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Microlavorazioni Laser

Che cos’è e come funzionano le Microlavorazioni Laser

La costante tendenza alla miniaturizzazione tecnologica dei dispositivi meccanici, ottici ed elettronici sarà un driver per lo sviluppo futuro. Sempre più piccolo, leggero e sottile è il paradigma dello sviluppo dei prodotti del ventunesimo secolo.

Le microlavorazioni Laser sono lo strumento principale con il quale si può ottenere una microfabbricazione spinta fino oltre la soglia del singolo micrometro (un milionesimo di metro). Il principio di base per arrivare a questi livelli di precisione nelle lavorazioni è quello di utilizzare l’energia della radiazione quasi totalmente per interagire chimicamente con il materiale (strappare legami elettronici), evitando di scaldare con effetti collaterali di tipo termico. Questo procedimento prende il nome di “ablazione fredda” e la si può ottenere con sorgenti di ultima generazione a impulsi ultra corti (USP) di durata nell’ordine del picosecondo(10-12s) o del femtosecondo(10-15s), che permettono di trasmettere al materiale alti picchi energetici in maniera impulsiva nel tempo. Un’altra importante sfida per i sistemi di microlavorazione laser è raggiungere le produttività elevate necessarie per settori industriali ad alto volume. Per fare questo non sempre è sufficiente aumentare la potenza media della lavorazione in quanto gli effetti non lineari degli assorbimenti creerebbero le zone con un effetto termico (HAZ) in cui l’accuratezza della lavorazione sarebbero compromesse. Per ovviare a questo inconveniente fisico si opta per l’utilizzo degli impulsi Burst o treni d’impulso, che creano una modulazione della fluenza (J/cm2) tale da non superare la soglia termica e di massimizzare la velocità di ablazione.

Settori Applicativi Microlavorazioni Laser

Molti sono i settori che utilizzano parti o prodotti che richiedono lavorazioni di dimensioni estremamente ridotte e sempre più in futuro saranno le applicazioni interessate. Vediamo alcuni esempi di applicazioni:

Microlavorazioni Automotive

L’automotive è un settore trainante per la ricerca e anche le microlavorazioni vengono utilizzate in diversi ambiti applicativi. Una delle più consolidate applicazioni è quella relativa alla realizzazione dei Fori per gli iniettori di carburante, ma anche per la realizzazione di filtri per diesel e benzina o per la realizzazione di sensori smart sempre più presenti nei nostri autoveicoli. Le auto sportive o le emergenti auto elettriche hanno fatto emergere la necessità di utilizzo di fibre composite resistenti e ultraleggere ma difficili da lavorare. I laser USP hanno risolto i problemi legati al taglio, la foratura o la lavorazione superficiale.

Microlavorazioni Medicale

Il settore medicale e le biotecnologie sono una delle applicazioni più frequenti per le microlavorazioni laser, in particolare per la componentistica relativa alla Microfluidica (micro-filtri, micro-pompe, cateteri, etc.). Inoltre, vengono utilizzate per creare dispenser per medicinali e nebulizzatori, stents e patch transdermiche.

Microlavorazioni Elettronica

L’elettronica è sicuramente il settore che maggiormente fa uso delle macchine per microlavorazioni Laser, in particolare per la produzione di PCB con micro tagli e micro fori (vias), per creare lamine serigrafiche (Solder mask Stencil), per la produzione di display, per il trimming componenti elettronici, per la realizzazione e lo structuring di MEMS o per la realizzazione di circuiti RFID di dimensioni sempre più contenute.

Stampi

Nel settore degli stampi le macchine per le microlavorazioni Laser vengono utilizzate per il texturing superficiale. Spesso settori come l’automotive e l’elettronica di consumo necessitano di particolari trame superficiali per simulare l’effetto della pelle o per dare al tatto particolari sensazioni. Queste fabbricazioni vengono effettuate creando stampi con particolari lavorazioni superficiali, spesso in 3D, che richiedono laser molto precisi.

Aerospace

L’aerospazio è un settore estremo per materiali e tecnologia e anche qui le microlavorazioni Laser hanno un ruolo. Le lavorazioni superficiali di turbine e palette aeronautiche, le lavorazioni dei materiali compositi, le lavorazioni per antenne spaziali (a film sottile) sono solo alcuni esempi del loro utilizzo.

Photovoltaic & Semiconductors

Nella produzione di componenti a semiconduttore le microlavorazioni Laser vengono impiegate per le operazioni sui dischi di silicio per la separazione e la strutturazione superficiale dei chip (dicing, scribing).

Orologi

La produzione di orologi è uno dei settori che storicamente hanno sempre avuto bisogno di microcomponenti. La microstrutturazione di ingranaggi e piccole parti per orologi è roba da Microlavorazioni Laser. Inoltre, anche le micro incisioni e le finiture estetiche superficiali delle casse sono altre applicazioni diffuse.

Biotech

Questo nuovo settore ha necessità crescenti di utilizzare le microlavorazioni Laser specialmente per la lavorazione di particolari vetri e filtri speciali da laboratorio o per gli innovativi Lab on chip impiantabili e non che riescono a monitorare le funzioni umane con tecnologie ultra ridotte come dimensioni.

Energia

L’energia e la sfida alle risorse rinnovabili è uno dei temi più caldi del nostro periodo. Le microlavorazioni Laser sono impiegate anche in questo importante settore, per la produzione di pannelli solari (thin film patterning, pulizia dei conduttori e dei bordi del pannello).

Un settore in grande espansione è quello delle Batterie agli ioni di Litio. Lavorazioni come il taglio degli elettrodi e dell’isolante, la micro saldatura o la lavorazione superficiale vengono eseguiti con macchine per microlavorazioni Laser.

La produzione di LED a basso consumo energetico è un’altra applicazione diffusa per lo scribing, dicing e marcatura laser.

Tipi di Microlavorazioni Laser

Micro Taglio e Micro Foratura

Le lavorazioni che richiedono tagli o fori nel campo delle misure micrometriche necessitano di sistemi di ablazione di materiali con spot molto piccoli e con zona di effetto termico del Laser (HAZ), di limitate dimensioni. Inoltre, è necessario evitare residui di lavorazione per evitare pulizie successive che farebbero perdere tempo e ridurrebbero la precisione della lavorazione. Le fabbricazioni di micro componenti (ingranaggi, perni, leve, etc.), viene anche chiamata microstructuring e il taglio è una fondamentale lavorazione per ottenerli. Per quanto riguarda i fori si possono ottenere forme e geometrie specifiche in base alle esigenze dell’applicazione, creando svasature in ingresso in uscita o passaggi estremamente lineari.

Micro Ablazione Laser (Micro Incisione)

Le micro ablazioni laser si utilizzano per creare micro incisioni sul materiale per creare dei pattern o semplicemente degli scavi di qualsiasi natura geometrica. A volte queste lavorazioni hanno uno scopo funzionale e servono per cambiare le caratteristiche superficiali del materiale (bagnabilità, idrorepellenza, etc.).

Una importante applicazione legata alla micro ablazione è la rimozione di film sottile depositato su substrato, che ha vasta applicazione per i settori elettronici e dei semiconduttori.

Micro texturing

Questa particolare lavorazione viene utilizzata per creare su una superficie una geometria periodica nello spazio atta a conferire una caratteristica funzionale o estetica. Le superfici possono essere in 3D e di ampia dimensione. L’utilizzo principale è per la produzione di stampi per particolari di elettronica di consumo o automotive.

Micro Marcatura

Questa lavorazione serve a mettere loghi e codici su materiali di ridotte dimensioni come componenti elettronici miniaturizzati o in tutt’altro settore, per l’identificazione dei diamanti.

Materiali e Microlavorazioni Laser

Ceramica
Rame
Acciaio
Carta
Carbonio
Cartone
Oro
Plastica
Legno
Ferro
Vetro
Pelle

I materiali utilizzabili per i processi di microlavorazioni sono molti in quanto l’interazione tra materia e luce avviene utilizzando sorgenti a impulsi ultra corti (USP), con grandi picchi energetici d’impulso che agisco sui legami chimici dei materiali. Per questo motivo si ha un’ampia gamma di scelta nei materiali idonei anche grazie alle lunghezze d’onda dei laser USP utilizzabili: UV (355nm), Verde (532nm), IR (1064).

Metallo Aerospazio, automotive, orologi (ampio utilizzo anche per superleghe adatte ad alta temperatura)

Polimeri plastici Microfluidica, sensori

Vetro, Ceramica Materiali duri e isolanti (microfluidica e sensoristica microattuatori)

Semiconduttori Elettronica e fotovoltaico

Perché preferire le microlavorazioni Laser ad altre tecnologie

Volendo fare un confronto di alto livello tra i processi laser e meccanici possiamo dire che le lavorazioni laser sono un processo senza contatto (quindi senza usura di utensili o consumabili), che può ottenere una maggiore precisione e qualità (nessuna lavorazione di finitura necessaria), per ottenere particolari più piccoli, una migliore ripetibilità e possiede la flessibilità per lavorare quasi ogni materiale (ad esempio non possibile con EDM).Inoltre il processo non implica l’utilizzo di agenti chimici o di particolari fonti energetiche (green process).

In particolare, possiamo vedere un confronto sui livelli di precisione ottenibili:

Precisione

  • Laser: <1µm
  • EDM: 100 µm (con consumabili e con necessità di finitura successiva)
  • Micro fresatura: 100 µm (con consumabili e con necessità di finitura successiva)
  • Etch chimico: 200 µm (con materiale chimico tossico da gestire)