Los láseres pulsados ultrarrápidos (USP) ya son habituales hoy en día en la producción de pantallas, y en los próximos años se añadirán aún más aplicaciones y de mayor envergadura.
En el 6º "Taller USP: Tecnología láser ultrarrápida", organizado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT de Aquisgrán, se presentaron la tecnología necesaria y los procesos adecuados. El espectro abarca desde fuentes de haces ultrarrápidos hasta procesos que pueden utilizarse para aumentar miles de veces la superficie de un electrodo metálico para la producción de hidrógeno.
Los expertos de UKP se reúnen en Aquisgrán cada dos años desde 2011 para debatir nuevas ideas y tendencias de la industria y la investigación en un ambiente personalizado. Este año, el evento de networking tuvo lugar en línea. El Fraunhofer ILT hizo de la necesidad virtud y aprovechó la oportunidad para realizar visitas virtuales a laboratorios, que antes no eran factibles en un evento presencial con el gran número de participantes.
Récords mundiales de fuentes de haces
Entre los temas centrales del taller UKP figuran los avances en fuentes de haces, los conocimientos sobre procesos y las aplicaciones potenciales.
La Fraunhofer-Gesellschaft está estableciendo estándares mundiales para fuentes de haces con su Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS. El récord mundial lo ostenta el Fraunhofer IOF de Jena con una potencia media de 10 kW de un láser de fibra acoplado coherentemente. En el Fraunhofer ILT de Aquisgrán, tal y como informó el Director del Instituto, el Profesor Constantin Häfner, este verano estará listo para su uso un sistema de losa de 5 kW. La novedad es el bombeo con seis en lugar de dos chorros de bombeo en cada losa. La potencia de bombeo de 6 kW por diodo se convertirá finalmente en una potencia UKP de 2 kW por etapa de amplificación. Tanto en Jena como en Aquisgrán, las fuentes de haces están a disposición de socios industriales y partes interesadas para realizar pruebas en los laboratorios de aplicaciones CAPS.
El Dr. Rudolf Weber, de la Universidad de Stuttgart, presentó una interesante estadística sobre la cuestión de cuándo se convertirá en norma en la industria este tipo de potencias: según ésta, la potencia media de los sistemas USP tanto en la industria como en la investigación se ha duplicado cada tres años en los últimos 20 años. Según las estadísticas, cabe esperar la introducción de sistemas de varios kW en procesos industriales estándar para 2025. Ya es previsible que los nuevos procesos láser para la microestructuración de superficies con fuentes de haz de kW abran nuevos mercados.
La importancia de las nuevas fuentes láser para la investigación apenas puede estimarse, tal y como mostró el Prof. Häfner en sus perspectivas. Como "fuentes secundarias" para haces de rayos X de impulsos cortos, electrones o partículas, abrirán posibilidades completamente nuevas en medicina, física de partículas o ciencia de materiales.
Nuevos conocimientos sobre procesos: Utilizar correctamente las ráfagas
Hace al menos 30 años que se investiga la interacción de la radiación láser USP con los materiales. Pero sólo en los últimos años se han desarrollado ventanas de proceso fiables para aplicaciones industriales. Un experto en este campo es Beat Neuenschwander, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna, que volvió a presentar nuevos resultados en el taller USP de este año. Esta vez se centró en el tratamiento del silicio y otros materiales semiconductores con pulsos simples y múltiples (ráfagas). En el caso del silicio, la velocidad de ablación puede aumentar considerablemente con las ráfagas, en las que el número de pulsos y la longitud de onda tienen efectos diferentes según el material.
Daniel Förster, de LightPulse LASER PRECISION de Stuttgart, y el Dr. Norman Hodgson, de Coherent, Inc., presentaron investigaciones detalladas sobre cómo afectan las ráfagas a la ablación de metales. En su presentación, Hodgson ofreció un curso intensivo sobre los parámetros de proceso óptimos para nueve materiales, tres longitudes de onda, diferentes duraciones de impulso y frecuencias de ráfaga. A partir de los distintos experimentos, elaboró una "Guía de selección de longitudes de onda para el mecanizado ultrarrápido por láser".
La Dra. Roswitha Giedel-Wagner, de GFH GmbH, habló de la emisión de rayos X, un efecto especialmente crítico cuando se utilizan láseres USP industriales. En GFH se construyen máquinas láser para el procesamiento de micromateriales con láseres de impulsos ultracortos para una amplia gama de aplicaciones, se miden con precisión las emisiones y se adaptan en consecuencia los conceptos de protección. Debido a la actual Ordenanza de Protección Radiológica, a menudo se cuestiona la viabilidad de los procesos más sencillos sin un complejo procedimiento de autorización. La buena noticia es que una carcasa de acero de 1 mm ya protege al usuario de la radiación emitida.
Además de las fuentes de haz, la óptica de los sistemas USP también ha demostrado ser un motor clave de innovación en los últimos años. Georg König, de la Cátedra de Tecnología de Sistemas Ópticos TOS de la Universidad RWTH de Aquisgrán, resumió en su presentación los avances logrados en los dos últimos años. Además de sistemas multihaz cada vez mejores, se refirió a la simulación de procesos completos y nuevas ópticas (elementos ópticos difractivos, moduladores espaciales de luz, haces de Bessel), así como a la realización de la tecnología asociada.
Más aplicaciones en el sector de los semiconductores
Además del debate sobre el conocimiento de los procesos, la presentación de nuevas aplicaciones es una de las principales preocupaciones del taller UKP. El Dr. Koji Sugioka, de RIKEN (Japón), ofreció una amplia panorámica desde el principio. En cuanto a los procesos, hay avances en la estructuración, el taladrado y el corte (especialmente en dados), que a su vez están impulsando aplicaciones comerciales en la industria de semiconductores y en el sector del automóvil. También ve grandes perspectivas para los procesos híbridos, en los que la precisión de los láseres USP combinada con la velocidad de otros tipos de láser permite una mayor productividad. De cara al futuro, Sugioka contempla la nanoestructuración de superficies, pero también la síntesis de nuevos materiales, como los diamantes con vacantes de nitrógeno (NV) para la tecnología cuántica.
El Dr. Kees Biesheuvel (ASM Laser Separation International) presentó las aplicaciones en la industria de semiconductores. Aquí es importante la ablación de obleas de silicio, donde el láser USP trabaja con precisión micrométrica y no provoca grietas. Los sistemas también son indispensables para la eliminación precisa de revestimientos, lo que simplifica considerablemente los procesos de separación posteriores. Los sistemas se utilizan tanto en la producción de semiconductores como en la industria de pantallas.
El pulido por láser es un nuevo tipo de aplicación dentro de la tecnología USP. Astrid Saßmannshausen, de Fraunhofer ILT, presentó la cadena de procesos completa para ello. En este proceso de mecanizado, es importante fundir la superficie y no eliminarla. Con los parámetros de proceso adecuados, la rugosidad de la superficie puede reducirse en un amplio espectro en un proceso de dos etapas y puede alcanzarse una rugosidad inferior a 0,1 µm. Las nuevas fuentes de haz de kW y las ráfagas hasta la gama de GHz mejorarán aún más la productividad.
Láseres USP para la energía del futuro
Las tecnologías de baterías e hidrógeno ofrecen un campo de aplicación realmente amplio para los láseres USP. En su presentación, el Dr. Karsten Lange, de Fraunhofer ILT, mostró tanto el entorno como ejemplos concretos. Hay varios puntos de partida en la tecnología del hidrógeno. El más impresionante es sin duda la ampliación de la superficie efectiva del electrodo por un factor de 1600 mediante estructuración láser, que el científico pudo lograr.
El láser USP puede multiplicar por más de mil la superficie de los electrodos de hidrógeno
A partir del verano de 2021, los procesos láser para la producción de baterías se investigarán en Fraunhofer ILT en un centro dedicado a las baterías. En la imagen: sistema rollo a rollo
Hoy en día, la tecnología de las baterías consiste en aumentar tanto la densidad de energía como la densidad de potencia. En ambos campos se están desarrollando procesos láser. La deposición de litio es actualmente un problema con altas densidades de potencia (es decir, procesos de carga o descarga rápida). El láser USP puede utilizarse para introducir microporos en los electrodos de las baterías y reducir así el problema. La tecnología se investigará en un laboratorio especial de baterías del Fraunhofer ILT a partir del verano de 2021. El factor decisivo para la introducción generalizada de los láseres USP en la producción de baterías y pilas de combustible será el escalado de potencia de las fuentes de haz. Para una productividad superior, se requieren aquí láseres USP de 5 a 10 kW.
7º taller UKP: Tecnología láser ultrarrápida - Revisión y perspectivas para 2023
Los láseres USP han llegado a la industria. Pero el 6º taller UKP también puso de manifiesto hasta qué punto es necesario seguir desarrollando el conocimiento de los procesos para aprovechar todo su potencial en la producción. "El objetivo final sería un torno láser universal que pudiera utilizarse para realizar una amplia gama de tareas de mecanizado", resume la visión el profesor Arnold Gillner, organizador del taller.
Altas tasas de repetición, alto rendimiento y cómo hacer llegar la potencia a la pieza de trabajo de forma eficiente: estas son palabras clave que sin duda también desempeñarán un papel en el próximo taller UKP que se celebrará los días 26 y 27 de abril de 2023 en Aquisgrán. "Ojalá nos volvamos a ver en persona entonces", concluye el coorganizador Martin Reininghaus, expresando el deseo de todos los implicados.
Todas las imágenes: Fraunhofer ILT, Aquisgrán.
