A. Fogalomtár a modulhoz
1. Lézersugaras gyártási eljárások I
A 3.1. lecke a lézersugaras gyártási eljárások közül a lézersugaras jelölés, a felületi edzés, a rapid prototyping és a lézersugaras litográfia módszerét mutatja be.
1.1. Bevezetés
Nagy teljesítményű lézer sugarának fókuszálásával igen nagy teljesítménysűrűségeket lehet elérni. Az impulzus- és folyamatos üzemű lézereknél elérhető jellegzetes teljesítménysűrűségeket és az egyéb nagy intenzitású forrásokat az 3.1.1.1. táblázat sorolja fel.
3.1.1.1. ábra
A lézersugár fókuszált fényében elérhető nagy energia lehetővé teszi, hogy a lézereket hőenergia-forrásként alkalmazzák olyan gyártási eljárásoknál, mint a vágás, hegesztés, fúrás, hőkezelés, felületkezelés. Ezek közül néhány eljárást a 3.1.1.2. táblázatban foglaltunk össze.
3.1.1.2. ábra
A lézerek közül korábban csak a CO2-, a neodímium-, a rubin- és az argonionlézereknek volt elég nagy teljesítményű kimenetük ahhoz, hogy többet lehessen velük elérni, mint vékony rétegek elgőzölögtetését. Mára viszont a szállézer, a diszklézer, de még a diódalézerek is olyan teljesítménytartományt képviselnek, hogy egyre terjedőben van ipari alkalmazásuk.
A lézerek alkalmazása
A fókuszmélység ott fontos, ahol például párhuzamos oldalú vágatokra vagy lyukakra van szükség, ez befolyásolja a munkadarab tűrését és beállítását a fókuszban. A lézersugár fókuszpontja egy szűkület, ahol a lézersugár áthalad, majd újra széttart. A szűkület hossza, amit fókuszmélységnek nevezünk, függ a lézersugár és a lencse optikai tulajdonságaitól.
Sok gyártási eljárásnál ez túlságosan nagy teljesítménysűrűség-változásnak felel meg, ezért a fókuszmélységet olyan pontok közötti távolsággal mérik, ahol az intenzitás a fókuszbelihez képest 10%-kal csökken.
Gauss-féle energiaeloszlás esetére ezt a következő összefüggés adja meg:
ahol z a fókuszmélység, λ a lézerhullámhossz, do pedig a foltátmérő a fókuszsíkban.
Ez utóbbira fennáll a következő összefüggés:
ahol f a fókusztávolság és D a nyaláb átmérője a lencsén.
Például 1 cm átmérőjű lézernyalábot 30 cm-es lencsével fókuszálva, 10,6 µm-en (CO2-lézer) a fókuszbeli foltátmérő 0,4 mm, a fókuszmélység ±4 mm. A megmunkálni kívánt anyagot a lencsétől nem kell tized mm pontossággal elhelyezni, mert a fókusztávolságtól a fókuszmélység értékének felével felfelé és lefelé is eltérhetünk a fókuszponttól. 1,06 µm-es hullámhosszon (Nd:YAG-lézer) viszont mind a fókuszált foltátmérő, mind a fókuszmélység tizedrészére csökken. Másrészről a lencse fókusztávolságát felére csökkentve a fókuszált foltátmérő is felére, míg a fókuszmélység negyedére csökken.
Több különböző energiaátadási folyamat megy végbe a lézersugár és a fém között, a fém határfelületén. Ezek közt említhető a fényelnyelés, a visszaverődés és áteresztés, az elgőzölögtetés, a visszasugárzás és a hődiffúzió.
E folyamatok kölcsönhatása nehézzé teszi a mennyiségi analízist. A legtöbb gyakorlati alkalmazás esetére a folyamatot meghatározó legfontosabb jellemzők az abszorpció, a teljesítménysűrűség, az olvadáspont és a hővezető képesség. A vágási és fúrási műveleteknél, ahol munkagázt alkalmaznak, a jelenlévő gázzal bekövetkező exotermikus reakciónak szintén meghatározó fontosságú szerepe lehet a folyamatban.
A felületre beeső teljesítmény egy része visszaverődik, másik része elnyelődik, míg egy harmadik rész áteresztődik, tehát
Wi = Wr+ Wa + Wt,
ahol Wi a beeső, Wrr a visszavert, Wa az abszorbeált, Wt pedig az áteresztett teljesítményt jelöli.
A rövid hullámhosszú fényhullám gyengülése fémekben igen nagyfokú; optikai hullámhosszakon a sugárzás behatolási mélysége, ahol az intenzitás a felületi érték 1/e része, a legtöbb fémnél rendszerint kisebb, mint 10-8 µm, ezért az áteresztett teljesítmény elhanyagolható. A gyengülés nemfémekben viszont gyakran kismértékű, ezért az áteresztést számításba kell venni. A különféle műveletek elvégzéséhez szükséges elnyelt teljesítménysűrűség nagyságrendjét a 3.1.1.3. ábra mutatja. 102 W/mm2 alatt kis vagy észre sem vehető hatás lép csak fel, kivéve az igen vékony rétegeket, míg 107 W/mm2 fölött a levegő átütése (ionizáció) jön létre. A felületen elnyelt energiát korlátozza az anyag visszaverő képessége, amely a hullámhossztól és a hőmérséklettől függően változik, valamint a vékony hártyák vagy oxidrétegek jelenléte.
A lézerek alkalmazása
3.1.1.3. ábra
1.2. Lézersugaras jelölés
Az ipari alkalmazásokban leggyakrabban fém és műanyag alkatrészek jelölése szükséges.
Fém alkatrészek jelölése
A fém alkatrészek jelölésére két jelölési módszert alkalmaznak. Az egyik a gravírozás, mely során a lézersugár hatására a fókuszpontban lévő anyag elgőzölög a felületről. Ennek következtében itt az anyag másképp veri vissza a fényt, ezáltal látható a jelölés. Ez a művelet, hasonlóan a gravírozáshoz, a fém felületén mélyedést okoz. Gravírozásnál a jelölendő felszín felületéből távozik el a kívánt rajzolatnak megfelelő anyag. A jelölendő felületet a lézersugár fókuszpontjába kell helyezni.
A fém alkatrészek gravírozással történő feliratozására alkalmas lézerberendezések:
• impulzusüzemű fiberlézer
• impulzusüzemű Nd:YAG vagy Nd:YVO4-lézer
A másik módszer a hőkezelés és színezés, mely jelölési művelet során nem történik anyagkiválás, hanem az anyag szerkezete változik meg a lézersugár hatására. A sugár az anyagot az olvadáspontnál alacsonyabb hőmérsékletre hevíti, ennek hatására az anyag rácsszerkezete megváltozik. A fém felületén így termikus színek jelennek meg. A színezéshez – a gravírozással ellentétben – alacsony energiájú lézerimpulzus is elegendő. Sok esetben ezért folyamatos üzemben is képes a lézerberendezés effajta jelölésre. A jelölésre kerülő felületet a lézersugár fókuszpontján kívül kell elhelyezni, így a lézersugár csak izzítja az anyag felületét.
Ezt a jelölési módszert előnyben részesítik az orvosi implantátumok, kórházi eszközök jelölésére, mivel ezeken az eszközökön és alkatrészeken nem megengedett a gravírozásos módszer, melynek nyomán baktériumok telepedhetnek meg a felületi mélyedésekben. A színezéses módszer kiválóan alkalmas mérőeszközök (pl.
tolómérő) és kézi szerszámok (pl. imbuszkulcs) jelölésére, továbbá gyakran alkalmazzák egyedi alkatrészek feliratozására. A színezéses módszer során a fém alkatrészekre lassabban készülnek el a feliratok, ezért ez a módszer célszerűbb kis darabszámok esetén. Tömegtermelésben a gravírozásos módszer terjedt el.
A fém alkatrészek színezéssel történő feliratozására alkalmas lézerberendezések:
• folyamatos üzemű fiberlézer
• impulzusüzemű fiberlézer
A lézerek alkalmazása
• impulzusüzemű Nd:YAG vagy Nd:YVO4-lézer
Létezik egy harmadik megoldás is, amikor egy speciális lézerpasztát alkalmazunk. A fémekre való paszta csak bevonat nélküli fémfelületeken alkalmazható. A lézerpaszta alkalmazása akkor célszerű, ha csak CO-8-lézer áll rendelkezésre, így elegendő csak lézerpasztát alkalmazni, nem kell a jóval drágább szilárdtestlézert beszerezni.
A lézerpaszta több kiszerelésben kapható. Létezik spray és ragasztószalag formájában, illetve hígítható formában.
Műanyag alkatrészek jelölése
A műanyag alkatrészek jelölésére két jelölési módszert alkalmaznak. Az egyik a habosítás, mely során a lézersugár az anyag felszínét felhevíti, és buborékok képződnek benne. Ennek hatására a habosított felület színe és domborulata megváltozik.
A másik módszer a színezés, mely jelölési művelet során nem történik anyagkiválás, hanem az anyag szerkezete változik meg a lézersugár hatására. Ez történhet termikus folyamat vagy fotokémiai hatás miatt, melyek következményeként elszíneződik az anyag. A színezéshez, a gravírozással ellentétben, alacsony energiájú lézerimpulzus is elegendő.
Az, hogy a két jelölési módszer közül melyiket alkalmazzuk, főképp a jelölendő anyagtól függ. Sokszor olyan adalékanyagokat is alkalmaznak a műanyagokban, melyek a lézersugár hatására elszíneződnek, de az anyagszerkezet nem változik meg.
A műanyag alkatrészek habosítással vagy színezéssel történő feliratozására alkalmas lézerberendezések:
• impulzusüzemű fiberlézer
A lézerek alkalmazása
3.1.3.1. ábra
1.4. Rapid prototyping (RP)
A prototípus gyors létrehozásának számos módszere, technikája és célja lehet. A rétegről rétegre építkező gondolatot megtestesítő technológiák voltak az elsők, de még azok is folyamatosan fejlődnek. A gyors prototípusgyártás berendezéseinek nagy hányada a kezdetektől a lézertechnológiákhoz kapcsolódik. A sztereolitográfiás (SLA) eljárás fotoérzékeny epoxigyantát szilárdít a lézersugár segítségével, a rétegelt darabgyártás (LOM) a lézersugár energiáját használja fel az egymásra épülő papírszeletek pontos kontúrjainak kivágására, míg a szelektív lézeres szinterezés (SLS) során különböző anyagú porszemcsék kerülnek rétegenként összeolvasztásra, szintén a lézersugár energiájával. Ezek a lézersugaras prototípusgyártó berendezések nagy népszerűségre tettek szert világszerte, és ma már számos, különböző elven működő berendezés létezik, elsősorban a komoly pénzügyi háttérrel működő vállalatoknál.
1.5. Lézersugaras litográfia
A hagyományos, többlépéses finommegmunkálási eljárások alapját a litográfiás technikák jelentik. A megmunkálási sémák rendkívül változatosak, az elv viszont azonos: a megmunkálandó céltárgy felszínén egy maszkot hoznak létre, ami lehetővé teszi a maszk által nem takart felszín megmunkálását úgy, hogy a fedett részek semmilyen változást nem szenvednek. A maszk anyagát (ami leggyakrabban fém vagy más maratási módszereknek ellenálló anyag) a céltárgyat megmunkáló eljárás változatlanul hagyja, vagy jóval lassabban marja, mint a céltárgyat.
A maszk mintázatának kialakítása általában közvetett módon történik. Rendszerint valamilyen sugárforrás fényével egy viszonylag nagy méretű „mester” maszkot képeznek le (nagy arányú kicsinyítéssel) a céltárgyra (vagy eljárástól függően a céltárgyon levő maszk vékonyrétegre) előzőleg felvitt, a sugárzásra érzékeny vékonyrétegre (rezisztre). A megvilágítás megváltoztatja a reziszt kémiai szerkezetét, így a megvilágított és a kezeletlen részek oldhatósága az ún. előhívó oldatokra különböző lesz, azaz szelektíven eltávolíthatóvá válik a megvilágított vagy nem megvilágított rész (pozitív reziszt: az exponált rész eltávolítható; negatív reziszt: a nem exponált rész leoldható). A reziszt rétege tehát előhívás után tartalmazza a létrehozandó struktúrát (vagy annak negatívját). Az eljárás további részeiben ezt a mintázatot hozzák létre a maszk anyagában is különböző, többlépéses kémiai eljárásokkal (az elv itt is az, hogy a maszk és az előhívott reziszt különböző mértékben áll ellen különböző maró- és oldószereknek). Tehát egy bonyolult, többlépéses folyamat eredményeképpen kialakításra kerül egy maszk, majd pedig következik a konkrét megmunkálás, mellyel ezt a mintázatot létrehozzák a céltárgyban is.
Az alkalmazások szempontjából kulcskérdés a létrehozandó mintázatok laterális mérete. Mikrométeres vagy annál nagyobb mintázatok létrehozásához elegendő egyszerű UV lámpát használni egy viszonylag jó leképező rendszerrel. Szubmikrométeres mintázatok készítéséhez használt technikák közül a leggyakoribb az UV litográfia, melyet 157–351 nm-es hullámhosszúságú lézerforrásokkal valósítanak meg (F-8, ArF, KrF, XeCl, XeF). Manapság 193 nm hullámhosszú ArF excimer lézert (l=193 nm) használnak a processzorok, memóriaelemek előállítására. A leképezésre nagy transzmisszióval rendelkező, viszonylag kedvező árú, ömlesztett kvarcelemeket alkalmaznak immerziós elrendezésben, mellyel egynél nagyobb numerikus apertúra, azaz a negyed hullámhossznál kisebb vonalszélesség is elérhető. Az eljárás feloldásának növelésével a technikai nehézségek is rendkívüli mértékben növekednek. Jelenleg kísérletek folynak VUV (vákuum-ultraibolya) tartományban működő F2-lézerekkel (l=157 nm). Itt a legnagyobb nehézséget a megfelelően alacsony abszorpciójú és hosszú távon állandó törésmutatójú anyagok megtalálása, ill. az ezek alternatívájaként felmerülő, tükrökből álló optikai rendszerek kifejlesztése jelenti. Az extrém ultraibolya (EUV) litográfiában lézersugárral keltett magas hőmérsékletű plazmából kilépő, l~10 nm hullámhosszú sugárzást, valamint reflektív optikákat (súrlódó beesésű, többrétegű tükröket – Bragg-reflektorokat) használnak. Ezzel az eljárással manapság
A lézerek alkalmazása
kb. hasonló feloldások érhetőek el, mint az UV litográfiával, viszont itt van lehetőség a fejlődésre, hiszen a jelenlegi feloldási határ nincs az elvi határ közelében, bár a rövid hullámhossz miatti technikai nehézségek itt is nagyok. A röntgenlitográfiák l~1 nm-es hullámhossza és nagy technikai mélységélessége (ami ígéretes profilokat eredményez, és nem érzékeny a felszíni egyenetlenségekre) elvileg kiváló alternatíva lenne, de sajnos bonyolultsága és ára miatt ipari alkalmazása még várat magára.
3.1.5.1. ábra