Del 26 al 27 de abril, la comunidad de desarrolladores y usuarios de láseres de pulso ultracorto (USP) se reunió en Aquisgrán con motivo del 7º Taller USP. Además de conocimientos técnicos, esta vez también se trató de recuerdos compartidos, porque
El taller es también una reunión familiar, y la "familia" está creciendo y prosperando: había un agradable número de caras jóvenes entre los cerca de 150 participantes.
El taller proporcionó información sobre los fundamentos de la tecnología USP y ofreció una visión general de los avances actuales en el campo de las fuentes de haz USP y la tecnología de sistemas necesaria. La atención se centró en soluciones individuales de conformación de haces optimizadas para procesos específicos. Se presentaron las últimas aplicaciones y procesos basados en láser, que amplían los límites de las tecnologías anteriores en cuanto a velocidad de proceso, calidad, precisión y ancho de banda del material. La gama de aplicaciones abarcó desde la electrónica al almacenamiento de energía, pasando por el tratamiento del vidrio y la microelectrónica. A continuación se presentan brevemente algunas ponencias seleccionadas:
El rayo láser modulado para el proceso perfecto
Los láseres pulsados ultracortos pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones en el procesamiento láser de materiales. Su eficacia es aún mayor si los pulsos láser se manipulan de forma óptima en el espacio y el tiempo. La importancia de esto para las nuevas fuentes de alta potencia con 300 W y más quedó demostrada en el "7th UKP Workshop Ultrafast Laser Technology" celebrado en Aquisgrán. También se pudo ver cómo los láseres UKP hacen mucho más eficientes los electrodos de las baterías de los coches eléctricos o los sistemas de hidrógeno.
Aumentan las fuentes secundarias
Las fuentes secundarias son fuentes de haz en las que la radiación láser de alta intensidad se transfiere a otros rangos espectrales que suelen estar muy alejados de la longitud de onda del láser. Puede tratarse de radiación especial de rayos X, pero también se está hablando de haces de electrones e incluso de protones.
Hasta la fecha, el fabricante de láseres y máquinas Trumpf, en particular, ha sido pionero en este campo con la fuente Extreme Ultra Violet (EUV) para la empresa ASML. Sin embargo, dado que para las fuentes secundarias se requieren láseres extremadamente potentes, nadie había creído realmente en su relevancia en el mercado hasta ahora. El Dr. Torsten Mans, jefe de producto de fuentes secundarias de Trumpf, ha cambiado esta situación con su presentación. Al parecer, la empresa está aunando los conocimientos de diversos ámbitos para alcanzar intensidades de hasta el rango de los teravatios con láseres USP de alta repetición bombeados por diodo. Mans prevé aplicaciones iniciales en metrología en el sector de los semiconductores. Si se consiguen sustituir los grandes aceleradores como fuentes de haces, los complejos procedimientos de ensayo podrían pasar de la investigación a la producción o podrían hacerse posibles nuevas terapias en el sector sanitario.
Los participantes en el taller fueron recibidos en la sede del evento, "Das Liebig", en Aquisgrán.
La modulación del haz en el espacio y el tiempo aumenta la productividad
¿Qué ocurre cuando la radiación láser pulsada marca una curva en la pieza durante el procesamiento? Se ralentiza, la distancia entre los pulsos se reduce y el contorno se hace más grueso. El fabricante de láser Amplitude ha abordado este problema y ofrece un sistema de control de pulsos individuales que puede, por ejemplo, regular la distancia entre pulsos individuales en un contorno. Ya sean ráfagas de GHz, pulsos individuales o frecuencias de secuencia de pulsos ajustables, el control flexible de la secuencia de pulsos se está convirtiendo actualmente en el estándar de los láseres USP. Esto permite diseñar procesos para obtener la máxima productividad.
¿Qué ocurre cuando la radiación láser pulsada marca una curva en la pieza durante el procesamiento?
La situación es similar en el caso de la modulación espacial, y en Aquisgrán se presentaron varias innovaciones interesantes en este campo. La primera fue presentada por Gwenn Pallier, de la empresa francesa Cailabs: La reflexión repetida en una placa de fase (Multiplane Light Conversion MPLC) se utiliza para manipular los pulsos láser de tal forma que, por ejemplo, se suprimen los modos superiores y se mejora la profundidad de campo. El profesor Carlo Holly, de la Universidad RWTH de Aquisgrán, demostró algo parecido. Utiliza la inteligencia artificial en el diseño óptico. Para ello, Holly utiliza dos elementos ópticos difractivos conectados en serie para manipular la propagación del haz láser en tres dimensiones. Esto no sólo le proporciona perfiles de haz especiales, sino que también aumenta considerablemente la profundidad de campo.
Electrodos de hidrógeno o pantallas OLED: la productividad es la clave
El profesor Arnold Gillner, coorganizador del taller, comenzó la conferencia resumiendo lo que se ha conseguido en el campo de los láseres USP industriales. La funcionalización de superficies encabeza la lista de aplicaciones. Los láseres USP pueden aumentar la superficie de los electrodos y mejorar así considerablemente la eficacia tanto de las pilas como de los electrodos de hidrógeno. "Las superficies que hay que tratar son del orden de kilómetros cuadrados", explica Gillner al describir la demanda de esta aplicación.
Desde hace años, los láseres USP desempeñan un papel importante en la fabricación de teléfonos inteligentes. El Dr. Stefan Janssen ofreció ejemplos de su trabajo en LG-Electronics PRI, en Corea. Un detalle interesante fue la óptica de imagen para procesar OLED de polímero: con un peso de 24 kg, son inusualmente grandes, pero permiten procesos más productivos. Janssen describe como próximos pasos el potencial de las ráfagas fs de energía modulada y el control de los intervalos de pulsos en contornos de forma libre durante el procesamiento del vidrio. El control de procesos y el mantenimiento predictivo son también temas apasionantes para él, como ocurre a menudo con la producción 24/7.
La presentación del Dr. Stephan Eifel, de Pulsar Photonics, también se centró en el aumento de la productividad. Además de máquinas estándar, la empresa está especializada en máquinas especiales con óptica multihaz para sacar más partido de un solo láser USP. Eifel ve una tendencia hacia mayores volúmenes de ablación por componente: "Hablamos de volúmenes del orden de 10.000 mm³ y más". La disponibilidad de fuentes láser más potentes y de moduladores para los haces es una buena noticia para él. "Ahora las máquinas tienen que hacer frente a largos tiempos de procesamiento". Prevé 100 horas o más para un componente. Ese es el tiempo que las máquinas tienen que funcionar de forma fiable y estable para componentes grandes.
La paralelización es el camino hacia una mayor productividad. Dividir un haz en varios, cada uno de los cuales aplica a continuación haces parciales a la pieza de trabajo a través de varios escáneres y otras ópticas multihaz: así es como se implementa en las máquinas de Pulsar Photonics. En el ejemplo mostrado, hay 24 haces en paralelo sobre la pieza de trabajo a una velocidad de avance de más de 1 m/s. Más velocidad es sin duda deseable. La producción se controla con 100 mediciones por segundo. El mayor reto en este momento es el procesamiento de datos en tiempo real.
Dos visitas virtuales al laboratorio
Además de las presentaciones y de las numerosas oportunidades para mantener conversaciones personales, una parte importante del taller fueron las visitas digitales a los laboratorios del Fraunhofer ILT. Durante la pandemia, esto sólo fue posible mediante transmisión en directo. Esto se adoptó para el 7º taller UKP, ya que la visita virtual eliminaba la necesidad de desplazarse al instituto y la cámara podía captar perspectivas que serían difíciles de alcanzar para los visitantes normales. La primera visita fue al BatteryLab. Allí se investigan desde 2020 los procesos de producción basados en láser para la fabricación de baterías. "Es crucial vigilar toda la cadena de producción", dice Reininghaus, describiendo la estrategia. Se están investigando los distintos pasos de la cadena de producción, con el objetivo de aumentar la productividad en todos ellos.
El aumento de la productividad también fue el tema central de la segunda visita al laboratorio. Allí se presentó un nuevo sistema láser UV multihaz. Utiliza 64 haces parciales modulados individualmente, como explicó Martin Osbild in situ. El sistema de 4 x 5 metros se someterá a pruebas exhaustivas hasta junio de 2023 y después se utilizará como laboratorio de aplicaciones para clientes y socios del Fraunhofer ILT.
Resumen del taller
Al final del taller, el profesor Gillner volvió a resumir las tendencias: "Por un lado, hemos vuelto a tener interesantes perspectivas sobre temas de futuro como las trampas de iones para aplicaciones de tecnología cuántica o el potencial de las fuentes secundarias. Por otro, la tecnología USP ha llegado a la práctica con los enfoques de escalado ya disponibles. Aborda megatendencias en la tecnología del hidrógeno y las pilas". El abanico de aplicaciones sigue creciendo, apoyado por unas fuentes y una tecnología de procesos más potentes.
Fotos: Fraunhofer ILT, Aquisgrán
