Лазерная микрообработка на сегодняшний день — это самое активно развивающееся направление лазерных технологий в мире. Она позволяет достичь качественно нового уровня в скорости Производства и качестве полученных изделий, а в некоторых случаях является единственно возможной технологией.

Область применения лазерной микрообработки весьма обширна: резка, скрайбирование, сверление отверстий, сварка, пайка, отжиг, легирование, осаждение, чистка, полировка поверхностей, аддитивная технология и многое другое.
Промышленной лазерной микрообработкой в мире считается лазерная обработка материалов в микромасштабе с использованием лазеров со средней выходной мощностью (по большей части) до 500 Вт.
Согласно отчету, сделанному компанией Strategies Unlimited, в категории микрообработки находятся лазерные системы на основе различных лазеров: эксимерные, волоконные, импульсные твердотельные, импульсные дисковые лазеры и т. д.
В этом же отчете отмечено, что в 2017 году лазеры были интегрированы в промышленные системы в пяти основных подкатегориях лазерной микрообработки, занимая 32% из числа всех промышленных лазерных систем, проданных в 2017 году, из более чем 22 500 поставленных единиц.
Мировой сектор лазерной микрообработки начал свой стремительный рост в 2017 г. при поставках эксимерных лазеров для приложений, связанных с производством смартфонов. Число систем, использующих эти лазеры, увеличилось в 2017 году. Доходы от этих лазеров показали 48% рост. Поставка волоконных лазеров в категории <500 Вт в 2017 г. выросла на 15%. Толчком к росту стало их промышленное применение для микросверления и микросварки, а также поверхностной обработки материалов. Все подобные операции стали серийными производственными операциями. Твердотельные и дисковые лазеры также участвовали во многих из этих приложений микрообработки, а доходы от их поставок выросли на 11%. Этот рост был обеспечен интенсивным внедрением лазеров с использованием ультракоротких импульсов. Продажи маломощных CO₂‑лазеров в микрообработке получили свое развитие за счет их применения для микросверления, поставлено более 700 систем в Азии, рост 8% в доходах за 2017 год.

Новым толчком для развития обработки материалов стало появление промышленных лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) от нескольких сотен фемтосекунд до десятков пикосекунд и со средней мощностью до нескольких сотен ватт. Такие лазеры позволяют значительно уменьшить тепловое воздействие на обрабатываемые материалы. Нелинейные процессы, возникающие при взаимодействии обрабатываемых материалов с УКИ-лазерным излучением также очень важны, они широко исследуются и используются по тем же причинам, являясь новым инструментом в лазерных технологиях. Достаточно часто кроме прецензионности и уникальности применение УКИ-лазеров, как правило, позволяет исключить из производственного цикла один или несколько этапов постобработки изделий (например, очистки, полировки и т. д.), что в конечном итоге приводит к удешевлению изделия. Микрообработка УКИ-лазерами стала инструментом для преодоления существующих пределов и открытия новых горизонтов.

Рис. 1. Сферы применений лазерной микрообработки (М$, USA), январь 2018 г.

Рис. 2. Сравнение обычного и УКИ-воздействия (РЭМ-изображение)

На рис. 2 наглядно продемострировано преимущество УКИ-лазеров на примере взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса с обрабатываемым материалом. Отверстие, полученное с помощью фемтосекундного лазера, получилось очень чистым и с минимальной зоной теплового воздействия.
Долгое время микрообработка с помощью УКИ-лазеров была уделом только исследовательских систем по целому ряду причин: высокая стоимость, низкая эффективность, сложность. Более десяти лет назад ситуация в мире начала меняться, и на сегодняшний день разработка и производство УКИ-лазерных систем обработки материалов развивается быстрыми темпами (рис. 3). Россия также участвует в этом процессе. Компания «Авеста-Проект» из г. Троицка выпустила на рынок новый продукт: импульсный твердотельный иттербиевый фемтосекундный лазер с диодной накачкой, волоконным задающим оптическим генератором и перестраиваемой длительностью импульса, способный заменить импортные лазеры такого типа. Компания IPG Photonics (НТО «ИРЭ-Полюс») также выпускает линейку волоконных УКИ-лазеров. Список основных мировых производителей УКИ-лазеров представлен в таблицах 1 и 2.

Рис. 3. Внешний вид УКИ-лазеров

Производители промышленных лазерных систем и технологий для микрообработки:
Северная Америка
1. Cohernt, Control Micro Systems, Corning Laser Technologies, ESI Inc., IPG Microsystems, Laserage Technology Corporation, Microlution, OKAY Industries, OpTek Systems, OXFORD Lasers, PolarOnyx, Prima Power/ LASERDYNE, Spectra-Physics (Newport Corporation) — США.
2. PPI Systems Inc. — Канада.

Европа
1. 3D-Micromac, InnoLas Solutions, INNOVAVENT, JENOPTIK, LPKF Laser & Electronics, ROFIN-SINAR, TRUMPF — Германия.
2. Primoceler — Финляндия.
3. SYNOVA — Чехия.
4. OXFORD Lasers — UK.
5. WOP / ELAS — Литва.
6. ГК «Лазеры и аппаратура», Лазерный центр — Россия.

Азия
1. ACCRTECH (Tokyo Semitsu), AMADA, DISCO Corporation, Hitachi Corporation, Laser Systems Co. Ltd, Mitsubishi Diamond (MDI), Opto System Co. Ltd., Panasonic Microelectronics, Toshiba Corporation — Япония.
2. EO Technics, Korea Semiconductor, System Co. Ltd, Samsung Electronics — Корея.
3. Deli Laser Solutions, Delphi Laser, GUANGDONG ZHENGYE TECHNOLOGY, Han’s Laser, Yenchen Machinery Co. Ltd.— Китай.
4. Foxconn — Тайвань – Китай.

На рис. 4 представлены фотографии некоторых систем для микрообработки. Отечественными производителями ГК «Лазеры и аппаратура» и ЗАО НИИ «ЭСТО» из Зеленограда, активно работающими в области разработки и продвижения оборудования для лазерной микрообработки, изготавливаются и поставляются промышленные системы, в т. ч. с УКИ-лазерами. Одна из систем собрана с использованием фемтосекундного лазера компании «Авеста-Проект» средней мощностью 20 Вт (рис. 5). Для достижения универсальности в этом же станке используется второй лазер — маломощный СО₂ известного немецкого производителя. Станок оснащен кинематической системой на линейных моторах прямого типа собственного производства. Его гранитное основание обеспечивает высокую стабильность работы. Система управления и программное обеспечение, поставляемое со станком, делают его управление легким и функциональным. Наличие в компании технологической лаборатории на базе собственных лазерных установок, необходимых средств и оснастки для микрообработки и последующих измерений дает возможность проводить технологические исследования и на их основе постоянно расширять функционал оборудования.

Рис. 4. Лазерные системы микрообработки     

Рис. 5. 3D-модель экспериментальной фемтосекундной установки ГК «Лазеры и аппаратура» с защитными панелями и без них

Потребности России в лазерных системах очевидны. Развитие лазерной микрообработки материалов позволит России получить свои собственный самые передовые и конкурентоспособные технологии в полупроводниковой, электронной, медицинской, автомобильной, атомной, военной и других отраслях.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2018