mörg ár, sérstaklega fyrir þunnar þynnur (100-200μm), og er framkvæmdur í mörgum skrefum: leysirrifun, síðan vélræn aðskilnaður eða laumuskurður (þ.e. innrauður leysigeisli inni í kísilrifunni) og síðan vélræn aðskilnaður límbandsins. Nanósekúndu púlsleysirinn getur unnið úr 15 þynnum á klukkustund og píkósekúnduleysirinn getur unnið úr 23 þynnum á klukkustund, með hærri gæðum.
03 Glerskurður/rípun í rafeindaiðnaði
Snertiskjáir og hlífðargleraugu fyrir farsíma og fartölvur eru að þynnast og sumar rúmfræðilegar form eru bogadregnar. Þetta gerir hefðbundna vélræna skurð erfiðari. Dæmigert leysigeislatæki framleiða yfirleitt lélega skurðgæði, sérstaklega þegar þessir glerskjáir eru staflaðir í 3-4 lög og efsta 700 μm þykka hlífðarglerið er hert, sem getur brotnað við staðbundna spennu. Sýnt hefur verið fram á að ofurhraðir leysir geta skorið þessi gler með betri brúnstyrk. Fyrir skurð á stórum flatskjám er hægt að beina femtósekúnduleysinum að bakhlið glerplötunnar og rispa innra byrði glersins án þess að skemma framhliðina. Síðan er hægt að brjóta glerið með vélrænum eða hitauppstreymisaðferðum meðfram rispamynstrinu.
Mynd 3. Ofurhröð klipping á sérstöku lagaðri gleri með píkósekúndu leysigeisla
04 Stimpiláferð í bílaiðnaðinum
Léttar bílvélar eru gerðar úr álblöndum, sem eru ekki eins slitsterkar og steypujárn. Rannsóknir hafa leitt í ljós að femtósekúndu leysigeislun á áferð bílastimpla getur dregið úr núningi um allt að 25% þar sem hægt er að geyma rusl og olíu á skilvirkan hátt.
Mynd 4. Femtosekúndu leysirvinnsla á stimplum bílavéla til að bæta afköst vélarinnar.
05 Framleiðsla kransæðastenta í læknisfræðigeiranum
Milljónir kransæðastenta eru græddir í kransæðar líkamans til að opna farveg fyrir blóðflæði í æðar sem annars væru storknaðar, og bjarga milljónum mannslífa á hverju ári. Kransæðastentar eru yfirleitt gerðir úr vírneti úr málmi (t.d. ryðfríu stáli, nikkel-títan lögun minnis málmblöndu eða nýlega kóbalt-króm málmblöndu) með vírnetbreidd sem er um það bil 100 μm. Í samanburði við langpúls leysigeislaskurð eru kostirnir við að nota ofurhraða leysigeisla til að skera sviga mikil skurðgæði, betri yfirborðsáferð og minna rusl, sem dregur úr kostnaði við eftirvinnslu.
06 Framleiðsla örflæðitækja fyrir lækningaiðnaðinn
Örflæðitæki eru almennt notuð í læknisfræði til að greina og prófa sjúkdóma. Þau eru yfirleitt framleidd með örsprautumótun einstakra hluta og síðan límd saman með límingu eða suðu. Ofurhröð leysigeislasmíði örflæðitækja hefur þann kost að framleiða þrívíddar örrásir innan gegnsæja efna eins og gler án þess að þörf sé á tengingum. Ein aðferð er ofurhröð leysigeislasmíði inni í lausu gleri og síðan blaut efnaetsun, og önnur er femtósekúndu leysigeislasveiflun inni í gleri eða plasti í eimuðu vatni til að fjarlægja óhreinindi. Önnur aðferð er að vélræna rásir í gleryfirborðið og innsigla þær með glerhlíf með femtósekúndu leysigeislasuðu.
Mynd 6. Femtosekúndu leysigeislavirkt sértækt ets til að búa til örflæðisrásir inni í glerefnum.
07 Örborun á inndælingarstút
Femtosekúndu leysir örholuvinnsla hefur komið í stað ör-EDM hjá mörgum fyrirtækjum á markaði fyrir háþrýstingsinnsprautur vegna meiri sveigjanleika í að breyta sniðum flæðihola og styttri vinnslutíma. Möguleikinn á að stjórna sjálfkrafa fókusstöðu og halla geislans í gegnum forvinnsluhaus hefur leitt til hönnunar á ljósopssniðum (t.d. tunnu, blæ, samleitni, fráviki) sem geta stuðlað að úðun eða gegndræpi í brunahólfinu. Borunartími fer eftir ablationsrúmmáli, með borþykkt upp á 0,2 - 0,5 mm og gatþvermál upp á 0,12 - 0,25 mm, sem gerir þessa tækni tífalt hraðari en ör-EDM. Örborun er framkvæmd í þremur stigum, þar á meðal gróffræsingu og frágangi á gegnumgangsholum. Argon er notað sem hjálpargas til að vernda borholuna gegn oxun og til að verja lokaplasma á upphafsstigum.
Mynd 7. Femtosekúndu leysir með mikilli nákvæmni vinnslu á öfugum keilulaga holu fyrir inndælingartæki díselvéla.
08 Ofurhröð leysigeislun
Á undanförnum árum hefur örvinnslu smám saman orðið að áherslusviði vísindamanna til að bæta nákvæmni vinnslu, draga úr efnisskemmdum og auka skilvirkni vinnslunnar. Ofurhraður leysir hefur ýmsa vinnslukosti eins og litla skemmdir og mikla nákvæmni, sem hefur orðið að áherslusviði í að efla þróun vinnslutækni. Á sama tíma geta ofurhraðir leysir virkað á fjölbreytt efni og leysirvinnsla á efnisskemmdum er einnig mikilvæg rannsóknarstefna. Ofurhraður leysir er notaður til að fjarlægja efni. Þegar orkuþéttleiki leysisins er hærri en eyðingarþröskuldur efnisins mun yfirborð efnisins sýna ör-nanóbyggingu með ákveðnum eiginleikum. Rannsóknir sýna að þessi sérstaka yfirborðsbygging er algengt fyrirbæri sem kemur upp við leysivinnslu á efnum. Undirbúningur á yfirborðs ör-nanóbyggingum getur bætt eiginleika efnisins sjálfs og einnig gert kleift að þróa ný efni. Þetta gerir undirbúning á yfirborðs ör-nanóbyggingum með ofurhröðum leysi að tæknilegri aðferð með mikilvægri þróunarþýðingu. Eins og er, fyrir málmefni, geta rannsóknir á ofurhraðri leysigeislaáferð bætt vætueiginleika málmyfirborðs, bætt núning og slitþol yfirborðs, aukið viðloðun húðunar og stefnubundna fjölgun og viðloðun frumna.
Mynd 8. Ofurvatnsfælin eiginleikar leysigeislaframleidds kísilsyfirborðs
Sem háþróuð vinnslutækni hefur ofurhröð leysigeislavinnsla einkenni lítilla hitaáhrifasvæðis, ólínulegra víxlverkunarferla við efni og vinnslu með mikilli upplausn umfram dreifingarmörk. Hún getur framkvæmt hágæða og nákvæma ör-nanóvinnslu á ýmsum efnum og þrívíddar ör-nanóbyggingar. Að ná leysigeislaframleiðslu á sérstökum efnum, flóknum byggingum og sérstökum tækjum opnar nýjar leiðir fyrir ör-nanóframleiðslu. Sem stendur hefur femtósekúnduleysir verið mikið notaður á mörgum háþróuðum vísindasviðum: femtósekúnduleysir er hægt að nota til að undirbúa ýmis ljósfræðileg tæki, svo sem örlinsur, lífræn samsett augu, ljósbylgjuleiðara og yfirborðsflöt; með mikilli nákvæmni, mikilli upplausn og þrívíddarvinnslugetu getur femtósekúnduleysir undirbúið eða samþætt örvökva- og ljósvökvaflísar eins og örhitaraíhluti og þrívíddar örvökvarásir; Að auki getur femtósekúnduleysir einnig útbúið mismunandi gerðir af yfirborðsör-nanóbyggingum til að ná fram endurskinsvörn, endurskinsvörn, vatnsfælni, ísingarvörn og öðrum aðgerðum; ekki nóg með það, heldur hefur femtósekúnduleysir einnig verið notaður á sviði líftækni og sýnir framúrskarandi árangur á sviðum eins og líffræðilegum örstentum, frumuræktunarundirlögum og líffræðilegri smásjármyndgreiningu. Víðtækar notkunarmöguleikar. Eins og er eru notkunarsvið femtósekúnduleysivinnslu að stækka ár frá ári. Auk ofangreindra örljósfræði, örflæðifræði, fjölnota ör-nanóbygginga og líftæknilegra nota, gegnir það einnig mikilvægu hlutverki á sumum nýjum sviðum, svo sem undirbúningi yfirborðs, ör-nanóframleiðslu og fjölvíddar sjónrænnar upplýsingageymslu o.s.frv.
Birtingartími: 17. apríl 2024
