CHLB ĐỨC – Tia laser dạng xung với bước sóng ngắn có những khả năng độc đáo. Chúng được sử dụng trong nhiều ngành khác nhau. Laser xung ngắn với thời lượng xung trong phạm vi nano giây (1), do đó nó còn được gọi là laser nano giây. Ngoài ra, laser dạng xung có bước sóng siêu ngắn với thời lượng xung trong phạm vi pico và femto giây, được gọi là laser pico và laser femtosecond. Do thời gian tiếp xúc ngắn của chùm tia laser với vật liệu, vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ; điều này được gọi là cắt lạnh. Trong quá trình này, vật liệu không tan chảy mà bốc hơi. Sự hấp thụ phi tuyến tính của laser xung ngắn giúp xử lý nhiều loại vật liệu, chẳng hạn như thép, đồng, đồng thau, gốm sứ, nhựa, thủy tinh và nhiều vật liệu khác.
(1) 1ns (nano giây) = 0,0000000001 giây = 10^(-9) giây
1ps (picosecond) = 0,0000000000001 giây = 10^(-12) giây
1fs (femto giây) = 0,000000000000001 giây = 10^(-15) giây

Đánh dấu kẹp động mạch (dụng cụ y tế) bằng tia laser xung siêu ngắn

Tia laser xung ngắn làm sạch và cấu trúc thiết bị trong một bước duy nhất

Công nhân làm sạch các thiết bị bằng tia laser xung ngắn. Họ có thể loại bỏ lớp phủ kim loại, tức là loại bỏ vật liệu thứ cấp. Với đầu vào năng lượng cao tương ứng, họ cũng có thể xử lý chính thiết bị đó, ví dụ như cấu trúc thiết bị đó. Giám đốc sản phẩm tại công ty Trumpf ở khu vực Ditzingen (CHLB Đức), ông Steffen Rübling nói rằng: “Những ứng dụng này có thể thực hiện được với cùng một tia laser xung ngắn”. Đối với điều này, công nhân chỉ cần thiết lập mức công suất, tốc độ lặp lại của xung và tốc độ cấp liệu. Nếu cần, laser xung ngắn có thể xử lý việc làm sạch và cấu trúc chỉ trong một bước.

Đánh dấu bằng cách thay đổi màu sắc trên các loại vật liệu

Laser xung siêu ngắn (ultrashort-pulse) cho phép đánh dấu trên các vật liệu phức tạp bằng các công nghệ laser khác. Ví dụ, để đánh dấu các thiết bị bằng nhựa, thường phải sử dụng chất phụ gia tại vị trí gia công. Với laser xung siêu ngắn thì chất phụ gia không cần sử dụng đến, từ đó giúp tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất. Ngoài ra, laser xung siêu ngắn cho phép đánh dấu với độ tương phản tốt và khả năng chống ăn mòn cao. Ví dụ, công nghệ này được sử dụng trong ngành y tế để đánh dấu các dụng cụ phẫu thuật bằng thép không gỉ với độ tương phản cao, đánh dấu màu đen chống ăn mòn. Giám đốc điều hành công ty SK Laser, tại thành phố Wiesbaden (CHLB Đức), bà Dina Reit nói rằng: “Mặc dù các thiết bị phẫu thuật như dao, kéo phải trải qua nhiều chu kỳ khử trùng, nhưng việc đánh dấu bằng laser femto và pico giây không bị ăn mòn và độ tương phản ban đầu vẫn còn nguyên vẹn. Điều này đảm bảo việc truy xuất nguồn gốc trong toàn bộ vòng đời sản phẩm”.

Xử lý mài mòn các vật liệu khó gia công cơ học

Các vật liệu khó xử lý bằng cơ học, chẳng hạn như lớp phủ kim cương trên chất nền cacbua, có thể được xử lý bằng tia laser xung siêu ngắn với độ chính xác cao và tốc độ cắt tốt. Bà Dina Reit nói rằng: “Chúng tôi đã có kinh nghiệm cùng với đối tác – công ty IPG Laser – trong gia công kính. Mặc dù vật liệu này gần như trong suốt đối với chùm tia laser ở bước sóng laser khoảng 1 µm, nhưng các tia laser xung siêu ngắn có thể khắc kính nhờ các hiệu ứng phi tuyến tính, đưa các cấu trúc nhiễu xạ vào bề mặt và cắt bỏ các lớp bề mặt kính có chọn lọc mà không làm hỏng kính”.

Các tia laser femto và pico giây lý tưởng cho quá trình gia công tinh xảo trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe và mở rộng quang phổ của gia công laser.

Tia laser xung ngắn loại bỏ sơn khỏi các thiết bị một cách nhanh chóng và chính xác

Xe điện là một trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của laser xung ngắn. Ví dụ, hàn các chân đồng của động cơ điện, được gọi là kẹp nối, đặc biệt phức tạp. Trước khi các nhà sản xuất động cơ điện có thể hàn các kẹp nối mỏng, trước tiên họ phải loại bỏ lớp sơn nhựa.

Trong quá trình tẩy sơn bằng tia laser, các xung laser sẽ tác động vào bề mặt của phôi. Trong quá trình này, chúng làm bay hơi lớp phủ. Ông Steffen Rübling tại công ty Trumpf nói rằng: “Vì đồng là vật liệu đặc biệt nhạy cảm, nên điều này chỉ hiệu quả với đầu vào năng lượng chính xác của laser xung ngắn. Với chúng, công nhân có thể loại bỏ lớp phủ nhựa khỏi kẹp nối mà không cần gia công vật liệu chính bằng đồng”. Đối với tẩy sơn, người dùng phải chọn đầu vào năng lượng đủ cao để laser loại bỏ sơn, nhưng năng lượng không đủ để tấn công vật liệu cơ bản, trong trường hợp này là đồng.

Làm sạch phôi bằng laser thân thiện với môi trường

Làm sạch bằng laser các thành phần hoạt động theo cùng một nguyên lý. Một ứng dụng điển hình của phương pháp này là việc chuẩn bị các khu vực mối nối liên kết. Ví dụ, các nhà sản xuất ô tô cần làm sạch bề mặt các linh kiện mà không để lại cặn trước khi hàn hoặc liên kết chúng lại với nhau. Họ cần loại bỏ các chất giải phóng (2) như dầu mà không làm hỏng bề mặt linh kiện.
(2) Chất giải phóng: là một hóa chất được sử dụng để ngăn chặn các vật liệu khác liên kết với bề mặt. Chất giải phóng hỗ trợ các quá trình liên quan đến giải phóng khuôn, giải phóng khuôn đúc, giải phóng nhựa, giải phóng chất kết dính.

Việc vệ sinh bề mặt bằng hóa chất dạng lỏng hoặc chất mài mòn sẽ mất nhiều thời gian để che phủ các bộ phận. Ông Steffen Rübling cho biết: “Điều này làm tăng chi phí và khiến việc vệ sinh tốn nhiều thời gian hơn mức cần thiết”. Tia laser xung ngắn chỉ làm sạch các bộ phận ở những nơi cần thiết. Các nhà sản xuất ô tô có thể bỏ qua khâu xử lý hậu kỳ. Hơn nữa, vệ sinh bằng tia laser luôn hiệu quả đồng nhất và trên hết là thân thiện với môi trường. So với các quy trình thông thường, nhà đầu tư tiết kiệm được nước và hóa chất tẩy rửa.

Tạo cấu trúc bằng laser với nhiều loại kim loại

Laser xung ngắn cũng được sử dụng để tạo cấu trúc bằng laser. Tạo cấu trúc bằng laser là một giải pháp sạch, nhanh và không tiếp xúc thay thế cho phương pháp phun cát, khắc bằng hóa chất hoặc phay. Laser xung ngắn có thể tạo cấu trúc cho nhiều loại kim loại. Để thực hiện điều này, công nhân chỉ cần điều chỉnh các thông số của laser tùy thuộc vào kim loại, chẳng hạn như công suất laser và tốc độ xử lý.

Công cụ quan trọng của laser trong sản xuất pin mặt trời

Trưởng bộ phận quang điện tại công ty Trumpf, ông Mauritz Möller cho biết: “Laser đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các hệ thống quang điện. Khi nói đến việc sản xuất các tế bào tinh xảo này, không có cách nào khác ngoài tia laser xung ngắn”.

Về cơ bản, ngành năng lượng mặt trời phân biệt giữa pin mặt trời màng dày và màng mỏng. Cả hai biến thể đều hoạt động theo nguyên lý quang điện, chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Tuy nhiên, chúng sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau để tạo ra điện. Pin mặt trời màng dày: silicon tinh thể. Pin mặt trời màng mỏng: silicon không tinh thể hoặc các vật liệu bán dẫn khác như hợp chất của đồng. Pin mặt trời màng mỏng, mỏng hơn khoảng một trăm lần và nhẹ hơn đáng kể so với pin mặt trời màng dày. Với các mô-đun năng lượng mặt trời màng mỏng, không có khung kim loại chạy xung quanh các mô-đun riêng lẻ và tùy thuộc vào vật liệu nền, màng thủy tinh hoặc nhựa, các nhà sản xuất có thể uốn cong các tế bào. Do đó, các mô-đun năng lượng mặt trời này có thể được tích hợp hài hòa vào kiến ​​trúc của các tòa nhà. Nhờ tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ, các tế bào màng mỏng cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng di động, chẳng hạn như cắm trại hoặc phát điện ở các vùng xa.

Các nhà sản xuất sử dụng phương pháp phun hoặc hấp các tế bào lên chất nền. Các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng chỉ mỏng từ 1 đến 5 micromet. Các tia laser xung ngắn là một công cụ quan trọng để bảo vệ các mô-đun năng lượng mặt trời màng mỏng khỏi các tác động từ bên ngoài. Để ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch do bụi hoặc độ ẩm, các nhà sản xuất phải loại bỏ các lớp lắng đọng hơi ở rìa của tế bào năng lượng mặt trời trên một chiều rộng khoảng 1 cm trước khi cán các tế bào năng lượng mặt trời bằng một lớp màng bảo vệ. Ông Mauritz Möller cho biết: “Trước đây, các nhà sản xuất sử dụng phương pháp phun cát để thực hiện việc này. Các tia laser xung ngắn hiện đã thay thế kỹ thuật này”.

Laser xung ngắn có khả năng độc đáo. Như tên gọi của chúng, chúng hoạt động với các xung laser ngắn cung cấp năng lượng xung cao. Trong quá trình gia công trang trí, xung laser đi qua bề mặt kính, tác động vào lớp phủ mặt sau và phá hủy lớp phủ mà không làm hỏng kính. Do đó, pin năng lượng mặt trời có tuổi thọ dài hơn và không thải chất độc hại như phương pháp phun cát. Vì lớp phủ mỏng như giấy nên phương pháp này chỉ hoạt động với đầu vào năng lượng chính xác của laser xung ngắn. Đối với gia công trang trí, kỹ thuật viên phải chọn năng lượng đầu vào đủ cao để laser loại bỏ lớp phủ đã bốc hơi nhưng không tấn công và làm hỏng vật liệu nền. Đầu vào năng lượng thay đổi tùy thuộc vào sự kết hợp giữa các vật liệu.

Giám đốc Tiếp thị Chiến lược Màn hình từ công ty Coherent, tại khu vực Goettingen (CHLB Đức), Tiến sĩ Oliver Haupt nói rằng: “Trước khi lắp ráp điện thoại hoặc máy tính bảng, các màn hình sẽ được cắt ra từ một tấm kính lớn. Ngoài ra, nhiều thiết kế yêu cầu phải tạo lỗ trên màn hình để lắp camera và các cảm biến. Đôi khi chỉ một số lớp màn hình ở một vị trí cụ thể được tạo lỗ, ví dụ như để lắp cảm biến vân tay”. Các quy trình này được gọi là cắt hình dạng và cắt lỗ. Chúng phải được thực hiện với độ chính xác cơ học cao, tức là dung sai chặt chẽ, chất lượng và khả năng lặp lại cao. Điều này là cần thiết để tránh các vấn đề trong quá trình lắp ráp. Ngoài ra, năng suất cắt lỗ phải rất cao, vì hầu hết chi phí đã được tích hợp vào màn hình tại thời điểm này.

Trong các quy trình cắt này, điều quan trọng là phải giữ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ – heat-affected zone) ở mức thấp nhất vì một số lý do, bao gồm việc tránh làm hỏng mạch điện. Trong điện thoại có thể gập lại được, các bong bóng và vết nứt nhỏ hình thành trong vùng HAZ có thể là nguồn gốc mà các vết nứt có thể hình thành hoặc lan rộng. Do đó, thông số kỹ thuật HAZ tối đa để cắt lỗ trên màn hình điện thoại thông thường phải dưới 100 µm. Đối với màn hình có thể gập lại, thông số kỹ thuật này phải dưới 50 µm. Và khi cắt lỗ, vùng HAZ tối đa cho phép phải nhỏ hơn 20 µm.

Tia laser với xung nano giây không thể mang lại chất lượng cắt cạnh như trên. Do đó, các nhà sản xuất màn hình sử dụng laser xung ngắn để đạt được vùng HAZ nhỏ theo yêu cầu.

Sản xuất dụng cụ y tế

Phương pháp xử lý vật liệu bằng tia laser femto giây (femtosecond) ngày càng được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất thiết bị y tế, là do nhu cầu về các dụng cụ này cần kích thước linh kiện nhỏ hơn, thành mỏng hơn với nhiều chi tiết cắt hơn (ví dụ: stent (3) mạch vành, ống kim loại siêu nhỏ với thành mỏng, dụng cụ phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, v.v.). Điều này đặc biệt phù hợp đối với nhu cầu về máy móc được cấu hình để cắt vật liệu hình dạng ống. Ngoài ra, việc sử dụng các vật liệu tinh vi và đắt tiền hơn cũng là một động lực khác.
(3) Stent: là một dụng cụ dạng cuộn lưới nhỏ được làm từ kim loại, sử dụng để đưa vào vị trí mạch vành bị hẹp nặng hoặc tắc nghẽn. Sau đó, bóng trong stent được nong ra để mở rộng lòng mạch, từ đó tạo điều kiện cho dòng máu lưu thông một cách dễ dàng.

Tia laser xung ngắn được sử dụng để loại bỏ sơn khỏi các linh kiện bằng đồng, đây là một ứng dụng của tia laser trong lĩnh vực xe điện

Giám đốc tiếp thị chiến lược gia công cơ khí chính xác từ công ty Coherent, tại quận Santa Clara (Mỹ), Tiến sĩ Geoff Shannon nói rằng: “Việc gia công cắt ống nitinol là một ví dụ về hiệu quả của tia laser femtosecond. Xử lý bằng tia laser sợi quang (laser fiber) (4) sẽ để lại các phoi vật liệu, do đó cần phải loại bỏ sau khi cắt. Quá trình xử lý hậu kỳ này rất phức tạp, do tính chất của vật liệu và kích thước nhỏ của linh kiện. Trong khi cắt bằng tia laser femtosecond tạo ra các cạnh mịn và không cần thực hiện làm sạch/ gọt bavia (5). Việc giảm bớt công đoạn làm sạch và tăng năng suất giúp mang lại lợi thế đáng kể về chi phí”.
(4) Laser sợi quang: là một biến thể của laser thể rắn, được hình thành bằng chùm tia laser được khuếch tán trong một đường sợi quang thủy tinh pha tạp với một số kim loại đất hiếm như ytterbium, erbium, dysprosium, neodymium.
(5) Bavia: là các phần kim loại hoặc nhựa còn thừa sau khi gia công sản phẩm

Việc cắt kim loại trong các ứng dụng lĩnh vực y tế, laser sợi quang vẫn có thể cắt nhanh hơn và cắt các bộ phận dày hơn do công suất cao hơn của chúng. Vì vậy, sự lựa chọn tối ưu của laser – laser femtosecond hay laser sợi quang – phụ thuộc rất nhiều vào các chi tiết ứng dụng cụ thể. Do đó, một trong những câu hỏi lớn nhất đối với bất kỳ khách hàng nào là lựa chọn giữa laser femtosecond hay laser sợi quang: tốc độ cao hơn hay chất lượng cạnh cao hơn? Vì lý do này, các máy laser mới nhất để cắt dụng cụ y tế có sẵn với laser femtosecond hoặc laser sợi quang, hoặc là tùy chọn kết hợp với cả hai loại laser. Tùy chọn sau cho phép người dùng chuyển đổi liền mạch giữa các loại laser, đối với một công việc mà có thể thực hiện các vết cắt kinh tế hơn bằng laser sợi quang so với laser femtosecond và ngược lại.

Màn hình có thể gập lại

Tia laser femtosecond có thể cắt mọi vật liệu với chất lượng cạnh tuyệt vời và không có vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Màn hình uốn cong/ gập lại với công nghệ OLED

Nhiều màn hình cho thiết bị di động thường được chế tạo đồng thời trên các tấm kính lớn. Sau khi tất cả các mạch được tạo ra và nhiều lớp khác được thêm vào, tấm nền lớn được cắt thành các màn hình riêng lẻ, tối đa mười màn hình. Điều này được thực hiện vì các tấm kính chỉ chứa một vài màn hình sẽ dễ xử lý và dễ vận chuyển hơn nhiều so với tấm kính lớn ban đầu. Các bước cuối cùng của việc lắp ráp thiết bị di động thường được thực hiện tại một cơ sở sản xuất riêng biệt – thường là ở một quốc gia khác.

Tia laser femtosecond cho phép cắt chính xác các bộ phận cơ khí và chi tiết trang trí bằng nhiều loại kim loại và phi kim loại cho các thương hiệu đồng hồ Thụy Sĩ cao cấp

Thương hiệu đồng hồ Thụy Sĩ

Một ứng dụng thú vị của laser femtosecond là sản xuất các bộ phận có kích thước nhỏ cho đồng hồ Thụy Sĩ cao cấp. Không giống như các dụng cụ y tế, thường bắt đầu bằng phôi ống, đối với linh kiện đồng hồ thì hầu hết các bộ phận được cắt từ các vật liệu phẳng.

Công ty TechnoCut, có trụ sở tại khu vực Bonfol (Thụy Sĩ) là đơn vị đầu tiên áp dụng công nghệ laser femtosecond. Công ty được thành lập vào năm 2005 với mục tiêu sử dụng công nghệ laser để sản xuất theo hợp đồng các bộ phận nhỏ cho ngành công nghiệp mang tính biểu tượng của quốc gia này, chủ yếu liên quan đến gia công cắt và khắc bằng tia laser. Ông Julien Montavon là giám đốc kỹ thuật và đồng sáng lập công ty TechnoCut, nói rằng: “Chúng tôi chọn laser femtosecond vì tính linh hoạt của nó; ngành công nghiệp chế tạo đồng hồ sử dụng rất nhiều loại vật liệu. Các bộ phận bên trong được làm bằng đồng thau, hợp kim đồng và thép. Tuy nhiên, đối với mặt số và kim đồng hồ, tất cả các loại kim loại và phi kim loại lạ đều có thể được sử dụng để tăng tính thẩm mỹ, giá trị thương hiệu và tính độc quyền. Ví dụ: gốm sứ, sợi carbon, xà cừ và tất nhiên là nhiều loại kim loại quý khác”. Ông Julien chỉ ra rằng tất cả các vật liệu này đều có thể dễ dàng cắt bằng laser femtosecond, thường không cần các bước xử lý hậu kỳ để đánh bóng như máy lồng quay (tumbling polishing) (6).
(6) Máy lồng quay: là một kỹ thuật để làm mịn và đánh bóng bề mặt thô ráp trên các linh kiện tương đối nhỏ theo phương pháp quay vòng, nhào trộn tạo ra sự cọ sát, tác động lên bề mặt sản phẩm.

Mặt đồng hồ xà cừ được cắt bằng tia laser femtosecond

Sử dụng tia laser để chống lại vi nhựa

Các nhà máy xử lý nước thải không thể lọc hết các hạt vi nhựa có trong nước thải. Bộ lọc vi nhựa đầu tiên được khoan bằng tia laser của công ty Klass-Filtertừ Eresing, đã được thử nghiệm thành công tại một nhà máy xử lý nước thải ở khu vực Walleshausen (CHLB Đức). Bộ lọc này gồm các tấm có các lỗ lọc nhỏ với đường kính chỉ 10 micromet. Công nghệ khoan hiệu quả hàng triệu lỗ lọc đã được phát triển tại viện Công nghệ Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT ở thành phố Aachen. Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Liên bang Đức – BMBF (German Federal Ministry of Education and Research) đã tài trợ dự án SimConDrill, do công ty Klass-Filter dẫn đầu và có sự tham gia của viện Fraunhofer ILT và các đối tác công nghiệp CHLB Đức như: công ty TNHH LaserJob từ khu vực Fürstenfeldbruck, công ty Lunovo từ khu vực Herzogenrath và công ty OptiY từ khu vực Estenfeld. Nhóm nghiên cứu Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources Caps, được điều phối bởi viện Fraunhofer ILT tại thành phố Aachen và viện Fraunhofer tại thành phố Jena, 13 viện Fraunhofer hiện đang nghiên cứu mở rộng quy mô công nghệ laser xung siêu ngắn lên phạm vi kW.

59 triệu lỗ lọc trong bộ lọc được khoan bằng tia laser để lọc vi nhựa từ nước thải đô thị

Để xem các tin bài khác về “Laser xung ngắn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: EMO Hannover