Рис. 1 – Процесс лазерной микрорезки
Физика процесса лазерной полировки
В основе лазерной микрорезки лежит преобразование оптической энергии лазерного излучения в тепловую, что приводит к локальному удалению материала (абляции). Механизм этого процесса существенно зависит от длительности лазерного импульса и свойств обрабатываемого материала.
Длинноимпульсные лазеры (наносекундные и микросекундные). При воздействии длинных импульсов абляция материала происходит преимущественно через механизм плавления и испарения. Лазерный импульс нагревает поверхность материала, формируя ванну расплава, часть которого испаряется. Давление отдачи паров вытесняет расплавленный металл из зоны реза. Характерной особенностью этого режима является значительная зона термического влияния, наличие оплавленных кромок, образование грата и продуктов абляции.
Ультракороткоимпульсные лазеры (пикосекундные и фемтосекундные). Принципиальное отличие ультракоротких импульсов состоит в том, что длительность импульса (10⁻¹²–10⁻¹⁵ с) значительно меньше характерного времени электрон-фононного взаимодействия (обычно единицы пикосекунд) и времени теплопроводности. В результате энергия лазерного импульса поглощается электронной подсистемой материала практически мгновенно, и лишь впоследствии передаётся решётке. Этот процесс описывается двухтемпературной моделью, в которой электронная и решёточная подсистемы характеризуются различными температурами.При достаточной плотности энергии материал переходит непосредственно из твёрдого состояния в парообразное или плазменное состояние, минуя стадию плавления. Это обеспечивает минимальную ЗТВ, отсутствие оплавления кромок и высокое качество обработки. Для прозрачных диэлектриков абляция фемтосекундными импульсами становится возможной благодаря многофотонному поглощению и лавинной ионизации, что делает процесс практически независимым от линейного поглощения материала на длине волны лазера.
Рис. 2 – результат лазерного сверления отверстий в жаропрочной пластине
Качество и эффективность лазерной микрорезки определяются комплексом параметров лазерного излучения, каждый из которых вносит свой вклад в результат обработки.
| Параметр | Описание и влияние |
|---|---|
| Длина волны (λ) | Определяет механизм поглощения энергии материалом. УФ-диапазон (193–355 нм) обеспечивает высокое поглощение большинством материалов. Видимый и ближний ИК диапазон (532–1064 нм) — основной для твердотельных лазеров. Дальний ИК (10,6 мкм, CO₂-лазеры) — эффективен для полимеров и органических материалов. |
| Длительность импульса (τ) | Фемтосекундные (< 1 пс) и пикосекундные (1–100 пс) импульсы обеспечивают абляцию с минимальной ЗТВ. Наносекундные (1–100 нс) импульсы дают бо́льшую ЗТВ и оплавление. |
| Плотность энергии (F) | Плотность энергии (Дж/см²) должна превышать порог абляции материала. Оптимальная плотность обычно составляет 1,5–5 пороговых значений для получения качественного реза. |
| Частота повторения (PRR) | Определяет скорость обработки. Типичные значения: от единиц кГц до МГц. Слишком высокая частота при недостаточной скорости сканирования ведёт к накоплению тепла. |
| Энергия импульса (E) | Связана с F через площадь пятна фокусировки. Типичные значения: от нДж до мДж в зависимости от задачи и материала. |
| Качество пучка (M²) | Определяет минимально достижимый диаметр фокального пятна. Для микрообработки требуется M² < 1,3. Волоконные лазеры обеспечивают M² ≈ 1,0–1,1. |
| Поляризация | Влияет на качество реза. Рекомендуется использовать циркулярную поляризацию для равномерного качества. |
Области применения технологии
Электроника и полупроводники
Электронная промышленность является крупнейшим потребителем систем лазерной микрорезки. Основные области применения включают резку и скрайбирование полупроводниковых пластин, формирование микроотверстий в печатных платах и подложках корпусов микросхем, резку стеклянных подложек дисплеев, а также подгонку тонкоплёночных резисторов.
Медицина и биоэлектроника
Лазерная микрорезка играет ключевую роль в производстве медицинских изделий: стентов (коронарных, нейрососудистых), имплантируемых электродов для стимуляции спинного мозга и мозга, нейроинтерфейсов, катетеров и микрохирургических инструментов. Развитие гибкой биоэлектроники стимулирует внедрение лазерной резки тонких металлических фольг и полимерных подложек для создания растяжимых интерконнектов и электродных массивов.
Рис. 3 – стенты, изготовленные с помощью лазерной резки
Показательным примером является использование наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм для резки серпантинных интерконнектов из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм, а также пикосекундного лазера с длиной волны 355 нм для резки титановой фольги толщиной 10 мкм при изготовлении гибких электродов для стимуляции спинного мозга.
Автомобильная и аэрокосмическая промышленность
Растущий спрос на электромобили и развитие автономного транспорта стимулируют потребность в прецизионных компонентах, изготавливаемых лазерной микрорезкой: датчиках, МЭМС-устройствах, силовых полупроводниковых модулях. В аэрокосмической отрасли лазерная микрорезка применяется для обработки жаропрочных сплавов и термобарьерных покрытий турбинных лопаток.
Оптика и фотоника
Лазерная микрорезка используется для изготовления дифракционных решёток, микролинзовых массивов, волоконно-оптических компонентов и интегрально-оптических устройств. Возможность обработки стекла и кристаллов без повреждения оптических свойств делает ультракороткоимпульсные лазеры незаменимым инструментом в этой области.
Микрофлюидика
Лазерная микрорезка и микроструктурирование используются для создания микрофлюидных чипов, применяемых в биоаналитике, диагностике и фармацевтических исследованиях. Лазер позволяет формировать каналы, камеры и отверстия в стекле, кварце и полимерных материалах с микронной точностью.
Лазерная резка медицинского нитинола
Здесь будет представлен обзор статьи из журнала «Advanced Engineering Materials» под авторством Otto C.R., Vaseghi M., Davami K. Это обширный литературный обзор, охватывающий историю и применения нитинола, микроструктуру материала, а также современные методы лазерной резки медицинского нитинола.
Рис. 4 – Нитиноловый пруток
Бинарный никель-титановый сплав (NiTi), коммерчески известный как нитинол, обладает двумя ключевыми свойствами, которые сделали его незаменимым в индустрии медицинских имплантатов. Первое — эффект памяти формы (Shape Memory Effect, SME): деформированный при низкой температуре материал восстанавливает исходную форму при нагреве выше температуры аустенитного превращения. Второе — псевдоупругость (суперэластичность): при температуре выше Af материал способен к значительным обратимым деформациям (до 8%) без пластической деформации.
Эти свойства позволяют создавать самораскрывающиеся стенты: устройство в сжатом виде доставляется через катетер к месту сужения сосуда и самостоятельно расширяется до запрограммированного диаметра при достижении температуры тела (~37°C). Авторы приводят примеры применений: каркасы транскатетерных сердечных клапанов с пятикратным сжатием диаметра, коронарные стенты, направляющие проводники с устойчивостью к перегибам и решётчатые структуры для лечения фибрилляции предсердий.
Авторы подробно рассматривают кристаллографию нитинола: аустенитная фаза B2 (кубическая решётка CsCl-типа) при охлаждении или под нагрузкой переходит в мартенситную фазу B19' (моноклинная решётка). Промежуточная R-фаза (ромбоэдрическая) также может участвовать в превращениях. Именно эти мартенситные превращения лежат в основе эффекта памяти формы и псевдоупругости.
Критически важно, что лазерная обработка может влиять на температуры фазовых превращений и, соответственно, на функциональные свойства имплантата. Как показала более поздняя работа той же группы, микросекундная лазерная резка снижает температуру Af примерно на 10%, а при мощности лазера выше 30 Вт наблюдается полная потеря псевдоупругости. Это подчёркивает необходимость тщательного контроля параметров обработки.
Рис. 5. – схема лазерной обработки нитинола
Ключевые проблемы и критерии качества
Центральная проблема, выделенная авторами: скорость фемтосекундной резки более чем в 4 раза ниже, чем у длинноимпульсных лазеров. Для конкурентоспособности на быстро растущем рынке медицинских имплантатов необходимо найти пути существенного повышения производительности без потери качества.
Авторы подробно анализируют несколько критических показателей качества. Шероховатость поверхности реза (Ra) непосредственно влияет на биосовместимость имплантата: грубая поверхность может инициировать формирование тромбов и провоцировать воспалительную реакцию. Ширина реза определяет минимально достижимый размер элементов конструкции стента. Грат — является основным дефектом при длинноимпульсной обработке и требует обязательного удаления.
Особое внимание уделяется проблеме миграции ионов никеля из имплантата. Низкое качество поверхности ускоряет высвобождение токсичных ионов Ni, что может приводить к рестенозу — повторному сужению сосуда. Исследования показали, что увеличение толщины оксидного слоя TiO₂ свыше 10 нм коррелирует с экспоненциальным ростом кумулятивного количества вымываемого никеля, что нежелательно для имплантатов. Это делает контроль качества поверхности при лазерной резке критически важным фактором безопасности имплантата.
Одним из наиболее значимых результатов, представленных группой авторов, стало исследование влияния ассистирующих газов на качество и скорость резки. Традиционно в литературе предполагалось, что для резки нитинола необходим инертный газ аргон. Однако экспериментальное сравнение пяти газов (кислород, аргон, азот, гелий и сжатый воздух) показало принципиально иную картину.
Кислород как реактивный ассистирующий газ обеспечил наилучшие результаты по всем критериям: скорость резки достигла 38,1 мм/с — в 4,5 раза выше по сравнению с традиционной резкой в аргоне. При этом шероховатость поверхности составила всего 0,48 мкм (против 0,85 мкм для аргона), а резы были полностью свободны от грата. Термография в процессе обработки показала различную динамику расплава: кислород создавал локальное повышение температуры примерно на 4%, тогда как аргон приводил к более обширному распространению тепла (в 1,5 раза шире).
Рис. 6. – сравнение качества реза при использовании аргона и кислорода
Авторы также отмечают улучшение качества реза при повышении частоты импульсов – это способствовало уменьшению шероховатости обработанной поверхности.
Рис. 7. – сравнение качества реза при различных направлениях резания
Как видно из рисунка 7, направление резания существенно влияет на сам рез, в результате чего видим, что при движении от точно зажима заготовки, весь грат улетает внутрь трубки, что провоцирует дальнейшее загрязнение реза, или его полную закупорку. В обратном случае грат свободно вылетал из трубки, что благоприятно сказалось на качестве реза.
Обзор систематизирует обширную литературу по лазерной микрообработке нитинола и формулирует ключевой технологический вызов отрасли: необходимость преодоления разрыва в производительности между высококачественной фемтосекундной резкой и высокоскоростной длинноимпульсной обработкой.
Основные выводы работы можно сформулировать следующим образом. Фемтосекундные лазеры обеспечивают непревзойдённое качество обработки, но их скорость в 4+ раза ниже, чем у длинноимпульсных лазеров. Использование кислорода вместо аргона в качестве ассистирующего газа — одно из наиболее перспективных решений, обеспечивающее одновременное повышение скорости в 4,5 раза и улучшение качества. Контроль фазовых превращений при обработке критически важен для сохранения функциональных свойств нитинола. Биорезорбируемые стенты третьего поколения дополнительно ускоряют внедрение ультракороткоимпульсных лазеров. Методы машинного обучения открывают возможности для систематической оптимизации многопараметрических лазерных процессов.
Статья представляет значительную ценность как для исследователей в области лазерных технологий и биоматериалов, так и для инженеров в промышленном производстве медицинских имплантатов. Авторы не только обобщают текущее состояние области, но и намечают конкретные пути решения ключевых производственных задач.
Заключение
Лазерная микрорезка прошла путь от лабораторной технологии до промышленного инструмента, незаменимого в целом ряде высокотехнологичных отраслей. Ключевую роль в этом трансформационном процессе сыграло развитие ультракороткоимпульсных лазеров — пикосекундных и фемтосекундных, обеспечивающих «холодную» абляцию с минимальной зоной термического влияния и возможность обработки практически любых материалов.
Современные тенденции развития технологии включают повышение средней мощности ультракороткоимпульсных лазеров, разработку пачечных режимов генерации, интеграцию искусственного интеллекта для оптимизации процессов, развитие гибридных методов обработки, а также снижение стоимости оборудования. Расширение областей применения лазерной микрорезки — от биоэлектроники и нейроинтерфейсов до электромобилей и возобновляемой энергетики — обеспечивает устойчивый рост рынка.
Ожидается, что дальнейший прогресс в области лазерных источников, систем формирования пучка, методов мониторинга и управления процессом, а также применение методов машинного обучения позволят выйти на новый уровень точности, производительности и экономической эффективности лазерной микрорезки, укрепив её позиции как одной из базовых технологий прецизионного производства XXI века.
Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»
Литература
-
Otto C.R., Vaseghi M., Davami K. Nickel–Titanium Alloy Laser Micromachining: A Review of Nitinol Laser Processes and Optimization for High-Speed Laser Cutting. Advanced Engineering Materials, 2024, 26, 2302112.
-
Otto C.R., Doroudi A., Vaseghi M., Davami K. The Effect of Assist Gas Type on Nitinol Microsecond Laser Cut Edges. Preprint, 2024.
-
Otto C.R., Davami K. Nitinol reactive oxygen assist gas laser micromachining: Demystifying the implications imposed upon pseudoelasticity and the shape memory effect. Materials Science and Engineering: A, 2024.
-
Chenrayan V. et al. Mitigation of bio-corrosion characteristics of coronary artery stent by optimising fs-laser micromachining parameters. 2024.
-
Muhammad N., Li L. Underwater femtosecond laser micromachining of thin nitinol tubes for medical coronary stent manufacture. Applied Physics A, 2012, 107, 849–861.
