eng
Выставка LASYS четко фокусируется на системных решениях в области лазерной обработки материалов. Основной упор делается на инновационные процессы, уже испытанные и проверенные на производстве.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.54.69
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.54.69
Совсем недавно казалось, что оптические технологии уже давно превратились в стандартные производственные процессы в промышленном машиностроении: лазерная обработка материалов, оптические системы передачи изображения, транспортная техника, промышленная измерительная техника, гражданские системы и системы защиты. Основными потребителями прецизионного лазерного обрабатывающего оборудования выступали в первую очередь авиа- и автомобилестроительная отрасли. Но изобретательность человеческой мысли демонстрирует проникновение лазерных технологий в новые области.
LASYS – конгрессно-выставочное мероприятие в Штутгарде (Германия), которое, начиная с 2008 года, один раз в два года организует Messe Stuttgart. Выставка собирает специалистов, использующих лазеры в своей работе в качестве инструментов. LASYS четко фокусируется на системных решениях в области лазерной обработки материалов. Основной упор делается на инновационные процессы, уже испытанные и проверенные на производстве.
В более ранние годы на выставке экспонировались лазеры для обработки металлов в крупных индустриальных приложениях: автомобилестроении, часовой и ювелирной индустрии, маркировке и гравировке. И до спада производства, постигшего крупную автомобильную промышленность, казалось, что лазерные металлообрабатывающие станки – довольно консервативная продукция. Она мало подвержена крупным изменениям, так как предназначена для производства конкретных изделий с конкретными допусками. Соревнование между производителями лазерных машин шло по пути увеличения мощности лазеров при экономии энергии, увеличения производительности с помощью автоматизации процессов, введения роботов, использования гальваносканеров.
Но тенденция, которая проявила себя два года назад, когда почти все производители лазерных станков для резки, сварки, пайки, наплавки пошли по пути формирования резервных моделей для создания новых изделий с применением новых материалов из стекол, порошков, керамики, армированных пластиков, – продолжает усиливаться.
Развитие 3D-технологий повлекло за собой востребованность в преобразователях распределения плотности мощности лазерного излучения в сечении пучка. Внедрение в индустрию лазеров с ультракороткими импульсами (УКИ-лазеров) приковало внимание к опасности появления в воздухе промышленных цехов частиц аэрозолей, уменьшенных до опасных для здоровья персонала размеров. Как результат – бурное развитие исследований по системам обеспечения безопасности работы с лазерами. Выставка 2016 года еще ярче подчеркнула позицию как выставки интеллектуальных системных решений и приложений для лазерной обработки материалов, где параметры операций сварки, резки, наплавки зависят от абсорбционных свойств материалов.
В экспозиции 2014 года большинство экспонатов представляли собой системы и компоненты для лазерной технологической обработки крупных деталей и их поверхностей, особняком стояла группа лазеров для маркировки ценных бумаг. На выставке 2016 года большую долю заняли лазерные системы для обработки тонкопленочных элементов, резки и сверления в микроэлектронике, сверления глубоких отверстий, обработки нанокапиляров, склеивания поверхностной, системы производства изделий с облегченными массогабаритными характеристиками. Упор сделан не на лазеры с большей мощностью, а на устройства контроля рабочих параметров процессов и длительности лазерных импульсов для обработки композиций материалов – меди, стекловолокна и смолы, на устройства преобразования распределения плотности мощности (beamshaper), на усовершенствование технологических лазерных головок для обработки материалов, на лазеры для конкретных узкоспециализированных применений, например для резки керамических плат. Инженеры видят новые области применения специальной оптики: ВУФ-диапазон, обработка материалов с использованием коротких импульсов и сверхкоротких импульсов лазеров, методы визуализации в медицинских и исследовательских областях, машинное зрение в промышленном контроле качества.
Компания AdlOptica (www.adloptica.com) – известный разработчик и производитель beamshaper‘ов – устройств для преобразования лазерных пучков как импульсного излучения, так и непрерывного. Если не использовать такие преобразователи, то при проведении лазерных технологических операций эффективно будет использоваться только треть энергии пучка. Преобразователи коллимированного лазерного пучка с гауссовым распределением плотности мощности в равномерное – πShaper’ы – предназначены для мощных лазеров, используемых для сварки, закалки и наплавки (в этом случае они снабжены системами водяного охлаждения) или для мощных импульсных лазеров в задачах усиления (MOPA) и оптической накачки УКИ-лазеров. За счет перераспределения интенсивности излучения удается повысить эффективность усиления и уменьшить эффект образования тепловой линзы в лазерном кристалле (рис.1). Другое устройство – Focal πShaper – используют для получения равномерного распределения плотности излучения в фокусе (рис.2). Эти преобразователи востребованы в объективах, для 3D-принтерлв. Например, в SLM-машинах (Selective Laser Melting) активно используют волоконные лазеры, но они имеет гауссовое распределение интенсивности (волокно в лазерах кварцевое, легированное ионами иттербия, длина волны излучения 1,07 мкм). При высокой мощности излучения (400 Вт и более, до 1 кВт) в центре фокального пятна вместо расплавления происходит интенсивное испарение обрабатываемого материала. Или наоборот, материал по краям фокального пятна не успевает расплавиться. Получается слой неравномерной толщины, и в результате – высокая пористость изделия, даже если шаг насыпаемого порошка мал (до 20 мкм). Для объективов в подобных 3D-машинах задача создания равномерного распределения плотности мощности излучения в фокусе решается с помощью фокальных шейперов. Эти устройства совмещают в себе функции beam shaper‘а и коллиматора, который подключается прямо к волоконному лазеру, и работают в диапазоне 1 020–1 100 нм. Именно благодаря им, лазеры имеют высокую степень воспроизводимости распределения плотности мощности в сечении пучка. Focal πShaper работает с объективами, фокусирующими пучок в пятно, меньше 100–200 мкм, то есть с объективами, ограниченными дифракционным пределом. Лазерный пучок сформированного качества используется в индустрии фотовольтаических элементов (рис.3).
Еще одна область использования beamshaper – создание синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) или Computer Generated Holography (CGH). Потребности в расширении рабочего спектрального диапазона применения СГОЭ в оптоэлектронной аппаратуре растут. Снижая габариты и вес контрольно-диагностической аппаратуры, СГОЭ выполняют функции образцовых оптических элементов и компенсаторов, либо – силовых оптических элементов и корректоров хроматических аберраций в лазерной оптике.
Компания TOPAG Lasertechnik (www.topag.de) предлагает дифракционные beam shaperы с размером пятна в фокусе 1; 1,5–10 мм, выдерживающим мощность излучения до 4 Дж/см 2 на длине волны 532 нм. Компания предложила также дифракционные светоделители для разведения лазерного излучения по двум первым порядкам для разных задач. Светоделители рассчитаны на длины волн 355/343, 532,515 и 1064/1030 нм. Компания также предлагает дифракционный вариационный аттенюатор для гибкого ослабления мощности лазерного излучения (рис.4).
Но самый большой выбор операций с микрообъектами предлагает компания WOP (Workshop of Photonics) (www.worphotonics.com). Помимо beamshaper‘ов компания WOP решает инструментальные задачи лазерной индустрии в области микроинженерии – создание технологий лазерного микросверления, скрайбирования теплочувствительных материалов, поверхностного структурирования, разработка и создание установок для междисциплинарных исследований, производство устройств ввода-вывода излучения с помощью фотоннокристаллических и плазмонных линз, изготовление микрокапилляров с отверстиями, маркировка прозрачных материалов, создание фазовых пластинок с вариацией оптической толщины для фазовой модуляции лазерного излучения. Секрет действия кроется в технологии изготовления компьютерно-синтезированных голограмм с бинарным, многоуровневым и непрерывным профилем. WOP позиционирует свои лидерские качества в сверхточной обработке поверхности прозрачных материалов и разработке решений разных задач в этой области (рис.5).
В обеспечении высокой скорости лазерной обработки невозможно обойтись без сканаторов. Компания SCANLAB (www.scanlab.de), обладая большим опытом разработки и производства гальванометрических сканеров, находит все новые области их приложения. SCANLAB пристально изучает тенденции рынка, проявляемые еще на ранних стадиях, пытаясь установить новые приложения для лазерного сканирования (рис.6). Задача компании – превратить лазер в универсальный инструмент путем добавления к излучателю дополнительной функциональности. Такова разработка системы Blackbird Robotics для 2D-сканирования в лазерной сварке (рис.7) и система технического зрения SCANalign для мониторинга и калибровки результатов операций, выполненных с помощью УКИ-лазеров (рис.8). Blackbird Robotersysteme – система, оптимизированная под операции волоконно-связанных дисковых или волоконных лазеров с мощностью до 8 кВт. Система позиционирует луч быстро и именно для сварки 2D-контуров. Сканирующая головка имеет компактную конструкцию, предоставляет возможность работы под любым углом, облегчает прямую интеграцию в оборудование, работающее в условиях ограниченного пространства. Разработана для сварки батарей в блоки или для сварки контактов в автомобильном производстве электронных компонентов.
SCANalign-система (Camera Enhances Laser Processing Quality) выполняет коррекцию поля изображения и обнаруживает ориентацию заготовки. В установке используется калибровочная пластина высокой точности для калибровки координаты лазера, при этом погрешность измерений меньше размера лазерного пятна в фокусе. Например, для f= 255 мм и длины волны 1064 нм точность позиционирования достигает 10 мкм. Такие системы играют важную роль в лазерных применениях, требующих соблюдения очень строгих допусков на размеры и точное позиционирование обрабатываемых деталей.
Технологическая группа Newson NV (www.newson.be) специализируется на высокоточных измерениях движущихся элементов. Компания представила смарт-дефлекторы. Имея большой опыт в создании лазерных сканаторов для гравировки и маркировки, в компании создали смарт-дефлекторы, детектирующие движение элементов, перемещающихся с высокой скоростью (рис.9).
Если компании объявляют о выводе на рынок нового лазера, то это лазер для конкретного применения. Так для создания расширителей импульсов на основе дифракционных брэгговских решеток с изменяющимся периодом (CFBG), которые используются в промышленных сверхбыстрых лазерах для компенсации дисперсии компрессора, необходимы лазеры, генерирующие излучение в УФ-диапазоне спектра. Лазеры, генерирующие излучение в зеленой и УФ-области спектра, представила французская компания Amplitude Systems. Эти инструменты – самые красивые лазеры, дизайн лазеров серий SATSUMA и TANGOR, выдержанный в оранжево-золотистых тонах, придает им футуристический вид (рис.10).
Лазерные системы кодирования лекарственных средств и пищевых продуктов базируются на лазерной маркировке с помощью СО2-лазера. Компактный малогабаритный лазер, который разработан в компании Iradionlaser (www.Iradionlaser.com) (рис.11), имеет керамический сердечник. Оксид алюминия Al2O3, глинозем, – кристаллический неорганический материал. Он электрический изолятор, но в отличие от большинства электрических изоляторов, обладает очень хорошей теплопроводностью. Оксид алюминия имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения. Это превращает его в отличный материал для компонентов лазерной трубки. Но всем известна проблема взаимодействия керамики с газовой средой. Технология Iradion переворачивает конструкцию лазер "наизнанку". Керамика не используется в качестве компонента внутри лазера, она превращена в лазерную трубку и платы для монтажа других необходимых компонентов, а также является частью электрической цепи лазера. Электроды, устанавливаются снаружи, вне, по отношению к газовой емкости резонатора. Эта инновационная концепция придает лазеру превосходный высокий срок службы, надежность и стабильность работы. Iradionlaser разрабатывает линейку новых продуктов, уходя от применений лазеров только в лазерной маркировке и лазерном кодировании. Компания выпустила 40, 60, 80, 100 и 120-ваттные лазеры для использования в резке, сварке, сверлении медицинских и полупроводников материалов.
Компания EKSPLA специализируется на создании лазерных систем на основе Nd: YAG, Nd: YLF и Nd: Glass для исследований и индустриальных применений. Широкая линейка представленных EKSPLA пикосекундных и наносекундных лазеров, протяженный спектральный диапазон длин волн излучателей от 193 нм до среднего ИК-диапазона и узкая ширина полосы излучения – превращают лазер в удобный инструмент для решения самых разных задач. Высокая частота повторения импульсов до 1 МГц с высокой пиковой мощностью обеспечивает абляцию материала без повреждения материала (рис.12). Такие свойства важны при лазерном сверлении – одном из немногих методов производства, способных выполнять глубокие отверстия, в которых глубина по отношению к диаметру оказывается выше десяти. Лазерное бурение удлиненных отверстий используется во многих приложениях, в том числе при создании систем охлаждения в аэрокосмических турбинных двигателях. Быстро растущий рынок органической электроники, в том числе органических светоизлучающих устройств и тонкопленочных солнечных батарей стимулирует развитие универсальных технологий для формирования тонкопленочных структур на жестких и гибких подложках. Тонкие прозрачные пленки проводящих оксидов и металлов используют для изготовления контактов, проводников и активных элементов. Лазерное структурирование с помощью пико – и наносекундных импульсов применяется при формировании тонких пленок, осажденных на полимерные и стеклянные подложки. Длина волны лазерного излучения корректируется в зависимости от оптических свойств и пленки, и подложки. УФ-излучение лазеров с пикосекундной длительностью импульса может быть использовано в производстве микросистем для разнообразных технических приложений.
А компания ALPHALASER создала мобильные лазеры (рис.13) для проведения ремонта, сварки и наплавки материала на изнашиваемые детали, принадлежащие большим машинам, которые работают в особых условиях. Использование мобильного лазера исключает зависимость операции от конкретного места проведения ремонта: техническое обслуживание можно проводить, не разукомплектовывая крупные изделия, не тратя время на транспортировку. Диапазон расстояний, которых достигает лазерный рычаг мобильного лазера ALFlakMax, достигает почти 2,80 м: самая высокая рабочая точка составляет 2 м, а самая глубокая – расстояние 80 см. Механическая система позволяет проводить сварку сложных деталей с наклонными плоскостями.
TRUMPF специально анонсировал на выставке новый пикосекундный лазер TruMicro 2000 (рис.15). Лазер используется для структурирования металлических поверхностей – применимо для радужной маркировки поверхности и для соединения пластика и металла. Причем область соединения металла и пластика получается довольно крепкой. TRUMPF также продемонстрировал 3D-принтер TruPrint 1000, предназначенный для синтеза металлических деталей на основе металлических порошков, например медицинских имплантатов с высокой способностью сращивания с костной тканью, зубных коронок под керамику, индивидуального производства небольших изделий со сложной структурой и их серийного производства, для изготовления ювелирных и сложных технических изделий из драгметаллов, компонентов био-дизайна использующихся в конструкции самолетов, в авиадвигателестроении для производства элементов ГТД. Принтер TruPrint 1000 был разработан в кратчайший срок в кооперации с итальянской компанией SISMA. В системе TruPrint 1000 применяется генератор лазерного возбуждения волоконного типа собственного производства компании TRUMPF. Разработка устройства заняла два года, – это довольно короткий период для создания столь сложного оборудования.
Компания Rofin-Sinar Laser (немецкое подразделение американской компании Rofin Sinar Technology) представила широкую линейку милли-, микро-, фемто – и пикосекундных лазеров (рис.16). Компания не фокусирует свое внимание на создании лазеров с определенной длительностью импульса, а изучает текущие потребности производителей. К примеру, если говорить об эффективности резки, то для керамики или стекла эффективна низкотемпературная резка (cold process), так как этот метод позволяет избежать образования трещин внутри материала. А для маркировки пластика со сложной поверхностью Rofin-Sinar представила на выставке машину, внутри которой установлен УФ-лазер со сканирующей головкой и заложена возможность запрограммировать на компьютере слова или символы для нанесения на поверхность изделия. Машина снабжена монитором, на экране которого демонстрируется весь процесс маркировки. Эта установка дает возможность заказчику оптимизировать процесс маркировки пластика и добиться обработки высокого качества.
Свои решения представляли и интеграторы лазерного оборудования. Фирма Erlase конструирует лазерные системы для наплавки и закалки, используя для этих целей стандартные модули других производителей. Для производства систем лазерной обработки компания использует роботизированные комплексы, объединяя их с диодными лазерами и устройствами для позиционирования. Компания известна своим умением интегрировать узлы и конструировать готовые системы лазерной обработки. В компании Erlase собирают также отдельные узлы: лазерные головки, крепления и зажимы для фиксации деталей, системы позиционирования деталей, в том числе в зону обработки, системы тестирования и упаковки.
Иногда Erlase использует стандартные компоненты других производителей лазеров, но в некоторых случаях сама производит специальные головки со своими особенностями, которые встраивает в конечную систему лазерной обработки. К примеру, в лазерную головку, предназначенную для закалки и наплавки, Erlase встроила датчик измерения температуры (рис.17).
Впервые в выставке приняла участие японская корпорация FANUC. Компания представила новые волоконные лазеры в серии FF и их подключение к системам роботов FANUC.
Ряд компаний представили лазерные головки для лазерной сварки, резки и наплавки. Их габариты зависят от приложений, а конструкции усложняются. Если прежние лазерные головки были оснащены оптическими элементами только для транспортировки и фокусировки лазерного луча в рабочую зону, то новые лазерные головки оснащают специальными устройствами мониторинга параметров процесса обработки.
Появление новых технологий лазерной обработки сопровождается появлением загрязнений, непривычных для классических методов обеспечения безопасности. Абляция вещества при использовании УКИ-лазера в процессах создания структур кремниевых пластин для солнечных батарей или промышленного производства высокоэффективных аккумуляторных батарей ведет к образованию и попаданию в окружающую среду мелких аэрозольных частиц. Уменьшение их размера пропорционально уменьшению фокусного пятна и повышению частоты импульсов. Новые материалы и технологические процессы их обработки требуют применения специальных систем фильтрации. Так обработка керамики и кремния ведет к образованию бульшего количества частиц, чем обработка легированной стали.
Осложняет эффективность фильтрации воздуха процесс отложения частиц в виде "нановаты", когда из-за наличия между отделенными частицами сил связи возникает их "спекание", и комки в виде отложения частиц застревают в порах фильтров. Это сильно снижает эффективность фильтрации, поэтому кроме автоматической очистки фильтров, необходимы еще сменные фильтр-патроны. Существующее оборудование по очистке рабочего пространства на выставке представляли фирмы ULT, BOFA и TEKA.
Разница в технологических применениях лазеров отражается в выборе материалов защитных элементов для операторов, работающих с лазерами. Самое распространенное защитное средство – очки. Для промышленности, где используются лазеры большой мощности, выпускаются очки с поликарбонатными стеклами. А пластиковые очки предназначены для защиты операторов лазерного оборудования для медицинских применений: дерматологии, косметологии, хирургии, стоматологии. Очки будут нужны всегда, рынок подобной продукции далек от насыщения. По тому, как увеличиваются объемы выпускаемой защитной продукции, особенно для операций резки, наплавки и медицинских приложений, можно сделать вывод о том, какие лазерные технологии испытывают резкий рост.
При разработке конструкции лазеров исследователи часто работают с бескорпусными лазерами (free laser). Разработкой защитных костюмов и экранов занимается компания JUTEC. Она представила решения, обеспечивающие полную безопасность пользователя при работе с лазерными системами. JUTEC разработала и запатентовала материал для защиты от лазерного излучения. Он состоит из нескольких слоев, в том числе имеет специальное покрытие, в итоге 70% излучения отражается. Рабочий диапазон длин волн 200–11000 нм. На выставке была представлена защита от лазерного излучения, прямого и рассеянного, для помещений, где работают один и два человека.
В следующем номере мы планируем опубликовать обзор по технологическому оборудованию для производства оптических деталей по материалам посещения выставки OPTATEC, прошедшей во Франкфурте-на-Майне летом 2016 года.
LASYS – конгрессно-выставочное мероприятие в Штутгарде (Германия), которое, начиная с 2008 года, один раз в два года организует Messe Stuttgart. Выставка собирает специалистов, использующих лазеры в своей работе в качестве инструментов. LASYS четко фокусируется на системных решениях в области лазерной обработки материалов. Основной упор делается на инновационные процессы, уже испытанные и проверенные на производстве.
В более ранние годы на выставке экспонировались лазеры для обработки металлов в крупных индустриальных приложениях: автомобилестроении, часовой и ювелирной индустрии, маркировке и гравировке. И до спада производства, постигшего крупную автомобильную промышленность, казалось, что лазерные металлообрабатывающие станки – довольно консервативная продукция. Она мало подвержена крупным изменениям, так как предназначена для производства конкретных изделий с конкретными допусками. Соревнование между производителями лазерных машин шло по пути увеличения мощности лазеров при экономии энергии, увеличения производительности с помощью автоматизации процессов, введения роботов, использования гальваносканеров.
Но тенденция, которая проявила себя два года назад, когда почти все производители лазерных станков для резки, сварки, пайки, наплавки пошли по пути формирования резервных моделей для создания новых изделий с применением новых материалов из стекол, порошков, керамики, армированных пластиков, – продолжает усиливаться.
Развитие 3D-технологий повлекло за собой востребованность в преобразователях распределения плотности мощности лазерного излучения в сечении пучка. Внедрение в индустрию лазеров с ультракороткими импульсами (УКИ-лазеров) приковало внимание к опасности появления в воздухе промышленных цехов частиц аэрозолей, уменьшенных до опасных для здоровья персонала размеров. Как результат – бурное развитие исследований по системам обеспечения безопасности работы с лазерами. Выставка 2016 года еще ярче подчеркнула позицию как выставки интеллектуальных системных решений и приложений для лазерной обработки материалов, где параметры операций сварки, резки, наплавки зависят от абсорбционных свойств материалов.
В экспозиции 2014 года большинство экспонатов представляли собой системы и компоненты для лазерной технологической обработки крупных деталей и их поверхностей, особняком стояла группа лазеров для маркировки ценных бумаг. На выставке 2016 года большую долю заняли лазерные системы для обработки тонкопленочных элементов, резки и сверления в микроэлектронике, сверления глубоких отверстий, обработки нанокапиляров, склеивания поверхностной, системы производства изделий с облегченными массогабаритными характеристиками. Упор сделан не на лазеры с большей мощностью, а на устройства контроля рабочих параметров процессов и длительности лазерных импульсов для обработки композиций материалов – меди, стекловолокна и смолы, на устройства преобразования распределения плотности мощности (beamshaper), на усовершенствование технологических лазерных головок для обработки материалов, на лазеры для конкретных узкоспециализированных применений, например для резки керамических плат. Инженеры видят новые области применения специальной оптики: ВУФ-диапазон, обработка материалов с использованием коротких импульсов и сверхкоротких импульсов лазеров, методы визуализации в медицинских и исследовательских областях, машинное зрение в промышленном контроле качества.
Компания AdlOptica (www.adloptica.com) – известный разработчик и производитель beamshaper‘ов – устройств для преобразования лазерных пучков как импульсного излучения, так и непрерывного. Если не использовать такие преобразователи, то при проведении лазерных технологических операций эффективно будет использоваться только треть энергии пучка. Преобразователи коллимированного лазерного пучка с гауссовым распределением плотности мощности в равномерное – πShaper’ы – предназначены для мощных лазеров, используемых для сварки, закалки и наплавки (в этом случае они снабжены системами водяного охлаждения) или для мощных импульсных лазеров в задачах усиления (MOPA) и оптической накачки УКИ-лазеров. За счет перераспределения интенсивности излучения удается повысить эффективность усиления и уменьшить эффект образования тепловой линзы в лазерном кристалле (рис.1). Другое устройство – Focal πShaper – используют для получения равномерного распределения плотности излучения в фокусе (рис.2). Эти преобразователи востребованы в объективах, для 3D-принтерлв. Например, в SLM-машинах (Selective Laser Melting) активно используют волоконные лазеры, но они имеет гауссовое распределение интенсивности (волокно в лазерах кварцевое, легированное ионами иттербия, длина волны излучения 1,07 мкм). При высокой мощности излучения (400 Вт и более, до 1 кВт) в центре фокального пятна вместо расплавления происходит интенсивное испарение обрабатываемого материала. Или наоборот, материал по краям фокального пятна не успевает расплавиться. Получается слой неравномерной толщины, и в результате – высокая пористость изделия, даже если шаг насыпаемого порошка мал (до 20 мкм). Для объективов в подобных 3D-машинах задача создания равномерного распределения плотности мощности излучения в фокусе решается с помощью фокальных шейперов. Эти устройства совмещают в себе функции beam shaper‘а и коллиматора, который подключается прямо к волоконному лазеру, и работают в диапазоне 1 020–1 100 нм. Именно благодаря им, лазеры имеют высокую степень воспроизводимости распределения плотности мощности в сечении пучка. Focal πShaper работает с объективами, фокусирующими пучок в пятно, меньше 100–200 мкм, то есть с объективами, ограниченными дифракционным пределом. Лазерный пучок сформированного качества используется в индустрии фотовольтаических элементов (рис.3).
Еще одна область использования beamshaper – создание синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) или Computer Generated Holography (CGH). Потребности в расширении рабочего спектрального диапазона применения СГОЭ в оптоэлектронной аппаратуре растут. Снижая габариты и вес контрольно-диагностической аппаратуры, СГОЭ выполняют функции образцовых оптических элементов и компенсаторов, либо – силовых оптических элементов и корректоров хроматических аберраций в лазерной оптике.
Компания TOPAG Lasertechnik (www.topag.de) предлагает дифракционные beam shaperы с размером пятна в фокусе 1; 1,5–10 мм, выдерживающим мощность излучения до 4 Дж/см 2 на длине волны 532 нм. Компания предложила также дифракционные светоделители для разведения лазерного излучения по двум первым порядкам для разных задач. Светоделители рассчитаны на длины волн 355/343, 532,515 и 1064/1030 нм. Компания также предлагает дифракционный вариационный аттенюатор для гибкого ослабления мощности лазерного излучения (рис.4).
Но самый большой выбор операций с микрообъектами предлагает компания WOP (Workshop of Photonics) (www.worphotonics.com). Помимо beamshaper‘ов компания WOP решает инструментальные задачи лазерной индустрии в области микроинженерии – создание технологий лазерного микросверления, скрайбирования теплочувствительных материалов, поверхностного структурирования, разработка и создание установок для междисциплинарных исследований, производство устройств ввода-вывода излучения с помощью фотоннокристаллических и плазмонных линз, изготовление микрокапилляров с отверстиями, маркировка прозрачных материалов, создание фазовых пластинок с вариацией оптической толщины для фазовой модуляции лазерного излучения. Секрет действия кроется в технологии изготовления компьютерно-синтезированных голограмм с бинарным, многоуровневым и непрерывным профилем. WOP позиционирует свои лидерские качества в сверхточной обработке поверхности прозрачных материалов и разработке решений разных задач в этой области (рис.5).
В обеспечении высокой скорости лазерной обработки невозможно обойтись без сканаторов. Компания SCANLAB (www.scanlab.de), обладая большим опытом разработки и производства гальванометрических сканеров, находит все новые области их приложения. SCANLAB пристально изучает тенденции рынка, проявляемые еще на ранних стадиях, пытаясь установить новые приложения для лазерного сканирования (рис.6). Задача компании – превратить лазер в универсальный инструмент путем добавления к излучателю дополнительной функциональности. Такова разработка системы Blackbird Robotics для 2D-сканирования в лазерной сварке (рис.7) и система технического зрения SCANalign для мониторинга и калибровки результатов операций, выполненных с помощью УКИ-лазеров (рис.8). Blackbird Robotersysteme – система, оптимизированная под операции волоконно-связанных дисковых или волоконных лазеров с мощностью до 8 кВт. Система позиционирует луч быстро и именно для сварки 2D-контуров. Сканирующая головка имеет компактную конструкцию, предоставляет возможность работы под любым углом, облегчает прямую интеграцию в оборудование, работающее в условиях ограниченного пространства. Разработана для сварки батарей в блоки или для сварки контактов в автомобильном производстве электронных компонентов.
SCANalign-система (Camera Enhances Laser Processing Quality) выполняет коррекцию поля изображения и обнаруживает ориентацию заготовки. В установке используется калибровочная пластина высокой точности для калибровки координаты лазера, при этом погрешность измерений меньше размера лазерного пятна в фокусе. Например, для f= 255 мм и длины волны 1064 нм точность позиционирования достигает 10 мкм. Такие системы играют важную роль в лазерных применениях, требующих соблюдения очень строгих допусков на размеры и точное позиционирование обрабатываемых деталей.
Технологическая группа Newson NV (www.newson.be) специализируется на высокоточных измерениях движущихся элементов. Компания представила смарт-дефлекторы. Имея большой опыт в создании лазерных сканаторов для гравировки и маркировки, в компании создали смарт-дефлекторы, детектирующие движение элементов, перемещающихся с высокой скоростью (рис.9).
Если компании объявляют о выводе на рынок нового лазера, то это лазер для конкретного применения. Так для создания расширителей импульсов на основе дифракционных брэгговских решеток с изменяющимся периодом (CFBG), которые используются в промышленных сверхбыстрых лазерах для компенсации дисперсии компрессора, необходимы лазеры, генерирующие излучение в УФ-диапазоне спектра. Лазеры, генерирующие излучение в зеленой и УФ-области спектра, представила французская компания Amplitude Systems. Эти инструменты – самые красивые лазеры, дизайн лазеров серий SATSUMA и TANGOR, выдержанный в оранжево-золотистых тонах, придает им футуристический вид (рис.10).
Лазерные системы кодирования лекарственных средств и пищевых продуктов базируются на лазерной маркировке с помощью СО2-лазера. Компактный малогабаритный лазер, который разработан в компании Iradionlaser (www.Iradionlaser.com) (рис.11), имеет керамический сердечник. Оксид алюминия Al2O3, глинозем, – кристаллический неорганический материал. Он электрический изолятор, но в отличие от большинства электрических изоляторов, обладает очень хорошей теплопроводностью. Оксид алюминия имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения. Это превращает его в отличный материал для компонентов лазерной трубки. Но всем известна проблема взаимодействия керамики с газовой средой. Технология Iradion переворачивает конструкцию лазер "наизнанку". Керамика не используется в качестве компонента внутри лазера, она превращена в лазерную трубку и платы для монтажа других необходимых компонентов, а также является частью электрической цепи лазера. Электроды, устанавливаются снаружи, вне, по отношению к газовой емкости резонатора. Эта инновационная концепция придает лазеру превосходный высокий срок службы, надежность и стабильность работы. Iradionlaser разрабатывает линейку новых продуктов, уходя от применений лазеров только в лазерной маркировке и лазерном кодировании. Компания выпустила 40, 60, 80, 100 и 120-ваттные лазеры для использования в резке, сварке, сверлении медицинских и полупроводников материалов.
Компания EKSPLA специализируется на создании лазерных систем на основе Nd: YAG, Nd: YLF и Nd: Glass для исследований и индустриальных применений. Широкая линейка представленных EKSPLA пикосекундных и наносекундных лазеров, протяженный спектральный диапазон длин волн излучателей от 193 нм до среднего ИК-диапазона и узкая ширина полосы излучения – превращают лазер в удобный инструмент для решения самых разных задач. Высокая частота повторения импульсов до 1 МГц с высокой пиковой мощностью обеспечивает абляцию материала без повреждения материала (рис.12). Такие свойства важны при лазерном сверлении – одном из немногих методов производства, способных выполнять глубокие отверстия, в которых глубина по отношению к диаметру оказывается выше десяти. Лазерное бурение удлиненных отверстий используется во многих приложениях, в том числе при создании систем охлаждения в аэрокосмических турбинных двигателях. Быстро растущий рынок органической электроники, в том числе органических светоизлучающих устройств и тонкопленочных солнечных батарей стимулирует развитие универсальных технологий для формирования тонкопленочных структур на жестких и гибких подложках. Тонкие прозрачные пленки проводящих оксидов и металлов используют для изготовления контактов, проводников и активных элементов. Лазерное структурирование с помощью пико – и наносекундных импульсов применяется при формировании тонких пленок, осажденных на полимерные и стеклянные подложки. Длина волны лазерного излучения корректируется в зависимости от оптических свойств и пленки, и подложки. УФ-излучение лазеров с пикосекундной длительностью импульса может быть использовано в производстве микросистем для разнообразных технических приложений.
А компания ALPHALASER создала мобильные лазеры (рис.13) для проведения ремонта, сварки и наплавки материала на изнашиваемые детали, принадлежащие большим машинам, которые работают в особых условиях. Использование мобильного лазера исключает зависимость операции от конкретного места проведения ремонта: техническое обслуживание можно проводить, не разукомплектовывая крупные изделия, не тратя время на транспортировку. Диапазон расстояний, которых достигает лазерный рычаг мобильного лазера ALFlakMax, достигает почти 2,80 м: самая высокая рабочая точка составляет 2 м, а самая глубокая – расстояние 80 см. Механическая система позволяет проводить сварку сложных деталей с наклонными плоскостями.
TRUMPF специально анонсировал на выставке новый пикосекундный лазер TruMicro 2000 (рис.15). Лазер используется для структурирования металлических поверхностей – применимо для радужной маркировки поверхности и для соединения пластика и металла. Причем область соединения металла и пластика получается довольно крепкой. TRUMPF также продемонстрировал 3D-принтер TruPrint 1000, предназначенный для синтеза металлических деталей на основе металлических порошков, например медицинских имплантатов с высокой способностью сращивания с костной тканью, зубных коронок под керамику, индивидуального производства небольших изделий со сложной структурой и их серийного производства, для изготовления ювелирных и сложных технических изделий из драгметаллов, компонентов био-дизайна использующихся в конструкции самолетов, в авиадвигателестроении для производства элементов ГТД. Принтер TruPrint 1000 был разработан в кратчайший срок в кооперации с итальянской компанией SISMA. В системе TruPrint 1000 применяется генератор лазерного возбуждения волоконного типа собственного производства компании TRUMPF. Разработка устройства заняла два года, – это довольно короткий период для создания столь сложного оборудования.
Компания Rofin-Sinar Laser (немецкое подразделение американской компании Rofin Sinar Technology) представила широкую линейку милли-, микро-, фемто – и пикосекундных лазеров (рис.16). Компания не фокусирует свое внимание на создании лазеров с определенной длительностью импульса, а изучает текущие потребности производителей. К примеру, если говорить об эффективности резки, то для керамики или стекла эффективна низкотемпературная резка (cold process), так как этот метод позволяет избежать образования трещин внутри материала. А для маркировки пластика со сложной поверхностью Rofin-Sinar представила на выставке машину, внутри которой установлен УФ-лазер со сканирующей головкой и заложена возможность запрограммировать на компьютере слова или символы для нанесения на поверхность изделия. Машина снабжена монитором, на экране которого демонстрируется весь процесс маркировки. Эта установка дает возможность заказчику оптимизировать процесс маркировки пластика и добиться обработки высокого качества.
Свои решения представляли и интеграторы лазерного оборудования. Фирма Erlase конструирует лазерные системы для наплавки и закалки, используя для этих целей стандартные модули других производителей. Для производства систем лазерной обработки компания использует роботизированные комплексы, объединяя их с диодными лазерами и устройствами для позиционирования. Компания известна своим умением интегрировать узлы и конструировать готовые системы лазерной обработки. В компании Erlase собирают также отдельные узлы: лазерные головки, крепления и зажимы для фиксации деталей, системы позиционирования деталей, в том числе в зону обработки, системы тестирования и упаковки.
Иногда Erlase использует стандартные компоненты других производителей лазеров, но в некоторых случаях сама производит специальные головки со своими особенностями, которые встраивает в конечную систему лазерной обработки. К примеру, в лазерную головку, предназначенную для закалки и наплавки, Erlase встроила датчик измерения температуры (рис.17).
Впервые в выставке приняла участие японская корпорация FANUC. Компания представила новые волоконные лазеры в серии FF и их подключение к системам роботов FANUC.
Ряд компаний представили лазерные головки для лазерной сварки, резки и наплавки. Их габариты зависят от приложений, а конструкции усложняются. Если прежние лазерные головки были оснащены оптическими элементами только для транспортировки и фокусировки лазерного луча в рабочую зону, то новые лазерные головки оснащают специальными устройствами мониторинга параметров процесса обработки.
Появление новых технологий лазерной обработки сопровождается появлением загрязнений, непривычных для классических методов обеспечения безопасности. Абляция вещества при использовании УКИ-лазера в процессах создания структур кремниевых пластин для солнечных батарей или промышленного производства высокоэффективных аккумуляторных батарей ведет к образованию и попаданию в окружающую среду мелких аэрозольных частиц. Уменьшение их размера пропорционально уменьшению фокусного пятна и повышению частоты импульсов. Новые материалы и технологические процессы их обработки требуют применения специальных систем фильтрации. Так обработка керамики и кремния ведет к образованию бульшего количества частиц, чем обработка легированной стали.
Осложняет эффективность фильтрации воздуха процесс отложения частиц в виде "нановаты", когда из-за наличия между отделенными частицами сил связи возникает их "спекание", и комки в виде отложения частиц застревают в порах фильтров. Это сильно снижает эффективность фильтрации, поэтому кроме автоматической очистки фильтров, необходимы еще сменные фильтр-патроны. Существующее оборудование по очистке рабочего пространства на выставке представляли фирмы ULT, BOFA и TEKA.
Разница в технологических применениях лазеров отражается в выборе материалов защитных элементов для операторов, работающих с лазерами. Самое распространенное защитное средство – очки. Для промышленности, где используются лазеры большой мощности, выпускаются очки с поликарбонатными стеклами. А пластиковые очки предназначены для защиты операторов лазерного оборудования для медицинских применений: дерматологии, косметологии, хирургии, стоматологии. Очки будут нужны всегда, рынок подобной продукции далек от насыщения. По тому, как увеличиваются объемы выпускаемой защитной продукции, особенно для операций резки, наплавки и медицинских приложений, можно сделать вывод о том, какие лазерные технологии испытывают резкий рост.
При разработке конструкции лазеров исследователи часто работают с бескорпусными лазерами (free laser). Разработкой защитных костюмов и экранов занимается компания JUTEC. Она представила решения, обеспечивающие полную безопасность пользователя при работе с лазерными системами. JUTEC разработала и запатентовала материал для защиты от лазерного излучения. Он состоит из нескольких слоев, в том числе имеет специальное покрытие, в итоге 70% излучения отражается. Рабочий диапазон длин волн 200–11000 нм. На выставке была представлена защита от лазерного излучения, прямого и рассеянного, для помещений, где работают один и два человека.
В следующем номере мы планируем опубликовать обзор по технологическому оборудованию для производства оптических деталей по материалам посещения выставки OPTATEC, прошедшей во Франкфурте-на-Майне летом 2016 года.
Отзывы читателей
