KAROLIS RATAUTAS, PAULIUS GEČYS, MINDAUGAS GEDVILAS et GEDIMINAS RAČIUKAITIS

À l’occasion de son 60e anniversaire, les domaines des applications laser, en particulier dans le traitement des matériaux, ne cessent de s’étendre et la plupart des solutions avancées sont accompagnées de l’utilisation de lasers à impulsions ultracourtes (USP), un type de laser pour lequel les entreprises lituaniennes sont bien reconnues. globalement.

Le Département des technologies laser de FTMC – le Centre des sciences physiques et technologiques (Vilnius, Lituanie) est l’un des endroits actifs en Europe où les nouvelles technologies et applications pour les lasers sont nées. Ce qui suit est un examen des récents développements de haut niveau de maturité du département prêts à être installés directement par les clients.

Technologies de traitement du verre

Les nouvelles techniques de traitement du verre au laser, offrant une fabrication rapide et précise, sont devenues une alternative intéressante aux méthodes conventionnelles, telles que le découpage en dés mécanique, la scie au diamant et la découpe au jet d’eau. Avec l’évolution des lasers industriels modernes, les technologies basées sur le laser garantissent un débit élevé ainsi qu’une qualité supérieure.

L’une des techniques de traitement du verre les plus flexibles est le traitement de la face arrière au laser. Le processus est lancé en focalisant le faisceau laser à travers l’échantillon de verre sur la surface arrière d’un substrat transparent. C’est un procédé très efficace pouvant atteindre> 120 mm³Taux d’enlèvement de matière / min avec un laser émettant seulement 20 W. En utilisant cette technique, la largeur typique de saignée peut être remarquablement réduite par rapport au traitement mécanique des outils diamantés. Par conséquent, des tailles de caractéristiques aussi petites que 150 µm peuvent être usinées au laser. Les découpes au laser sont sans effilement et il est possible de fabriquer des caractéristiques à rapport hauteur / largeur extrêmement élevé. Une excellente qualité de coupe peut être obtenue avec l’écaillage de surface

La FIGURE 1 présente le système laser pour le traitement du verre travaillant dans la production de codeurs de déplacement et de rotation.

Le traitement de la face arrière au laser est une technique très flexible. Cependant, certaines applications nécessitent une découpe à très haut débit de lignes droites de contours de forme simple. La méthode laser sans trait de scie la plus efficace consiste à découper en dés en introduisant des vides intra-volume, suivi d’une étape de séparation mécanique. Afin d’effectuer la séparation prévue, des modifications allongées s’étendant sur toute l’épaisseur du verre doivent être générées. Pour cela, les faisceaux optiques de Bessel modifiés sont utilisés dans de telles applications en raison de leur grande longueur non diffractive. Le découpage en dés du verre est un processus très efficace et une vitesse de découpage en dés pouvant atteindre des mètres par seconde peut être obtenue avec des épaisseurs de verre allant de quelques centaines de microns à quelques millimètres (FIGURE 2).FIGURE 2. Le bord du composant en verre fabriqué via la technologie de découpage en dés au laser (a) et le bord du composant en verre avec un chanfrein supplémentaire fabriqué avec un traitement laser arrière (b) sont représentés.

Le faisceau laser focalisé peut être appliqué non seulement pour la découpe et le perçage, mais le traitement de fraisage 2.5D est également possible.

Un domaine d’application émergent passionnant pour la technique est la fabrication de buses d’injection de gaz. Les buses à gaz sont utilisées dans diverses expériences laser-plasma pour l’accélération du champ de sillage laser (LWFA), la génération de rayons X secondaires et de lumière γ vers des applications de tomographie industrielle et de traitement médical. Les cibles de plasma sur mesure nécessitent la mise en œuvre de buses de forme complexe avec des gorges convergentes-divergentes et cylindriques pour obtenir une modulation de la concentration de gaz le long de la propagation du faisceau laser. Ces formes complexes sont compliquées ou, dans de nombreux cas, impossibles à produire avec des techniques conventionnelles. En outre, la rugosité de la paroi du canal a un impact crucial sur les performances de la buse, et la silice fondue est beaucoup plus résistante que les métaux. Le Département des technologies laser a développé une technique de traitement laser hybride, où le traitement laser nanoseconde est combiné avec la technique de gravure sélective induite par laser femtoseconde (FLISE) (FIGURE 3). Une telle combinaison unique nous a permis d’atteindre une résolution à l’échelle submicronique élevée avec un traitement des matériaux à grande vitesse.¹FIGURE 3. Une coupe transversale du réseau de buses à gaz fabriquées au laser avec un traitement par l’arrière et des techniques FLISE.

Ablation laser précise et haute efficacité

Les surfaces inspirées de la nature et leur réplication suscitent un énorme intérêt pour la science, la technologie et la médecine en raison de leurs propriétés fonctionnelles uniques. Une attention particulière est accordée aux surfaces qui reproduisent la texture de la peau de requin, ce qui réduit la friction avec les liquides ou les gaz et possède des propriétés antibactériennes. Notre équipe chez FTMC a développé une technologie d’ablation laser efficace, en maintenant un taux d’enlèvement de matière maximal avec une qualité de traitement ultime. La technologie a été validée par la réplication de structures en forme de peau de requin sur de grandes surfaces à grande vitesse.

Résultats de la manière théorique de prédire un ensemble optimal de paramètres de traitement pour l’ablation laser la plus efficace avancée dans le niveau de préparation de la technologie de fraisage laser à une utilisation réelle dans des applications biomimétiques. Atteinte de l’efficacité d’ablation par fraisage laser la plus connue pour le cuivre, en utilisant un laser femtoseconde bi-burst de pointe,² avec la rugosité minimale de la surface fraisée au laser et la meilleure qualité d’usinage,³ la nouvelle technologie laser est plus avancée que ses concurrents. Le frottement avec l’air, des études de surfaces de type peau de requin structurées au laser, a montré une diminution de la force de traînée jusqu’à 6%. La capacité d’imiter les surfaces bio-inspirées des structures ressemblant à de la peau de requin, des structures trapézoïdales réductrices de traînée (FIGURE 4) et des structures semblables à des écailles de poisson ou d’autres formes d’arbres complexes à une vitesse de fabrication élevée tout en maintenant le plus bas possible la rugosité de surface a permis à la technologie efficace d’ablation laser de concurrencer avec succès les techniques industrielles conventionnelles.FIGURE 4. Riblets trapézoïdaux fabriqués sur une surface de cuivre à l’aide d’un laser nanoseconde (Baltic HP, Ekspla); Des images au microscope électronique à balayage ont été prises à un angle d’inclinaison de 70 ° et à différents facteurs de grossissement. La durée de l’impulsion laser était de 10 ns, la longueur d’onde d’irradiation était de 1064 nm, le taux de répétition des impulsions était de 100 kHz, la puissance laser moyenne était de 12 W, le taux d’élimination du cuivre était de 1,4 mm3 / min, la vitesse de fabrication était de 7 mm2 / min, la période de la lame était de 0,4 mm et la hauteur de la lame était de 0,2 mm.

La procédure de balayage par faisceau laser optimisée et contrôlée est une technique flexible et fiable pour reproduire une grande diversité de surfaces fonctionnelles naturellement développées dans la nature. La puissance laser ultracourte croissante avec un rapport prix / puissance décroissant, ainsi que le développement d’une technologie de fraisage laser efficace et de précision, ouvre de nouvelles opportunités pour la commercialisation réelle de surfaces fonctionnelles bio-inspirées à partir de la production en laboratoire en petits lots jusqu’à l’industrie à grande échelle applications dans un avenir très proche.

Combiner les technologies laser et chimiques

La fabrication de traces de circuits est la tâche la plus difficile pour la production électronique intégrée dans le moule, appelée 3D-MID (dispositifs d’interconnexion moulés). Il est à la fois techniquement difficile à réaliser et difficile à réaliser de manière rentable. MID est une pièce thermoplastique moulée par injection avec des circuits électroniques directement intégrés dans un composant polymère. Il offre des économies de matériau, de poids et de coûts grâce à l’élimination des connecteurs entre les cartes de circuits imprimés séparées, en raccourcissant la chaîne de processus et en intégrant les surfaces de contact dans, par exemple, les commutateurs, les capteurs et les antennes. MID a un grand potentiel dans les secteurs de l’automobile, de l’aviation, de l’éclairage, de l’informatique ou même de la médecine, où l’innovation émergente exige une augmentation du nombre de composants électroniques dans un appareil. Cependant, une technique standard bien connue telle que la photolithographie ne pourrait pas être appliquée de manière conventionnelle car les pièces ont généralement des formes géométriques 3D complexes. Nous avons développé une nouvelle méthode appelée Activation de surface sélective induite par un laser (SSAIL), qui est une technologie prometteuse pour résoudre les défis de la production de conducteurs électriques sur polymères.⁴ SSAIL comprend trois étapes principales: la modification laser de la surface diélectrique, l’activation chimique des zones modifiées par trempage dans une solution et le dépôt chimique de métal autocatalytique des pièces activées. La nouvelle technologie offre des vitesses d’écriture laser allant jusqu’à 4 m / s, et ainsi le pas de placage spatial est maintenu aussi étroit que 25 µm.⁵

Les principaux avantages du procédé SSAIL par rapport à d’autres technologies (comme la structuration directe par laser) sont que SSAIL ne nécessite pas d’additifs spéciaux dans la matrice polymère et qu’un matériau commercial standard (disponible sur le marché) peut être utilisé comme support de circuit. Par conséquent, SSAIL pourrait ouvrir un large domaine d’application où les méthodes actuelles d’intégration électronique sont encore trop coûteuses. Des avantages supplémentaires sont liés à la capacité de SSAIL à traiter des polymères transparents et flexibles (FIGURE 5).FIGURE 5. La résolution spatiale du dépôt de cuivre en utilisant SSAIL (a) et des circuits pour l’électronique automobile sur des pièces en polymère moulées en 3D (b) sont illustrées.

Transformation numérique de l’industrie

Les transformations numériques traversent toutes les branches de l’industrie dans tous les pays. Même pendant l’épidémie de COVID-19, les idées de soutien de l’État concernent les entreprises de haute technologie et de pointe. Pour les technologies laser, c’est une excellente opportunité.

FTMC, en collaboration avec notre parc scientifique et le cluster de technologies laser et de l’industrie de l’ingénierie, LITEK, gère un centre d’innovation numérique Laser LT, dans le but d’aider les entreprises locales dans la transformation de leurs itinéraires de production en utilisant le laser et d’autres technologies photoniques. Pour nous, c’est une chance de promouvoir de nouveaux développements et de les déployer dans l’usine.

Par ailleurs, un nouveau projet européen Horizon 2020 appelé PULSATE sur le laser DIH vient d’être signé pour démarrer l’accompagnement des entreprises dans l’adaptation plus facile et plus rapide des technologies laser dans leur production à l’échelle européenne.

RÉFÉRENCES

1. V. Tomkus et coll., Appl. Le surf. Sci., 483, 205-211 (2019).

2. A. Žemaitis, P. Gečys, M. Barkauskas, G. Račiukaitis et M. Gedvilas, Sci. représentant, 9, 12280 (2019).

3. A. Žemaitis, M. Gaidys, P. Gečys, G. Račiukaitis et M. Gedvilas, Opter. Lasers Eng., 114 et 83 (2019).

4. K. Ratautas, A. Jagminienė, I Stankevičienė, E. Norkus et G. Račiukaitis, Appl. Le surf. Sci., 470, 405–410 (2019).

5. K. Ratautas et al., Résultats Phys., 16, 102943 (2020).

KAROLIS RATAUTAS, PAULIUS GEČYS, MINDAUGAS GEDVILAS, et GEDIMINAS RAČIUKAITIS (gediminas.raciukaitis@ftmc.lt) sont avec le Centre des sciences physiques et de la technologie, Département des technologies laser, Vilnius, Lituanie; https://lts-ftmc.lt.