La nueva generación de tecnología de inyección directa en el cilindro es la tecnología principal en el campo de los motores de automóviles. Inyecta con precisión combustible en el cilindro a través del inyector de combustible y se mezcla completamente con el aire de admisión para dar pleno funcionamiento al efecto de cada gota de combustible.

Como puede verse en la figura siguiente, hay microporos distribuidos en el inyector, cuyo diámetro es inferior a 150 micras. El diámetro del orificio, la rugosidad de la superficie, la posición, la forma, etc., afectarán directamente el rendimiento del inyector, por lo que existen requisitos de procesamiento estrictos. Al mismo tiempo, para lograr la rentabilidad, se requiere controlar el tiempo de procesamiento de cada microagujero en unos pocos segundos.

Entonces, el problema es que los requisitos de procesamiento de los microagujeros del inyector superan con creces la capacidad de la tecnología de perforación mecánica tradicional. ?Qué proceso se utiliza para procesar con precisión estos microagujeros?

Método de procesamiento tradicional frente a tecnología innovadora de procesamiento de microagujeros

En la actualidad, los métodos comunes de mecanizado de microagujeros del inyector incluyen principalmente perforación mecánica, EDM y mecanizado láser de femtosegundo.

El costo de la perforación mecánica es el más alto. Debido a que la herramienta para perforar orificios peque?os es costosa, fácil de usar en el proceso de mecanizado y la herramienta tiene riesgo de fractura, lo que afecta directamente la consistencia del procesamiento de microagujeros y el rendimiento del producto, y el costo de los consumibles es alto.

Aunque EDM es un poco más flexible que la perforación mecánica en tama?o, su eficiencia de mecanizado es baja y la rugosidad de la superficie no es la ideal. Especialmente, habrá una capa de refundición en la superficie maquinada. Al mismo tiempo, también debemos considerar el costo del electrodo y la estabilidad del proceso.

Sin embargo, el láser de femtosegundo no puede producir calor en el proceso de procesamiento, y el microagujero procesado por el láser de femtosegundo no tiene capa de refundición ni rebabas, lo que puede obtener un borde afilado más claro y una mejor calidad de superficie, lo que prolonga la vida útil de la boquilla.

Tomando como ejemplo un agujero con un diámetro de 150 μm y una profundidad de 0,5 mm, se comparan los resultados de mecanizado de EDM y láser de femtosegundo.

El lado izquierdo de la figura muestra el microagujero mecanizado por electroerosión y el lado derecho muestra el microagujero mecanizado por láser de femtosegundo

Vale la pena mencionar que no estamos familiarizados con el procesamiento láser. Entonces, ?cuál es la diferencia entre el láser de femtosegundo y el láser de nanosegundo y el láser de picosegundo que escuchamos a menudo?

Primero aclaremos la conversión de unidades de tiempo.

1 ms = 0,001 s = 10^-3s 

1μs=0.000001s=10^-6s?

1ns=0.0000000001s=10^-9s

1ps =0.0000000000001s=10^-12s

1fs =0.000000000000001s=10^-15s

Si entendemos la unidad de tiempo, sabremos que el láser de femtosegundo es un procesamiento de láser de pulso extremadamente corto, por lo que solo puede ser realmente competente para el procesamiento de alta precisión.

Hay orificios de perforación con láser de nanosegundos, orificios de perforación con láser de picosegundos y orificios de perforación con láser de femtosegundos

Mecanismo de trabajo del láser de femtosegundo

Cuando el láser de femtosegundo actúa sobre el procesamiento de metales y no metales, el principio es completamente diferente. Hay una gran cantidad de electrones libres en la superficie del metal. Cuando el láser irradia la superficie metálica, los electrones libres se calentarán instantáneamente y los electrones chocarán en decenas de segundos voladores. Los electrones libres transmitirán energía a la red cristalina y formarán huecos. Sin embargo, la energía de la colisión de electrones libres es mucho menor que la de los iones, por lo que lleva mucho tiempo conducir la energía. Sin embargo, este problema ha sido resuelto por científicos chinos.

Cuando el láser de femtosegundo actúa sobre materiales no metálicos, debido a que hay pocos electrones libres en la superficie de los materiales, la superficie de los materiales debe ionizarse antes de la irradiación láser y luego se generan electrones libres. Los enlaces restantes son consistentes con los materiales metálicos. Cuando se utiliza un láser de femtosegundo para procesar microagujeros, se forma un peque?o hoyo en la etapa inicial. Con el aumento del número de pulsos, aumenta la profundidad del pozo. Sin embargo, con el aumento de la profundidad, es cada vez más difícil que los escombros salgan volando del fondo del pozo. Como resultado, la energía de propagación del láser hacia el fondo es cada vez menor y no se puede aumentar el estado de saturación de la profundidad, es decir, se perfora un microagujero.

Aplicación de la nueva tecnología láser de femtosegundo

La aplicación de la nueva tecnología de láser de femtosegundos apenas está surgiendo. Las principales industrias de aplicación incluyen: industria de semiconductores, industria de energía solar (especialmente tecnología de película delgada), industria de pantallas planas, microfundición de aleaciones, procesamiento de estructuras de electrodos y aberturas de precisión, procesamiento de materiales difíciles de aviación, equipos médicos y otros campos.

En el contexto de Made in China 2025, la industria manufacturera industrial tradicional se enfrenta a una profunda transformación. Una de las direcciones es mejorar la eficiencia y recurrir al procesamiento de precisión de alta gama con mayor valor agregado y mayores barreras técnicas. El procesamiento láser está totalmente en línea con este tema. Los láseres y los equipos de procesamiento láser han surgido en los campos de fabricación 3C de gama alta, como la producción de módulos de pantalla táctil electrónica de consumo, el corte de obleas de semiconductores, etc., y muestran nuevas perspectivas de aplicación en el procesamiento de zafiro, la producción de vidrio curvo y cerámica.

industria 3c

Como representante típico del láser de pulso ultracorto, el láser de femtosegundo tiene las características de ancho de pulso ultracorto y potencia máxima ultraalta. Tiene una amplia gama de objetos de procesamiento, especialmente adecuados para el procesamiento de materiales frágiles y materiales sensibles al calor como zafiro, vidrio, cerámica, etc., por lo que es adecuado para la industria de microprocesamiento en la industria electrónica.

La razón principal es que la aplicación del módulo de identificación de huellas dactilares en los teléfonos móviles desde el a?o pasado ha llevado a la compra de láser de femtosegundos. El módulo de huellas dactilares implica el procesamiento láser: ① troceado de obleas, ② corte de virutas, ③ corte de cubiertas, ④ corte y perforación de contornos de tablero blando FPC, ⑤ marcado láser, etc. Entre ellos, se procesan principalmente la placa de cubierta de zafiro/vidrio y el chip IC. Apple 6 ha utilizado oficialmente la identificación de huellas dactilares desde 2015 y ha promovido la popularidad de varias marcas nacionales. En la actualidad, la tasa de penetración de la identificación de huellas dactilares es inferior a 50%. Por lo tanto, todavía hay un gran espacio de desarrollo para la máquina láser utilizada para procesar el módulo de identificación de huellas dactilares.

Al mismo tiempo, la máquina láser también se puede utilizar para perforar PCB, cortar obleas, etc., y el campo de aplicación está en constante expansión. Especialmente con la aplicación de materiales frágiles de alto valor agregado como el zafiro y la cerámica en los teléfonos móviles en el futuro, los equipos de procesamiento láser se convertirán en una parte importante de los equipos de automatización 3C. Creemos que el láser de femtosegundo desempe?ará un papel amplio y profundo en el campo de los equipos de procesamiento automático 3C en el futuro.

motor de avión

Durante mucho tiempo, la tecnología de fabricación de motores de China siempre ha sido un cuello de botella que restringe el desarrollo de la industria aeroespacial. La calidad de los productos no está a la altura de dos aspectos: uno es la tecnología material; el otro es la tecnología de procesamiento de materiales. ?La perforación con láser de femtosegundo resuelve este problema!

En el campo aeroespacial, la turbina de gas es el primero de los tres componentes clave del motor y su rendimiento determina directamente la calidad del motor. Sin embargo, la temperatura de trabajo del álabe de la turbina del motor aeronáutico es de al menos 1400 ℃, por lo que es necesario utilizar una tecnología de enfriamiento precisa para las piezas de alta temperatura, especialmente los álabes.

El enfriamiento de la hoja generalmente se logra mediante una gran cantidad de orificios de película con diferentes diámetros. El diámetro del orificio es de aproximadamente 100 ~ 700 μm y la distribución espacial es compleja. La mayoría de ellos son agujeros inclinados con ángulos que van desde los 15° hasta los 90°. Con el fin de mejorar la eficiencia de enfriamiento, la forma de los agujeros es a menudo en forma de abanico o rectangular, lo que trae una gran dificultad para el mecanizado. En la actualidad, el método principal es EDM de alta velocidad, pero la fabricación de electrodos de herramientas es extremadamente difícil, las piezas procesadas son fáciles de usar, la velocidad de procesamiento es lenta, es difícil eliminar las virutas de mecanizado en el orificio, no es fácil de disipar el calor, por lo que no es adecuado para la producción en masa.

Además, la superficie de los álabes de los motores modernos suele estar cubierta con una capa de revestimiento de barrera térmica, que suele ser de material cerámico, que no se puede mecanizar mediante EDM tradicional, que es la tecnología clave de la fabricación avanzada de motores en el futuro. Con el desarrollo de la no metalización de los materiales de las palas de los motores, la electroerosión por electroerosión es menos fiable. El mecanizado por láser de femtosegundo tiene muchas ventajas, como una amplia adaptabilidad, alta precisión de posicionamiento, sin deformación mecánica, sin contacto directo, etc. Es muy adecuado para mecanizar microagujeros.

atención médica

En la actualidad, todo láser de femtosegundo utilizado en el tratamiento refractivo oftálmico debe ser uno de los dispositivos más maduros en la aplicación médica de la tecnología de femtosegundo. También hay procesamiento de expansores, endoscopios y catéteres, etc.

En el tratamiento médico, en comparación con el láser de pulso largo, la energía del láser de femtosegundo está altamente concentrada, casi no hay efecto de transferencia de calor durante la acción, por lo que no causará un aumento de la temperatura del entorno circundante, lo cual es muy importante en la aplicación médica de cirugía laser. Por un lado, varios grados de aumento de temperatura se convertirán en ondas de presión en un instante y se transmitirán a las células nerviosas para producir dolor. Por otro lado, puede causar da?os fatales a los tejidos biológicos. Por lo tanto, el láser de femtosegundo puede lograr un tratamiento seguro, indoloro y no invasivo.

Avance en la tecnología de perforación láser de femtosegundos

Aunque la tecnología de perforación láser de femtosegundo tiene tal poder mágico, su desarrollo también es muy difícil, especialmente en los esfuerzos de integración de sistemas e ingeniería tecnológica, existen varias dificultades y la potencia de salida también es limitada. Además, cómo formar un conjunto completo de industria de procesamiento microporoso también es un problema mundial. Sin embargo, gracias a los esfuerzos de los científicos chinos, no solo nos hemos dado cuenta de la practicidad y la integración del sistema, sino que también hemos inventado la tecnología de procesamiento de tornillos, que se puede personalizar de forma privada con diferentes formas de microporos, que se puede decir que es líder. posición en el mundo.

Hoy en día, con la actualización gradual de los estándares de emisión en la industria automotriz en el país y en el extranjero, los desafíos para los fabricantes de inyectores y sus OEM son cada vez más serios. Los agujeros redondos tradicionales no pueden satisfacer las necesidades de los clientes. Los fabricantes buscan y desarrollan constantemente formas de boquillas especiales y novedosas para cumplir con los requisitos. La flexibilidad y las ventajas del procesamiento por láser de femtosegundos son cada vez más obvias.

Formas especiales y novedosas de orificios de rociado