Megmunkálás

Vágás gyémánttal és lézerrel

Egy új, lézeres eszköz komoly változásokat hozhat az elektronikai eszközök, számítógépes chipek, lencsék, ablakok és tükrök előállításában.

hirdetés

A gyártás során a gépi megmunkálás – és különösen a kemény, rideg anyagok vágása – közben esetenként nehézségekbe ütközhetünk. Gyakran előfordul például, hogy a tipikusan az ismert legkeményebb anyagból, vagyis egykristályos gyémántból készült vágóeszköz elhasználódik. Ugyanígy problémát jelenthet, hogy a gépi megmunkálás meglehetősen időigényes munka.

A Western Michigan University tudósai éppen ezért olyan technológiák kifejlesztésén kezdtek el dolgozni, amelyek amellett, hogy a rendszert felgyorsítják, a vágóeszközt is strapabíróbbá teszik. A cél az volt, hogy gyorsabban és olcsóbban, jobb végterméket állítsanak elő.

– A gyémántvágás legnagyobb hátulütője, hogy a gyémánt drága – mondja John Patten, az egyetem gyártástervezési tanszékének vezetője, valamint az intézmény gyártáskutató központjának (Manufacturing Research Center) igazgatója. – Ha fel tudjuk puhítani a vágásra szánt anyagot, vagyis a darabolás folyamán lágyabb anyagnak tesszük ki a gyémántot, akkor ez utóbbi lassabban fog elhasználódni, nem kell olyan gyakran lecserélni, és a gépet sem kell leállítani, amikor a cserét elvégezzük.

Új módszert fejlesztettek

John Patten és kutató munkatársa, Deepak Ravindra a Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation, NSF) támogatásával fejlesztette ki az új Micro-LAM (laser assisted machining, lézeres megmunkálás) nevű módszert, melynek során fókuszált lézerrel segítik a nagynyomású gyémántvágó eszköz munkáját. A lézer hője fellágyítja az anyagot, amitől ezt gyorsabban lehet vágni, és a gyémánt élettartama is megnövekszik. Az új eljárás ugyanakkor simább felületet eredményez, amitől a termék könnyebben alakíthatóvá válik, és nem kell bajlódni az utólagos megmunkálással sem.

– A gyémántot elméletben már nem lehet tovább keményíteni, így az egyetlen lehetőségünk az volt, ha a megmunkálási folyamat során felpuhítjuk a megformálni kívánt anyagot – mondta Deepak Ravindra. – A technológia ugyanakkor a nagyobb sebesség mellett még jobban is teljesít. A hibrid eszközzel kevesebb a törés, és a szerszám megerősíti az anyagot, fokozva annak integritását. Mindez a gyártók (és valószínűleg a fogyasztók) számára is megtakarítást jelent. Az eszköz komoly hatást gyakorolhat a hadi- és az űriparra, ideértve a nagy teljesítményű elektronikai eszközök, számítógépes chipek, valamint az optikai és lézeres rendszerekhez készített lencsék, ablakok és tükrök gyártását.

A rendszer megoldást jelent a kerámiákhoz és félvezetőkhöz hasonló kemény és rideg anyagok megmunkálásakor felmerülő összes nagyobb kihívásra – mondta Deepak Ravindra. – Az eszköz olyan, utólagosan felszerelhető megoldást kínál a gyártást végző vállalatok számára, amellyel gyorsabban és olcsóbban, jobb minőségű alkatrészeket állíthatnak elő. Hisszük, hogy képesek leszünk olyan technológiát nyújtani az ügyfeleknek, amellyel költséghatékony módon kiváló alkatrészeket készíthetnek, méghozzá anélkül, hogy az anyagminőséget illetően kompromisszumra kényszerülnének.

Több évtizedes kutatás

Találmányuk piacra lépését több évtizednyi kutatómunka előzte meg. A szakemberek rájöttek, hogy csak a régi technológia megértése után kezdhetnek el az új eljárással kísérletezni. A tudósok ki akarták deríteni: mi lehet az oka annak, hogy összes hátrányával együtt a hagyományos eljárás rendszerint nem okozott repedéseket és töréseket az éppen vágott anyagokon. – Az évek során megtanultuk, hogy hogyan vágjuk el törések nélkül ezeket a rideg anyagokat, nem tudtuk azonban, hogy mitől vagyunk minderre képesek – mondta John Patten.

Felfedezték, hogy az anyag a vágási folyamat alatt rövid fázisátalakuláson megy keresztül, (félvezetőből fém lesz), és így a megmunkálása még könnyebbé válik. A vágást követően az anyag ismét felveszi az eredeti formáját. – Alapvetően az történik, hogy egy kemény, törékeny anyaggal kezdünk, amely a gyémánttal felszerelt eszköz hatására lágyabb és könnyebben alakítható anyaggá, méghozzá fémmé válik – mondta John Patten. – Ezek után az anyag visszanyeri az eredeti formáját. Csak addig marad a nagy nyomás alatt érvényes állapotban, amíg a gyémánttal érintkezik.

Az ezt követő visszarendeződés természetes folyamat, de nem mindig kontrollálható. Később mindamellett rájöttünk, hogy némi hevítés és a lézer hatására az ellenőrzésünk alatt tudjuk tartani. Miután megértették, hogy mi történik az anyaggal tovább kísérleteztek, hogy olyan módszereket találjanak, amelyekkel ezt még tovább lágyíthatják. Számos vegyülettel, továbbá árammal is próbálkoztak, és bár a legtöbb módszer működött, John Patten szerint ezek a piaci megjelenítésre alkalmatlanok voltak.

Átlátszó gyémánt

A megvilágosodás pillanata akkor jött el, amikor rájöttek, hogy „a gyémánt a lézer legtöbb hullámhossza számára átlátszó”, vagyis a lézert a gyémánton keresztülengedve anélkül változtathatják meg az éppen vágott anyag tulajdonságait, hogy ez hatást gyakorolna a gyémántra. A gyémánton keresztülvilágított lézerfényt a vágóélre fókuszáljuk – mondta John Patten. – Egy hibrid eljárást fejlesztettünk ki, amely éppen azért kivitelezhető, mert a szerszámon a sugár akadály nélkül átengedhető.

(forrás: National Science Foundation)
hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
Cikk[154775] galéria
hirdetés
hirdetés
hirdetés
hirdetés