Diseño de una estación de microprocesador láser con atmósfera controlada y monitorización del área de trabajo

1. Alumno : Francisco Sánchez García
Directores : Félix Quintero Martínez
Antonio Riveiro Rodríguez
Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales
Diseño de una estación de
microprocesado láser con
atmósfera controlada y
monitorización del área de
trabajo
Escuela de Ingeniería Industrial
Departamento de Física Aplicada
Universidad de Vigo
Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales

2. • ¿Qué es el micromecanizado?
Proceso de fabricación
1 µm
Material base
Pieza con dimensiones del orden de decenas
o centenas de micras
Micromecanizado
Introducción

3. • Ejemplos de micromecanizado
Micromecanizado
Stent coronario
MEDICINA
Micro-taladros
MICROFLUIDICA
ELECTRÓNICA
Inyector de tinta
ELECTRÓNICA
Introducción
Dept. Física Aplicada

4. • Micromecanizado por haz láser
 Utiliza un haz de fotones para fundir o vaporizar.
 La energía se concentra en un área muy reducida.
 Acabados excelentes. Elevada precisión.
Técnicas de micromecanizado
Introducción
Dept. Física Aplicada

5. • No hay contacto entre la pieza y la herramienta.
• Posibilidad de trabajar con materiales muy diversos.
• Diámetros de focalización pequeños. Elevada precisión.
• Velocidades de corte elevadas.
Ventajas del micromecanizado con láser
Introducción
Dept. Física Aplicada

6. Diseño de una estación de microprocesado láser que
cumpla los siguientes requisitos:
o Modular
o Con atmósfera controlable
o Monitorización del área de trabajo
o Multipropósito
o Compacta y fácilmente transportable
Objetivo
Dept. Física Aplicada

7. Posicionamiento
y sujeción de
muestras
planas
Diseño
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
cilíndricas
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
planas
Soporte cabezal
de
procesamiento
Focalización,
protección y
aporte de
gas
Sistema de
monitorización
Reductor de
haz
Sistema de
alimentación del haz
Soporte
Protecciónyalimentación

8. • Objetivo de focalización
 Transmisión del 98% radiación
1064 nm
 Irradiancias máx. 500 𝑀𝑊/𝑐𝑚2
 Distancia trabajo: 35 mm
Requisitos particulares:
 Diámetro en el foco < 50 µm
 Distancia focal reducida
(<50 mm)
 Transmisión elevada para
longitudes de onda λ≈ 1064 𝑛𝑚
Cabezal de procesamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

9. • Objetivo de focalización. Diámetro mínimo del área de
trabajo.
𝐷𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 ℎ𝑎𝑧 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑐𝑜 =
4·𝜆·𝑀2·𝑓
𝜋·𝐷ℎ𝑎𝑧
= 12,04 𝜇𝑚 < 50 𝜇𝑚
Cabezal de procesamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

10. • Objetivo de focalización. Ensamblaje.
Objetivo de
focalización
Taladro
roscado
Adaptadores
de rosca
Cabezal de procesamiento
Diseño

11. • Objetivo de focalización. Protección del objetivo y aporte de gases.
Pieza superior
Pieza inferior
Boquilla
Taladro para
rácor de aporte
de gas
• Ventana de protección
 Modelo EO Ref.: 84-446.
 Transmite radiación de 1070 nm.
 Irradiancia máx 700 𝑀𝑊/𝑐𝑚2
para pulsos de 10 ns.
 Protección rozamiento mediante
juntas tóricas.
Cabezal de procesamiento
Diseño

12. • Sistema reductor de haz
Cabezal de procesamiento
Diseño
𝐷ℎ𝑎𝑧 =
𝐷𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒
1,5

13. • Sistema reductor de haz
Cabezal de procesamiento
Diseño
• Lente plano-cónvexa
 Transmitancia elevada para
radiación 1070 nm.
 Distancia focal 100mm.
 Irradiancia máx 700 𝑀𝑊/𝑐𝑚2
para pulsos de 10 ns.
• Lente plano-cóncava
 Transmitancia elevada para
radiación de 1070 nm.
 Distancia focal 40mm
 Irradiancia máx 700 𝑀𝑊/𝑐𝑚2
para pulsos de 10 ns.

14. Posicionamiento
y sujeción de
muestras
cilíndricas
Posicionamiento
y sujeción de
muestras
planas
Diseño
Posicionamiento
y sujeción de
muestras
planas
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
cilíndricas
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
planas
Soporte cabezal
de
procesamiento
Focalización,
protección y
aporte de
gas
Sistema de
monitorización
Reductor de
haz
Sistema de
alimentación del haz
Soporte
Protecciónyalimentación

15. • Cámara USB
Requisitos particulares:
 Dimensiones reducidas.
 Bajo peso.
 Posibilidad de ver
procesos a escala
micrométrica. Edmund Optics
EO-0413C
 44x44x25.4 mm
 Peso aprox. 50 g
 Tamaño de píxel:
6x6 µm
Cabezal de procesamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

16. • Cámara USB
Soporte cámara
CámaraRanura
conexión
USB
Tuerca de
sujeción
Peso aproximado del conjunto:
215 g
Cabezal de procesamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

17. • Cámara USB. Espejo dicroico.
Cámara
Substrato
Espejo dicroico
Radiación láser
Radiación
visible
Cabezal de procesamiento
Diseño

18. • Cámara USB. Espejo dicroico.
Edmund Optics
 Irradiancia máx. 700 𝑀𝑊/𝑐𝑚2
para pulsos de 10 ns.
 Banda de transmisión 1045 a
1650 nm.
 Banda de reflexión 200 a 1005
nm.
 Diámetro 50 mm.
Cabezal de procesamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

19. Diseño
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
cilíndricas
Posicionamiento y
sujeción de
muestras
planas
Cabezal de
procesamiento
Focalización,
protección y
aporte de
gas
Sistema de
monitorización
Reductor de
haz
Sistema de
alimentación del haz
Soporte
Protecciónyalimentación

20.  Recorrido: 100 mm
 Velocidad máx.: 500 mm/s
 Resolución: 0.5 µm
 Carga máx.: 1 kg.
Sistema de posicionamiento de muestras planas
Diseño
Dept. Física Aplicada
• Sistema de posicionamiento (EJE X)

21. • Sistema de posicionamiento (EJE Z)
MLJ050/M Thorlabs
 Recorrido: 50 mm
 Velocidad máx.: 3 mm/s
 Resolución: 0.8 nm
 Carga máx.: 20 kg
Sistema de posicionamiento de muestras planas
Diseño
Dept. Física Aplicada

22. Pieza fija
Pieza móvil
Sistema de sujeción de muestras planas
Diseño
Sistema de
movimiento y
fijación

23. Mesa rotatoria
Mesa de
posicionamiento
grueso (EJE Y)
Sistema de posicionamiento de muestras cilíndricas
Diseño
Dept. Física Aplicada
Mesa de
posicionamiento fino
(EJE X)

24. Requisitos particulares:
 Tubos de diferentes
diámetros.
 Inmovilización total de
las piezas.
 Muestra coaxial al eje
de la mesa rotatoria.
Sistema de sujeción de muestras cilíndricas
Diseño
Dept. Física Aplicada
Muestra
Camisa
Sistema
de
sujeción

25.  Dos escuadras.
 Sujeción a la estructura
principal mediante un perfil
ITEM adicional.
 Cabezal intercambiable entre
las dos estaciones.
Estructura soporte. Sujeción del cabezal.
Diseño
Dept. Física Aplicada

26. Estructura soporte. Sujeción del cabezal.
Diseño
Haz láser

27. Estructura soporte. Sujeción del cabezal
Diseño
Desplazamiento en el eje Y:
-3,81 · 10−4 𝑚𝑚
Desplazamiento en el eje X:
0,61 𝜇𝑚
Dept. Física Aplicada
Y
X

28. Requisitos particulares:
 Dimensiones similares a la
base de la estructura soporte.
 Debe soportar el peso de los
sistemas de posicionamiento.
 Versátil.
 450 x 600 mm
 10 mm de espesor
 Matriz de taladros
Thorlabs MB4560:
Estructura soporte. Sistemas de posicionamiento
Diseño

29. • Cubiertas exteriores. Paneles de metacrilato
 Sellado mediante juntas de hilo
tórico.
 Sistema de protección para
radiación difusa: film adhesivo
opaco para radiación de 1070 nm.
Estructura soporte. Aislamiento
Diseño
Dept. Física Aplicada

30. • Cubiertas exteriores. Panel de aluminio
Pasamuros para
aporte de gases
Pasamuros eléctrico
conexión multi-pin
Pasamuros
conexión
USB
Estructura soporte. Aislamiento
Diseño
 Sellado mediante juntas de hilo tórico.
Dept. Física Aplicada