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激光打孔技术颠覆过滤器行业

2024-06-13 来源:中国过滤分离责任编辑:未填 浏览数:3106 中国过滤分离网

核心提示:激光打孔技术与传统电子束工艺相比,激光钻孔可生产高质量的过滤器零件,远比传统制造方法更节省成本。

     激光打孔技术与传统电子束工艺相比,激光钻孔可生产高质量的过滤器零件,远比传统制造方法更节省成本。

  光纤激光器是精密金属加工的首选工具。在金属切割应用中,光纤激光器因其兼具速度、灵活性和精确性而占据主导地位。多年前,航空航天业采用激光钻孔技术在高性能金属部件上打孔,以提高热性能。现在,光纤激光钻孔在生产效率和精度方面的进步已开始颠覆工业过滤器行业(图 1)。


  过滤器是一种多孔装置,可在材料通过时去除杂质。过滤产品的质量取决于滤孔的均匀性和清洁度。激光打孔是一种非接触式钻孔技术,没有相关的机械磨损,因此可以在覆盖较大表面的长期制造过程中保持良好的孔均匀性。在许多情况下,孔越小,过滤效果越好。激光尤其适合钻直径小于100微米的孔,而这些孔的尺寸对于化学蚀刻或机械冲孔等传统替代方法来说具有很强挑战性(图 2)。


  可持续发展政策为高性能过滤器创造了新的高要求,而激光钻孔技术恰恰能够满足这些要求。塑料回收厂熔化进入的垃圾,然后将液体通过一系列过滤器,再将过滤后的材料重新凝固成再生塑料颗粒原料。由回收塑料制成的产品,例如PET水瓶,必须符合食品和饮料行业的高标准。孔径在60-80 µm范围内的激光钻孔过滤器是一种经过现场验证的解决方案,可以满足这些高标准。

  激光钻孔材料

  通过将强光纤激光束聚焦到小至40微米的光斑直径,可对不锈钢等常见材料进行钻孔。强激光能以极高的速度熔化和气化金属,并具有极佳的一致性。高压喷嘴引导气体,有效去除液态和气态金属,使激光能够钻得更深。在很短的时间内,通常只有几十微秒,激光就能穿透背面,完成钻孔。激光关闭后,迅速重新定位,然后重复上述过程。这样,数百万个孔的过滤器以极快的速度制造出来,而且精度和均匀性都非常出色。激光钻孔的一个显著特点是自然锥度,即背面的出口直径小于输入端。这就产生了有用的漏斗效应,同时防止有害物质倒流通过过滤器。

  激光钻孔是一种灵活的技术,可采用多种方法优化孔的质量和产量。最简单的方法是单发钻孔,一次爆发的能量可穿透整个样品厚度。单发钻孔是吞吐量最高的技术,可使调制激光每秒产生数百个孔。

  多枪钻孔或冲击钻孔利用多次激光迸发,最大限度地减少穿刺基体所需的能量的总体热影响。冲击钻孔通常与振镜扫描仪和脉冲激光器配合使用,每秒可发出数万或数十万次激光。这种技术在精度和质量要求高于产量的微加工领域最受欢迎。通过在多个光点上重复扫描激光,可以在热影响区最小的情况下打出高质量的孔。多点钻孔技术在一定程度上抵消了其在产量方面的挑战,因为它能够并行打出许多孔(图 3)。


  三种激光钻孔技术

  第三种技术被称为 "螺旋钻孔"(trepanning),它以螺旋轨迹在周边移动激光能量,从而形成切割孔,而不是钻孔。对于较大的孔来说,穿孔是比较理想的,因为不需要消耗能量来去除切割区域的中心材料。穿孔时,可通过机械或光学方式移动激光光斑。大直径孔的质量非常好,但通常比单枪钻孔或冲击钻孔的速度慢。

  采用 "飞行 "技术可最大限度地提高产量,但需要精确的计时(图 4)。飞行 "技术是将钻孔头光学镜头连续移动到样品上,每个位置都不会停止钻孔。通过避免停止和启动时的惯性损耗,"飞行 "技术可最大限度地提高激光利用率和钻孔速度。


过滤器的制作通常是通过激光束在基板上连续光栅化的方式进行平行钻孔。为确保整个过滤器的精确间距和孔的质量,必须控制激光的热量输入,否则基片的热膨胀可能会向上弯曲。基板的外部区域被夹紧,以确保基板不会横向移动。在精度、质量和产量之间取得微妙但可重复的平衡是过滤器钻孔机的艺术所在。

 

  选择正确的激光、机器和打孔技术取决于基板材料类型、厚度和孔径要求。对于产量敏感的任务,尤其是在基材较厚、孔径较大的情况下,能够更好地抵御激光能量所带来的热负荷,能够进行单次钻孔的强大激光源是首选。

光纤激光器是一种灵活的激光源。通过调整激光和机器参数,可以轻松改变孔直径、锥度和间距等重要特征。与传统方法不同的是,激光钻孔的特征可以随时改变,从而使工具可以在单一基板上钻出多种类型的孔,而无需更换工具。

由于光纤激光器具有众多优点,因此越来越多地采用光纤激光器制造过滤器。任何其他技术都无法以极高的产量实现均匀度极佳的微孔。无论是为了实现可持续生产,还是为了更好地加工,使用光纤激光器制造过滤器都是一种越来越有吸引力的解决方案。

 

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