O projekcie

Celem projektu jest opracowanie i wykonanie konstrukcyjnie zamkniętego urządzenia (prototypu) do laserowej mikroobróbki materiałów przeznaczonego do wdrożenia m.in. w produkcji baterii słonecznych. Uzasadnieniem wyboru tej właśnie, wysoko wyspecjalizowanej gałęzi przemysłu związanej z zaawansowanymi technologiami, jest przewidywany w niedalekiej przyszłości wzrost liczby firm produkujących baterie słoneczne, również na terenie Polski, oraz światowe tendencje do zmniejszania cen gotowych paneli słonecznych, umożliwiając stosowanie ich na szeroką skalę. W związku z tym, że ceny materiałów służących do produkcji paneli baterii słonecznych są stosunkowo wysokie, ich produkcja musi być nastawiona na minimalizację strat materiałowych w procesie produkcyjnym. Mniejsze straty oznaczają mniejsze koszty produkcji, co skutkuje wzrostem konkurencyjności przedsiębiorstwa. Konstruowane przez nas laserowe urządzenie do precyzyjnej mikroobróbki materiałów będzie doskonale nadawało się do zastosowania na etapie cięcia baterii słonecznych głównie w małych i średnich firmach produkcyjnych związanych z przemysłem elektronicznym i precyzyjnym.

Projekt jest wykonywany przez dwie jednostki Polskiej Akademii Nauk, Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego w Gdańsku oraz Instytut Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Obie instytucje podpisały umowę o utworzeniu konsorcjum naukowego, tematycznie powiązanego z projektem. Prace wykonawcze projektu są realizowane przez młodych doświadczonych naukowców, specjalistów w swojej branży. Grupa naukowców z Instytutu Maszyn Przepływowych ma udokumentowane doświadczenie w budowie podobnego urządzenia, poświadczone zdobytym w 2008 roku Złotym Medalem na Międzynarodowych Targach Poznańskich za „Urządzenie do laserowej mikroobróbki materiałów (ULMM)”. Natomiast grupa ze Środowiskowego Centrum Laserowego Instytut Chemii Fizycznej ma największe doświadczenie i potencjał badawczy w dziedzinie budowy laserów femtosekundowych w Polsce. Obie grupy połączą siły w celu opracowania innowacyjnego na skalę światową urządzenia, które przyczyni się w dłuższej perspektywie do udziału Polski w rynku High-Tech na świecie.

Projekt obejmuje kompleksową realizację zadań związanych z projektowaniem, budową, optymalizacją i wdrożeniem gotowego urządzenia do przemysłu. Wykonane będą prace badawcze dotyczące budowy nowoczesnego lasera femtosekundowego opartego o włókna światłowodowe. Lasery światłowodowe charakteryzują się dużą niezawodnością i są stosunkowo tanie. Zastosowanie nowego typu lasera w urządzeniu docelowym, służącym do mikroobróbki materiałów, jest unikatowe dla tego typu urządzeń w skali światowej.

Technologia obróbki materiałów wykorzystana w urządzeniu polega na zjawisku ablacji laserowej, tj. całkowitym odparowaniu materiału z powierzchni w wyniku oddziaływania silnego impulsu pola elektromagnetycznego w wiązce laserowej z materiałem. Jest to bezkontaktowy sposób obróbki materiału, który nie wymaga żadnych narzędzi skrawających. Usuwanie materiału zachodzi w miejscu padania wiązki laserowej na materiał.

Dlaczego warto stosować ultrakrótkie impulsy laserowe?

Żeby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się rysunkowi poniżej. Ciepło przekazywane do materiału przez impuls laserowy podczas mikroobróbki powoduje powstawanie tzw. strefy oddziaływania cieplnego (z ang. HAZ - Heat Affected Zone), która znacząco obniża jakość elementów poddanych obróbce. W zależności od materiału i konkretnego zastosowania, HAZ może spowodować odbarwienie materiału, lokalne stopienia, odkształcenia wewnątrz i na powierzchni materiału, mikropęknięcia, powstanie szklistej powierzchni i wiele innych niepożądanych efektów. Badania pokazały, że skracanie czasu trwania impulsu laserowego istotnie ogranicza HAZ, co przekłada się na jakość obrabianych struktur.

Obecnie stosowane lasery w mikroobróbce to lasery nanosekundowe (czas trwania impulsu rzędu 10^-9 sekundy). Innowacyjność urządzenia polega na zastosowaniu ultrakrótkich impulsów laserowych o czasie trwania rzędu 10^-13 sekundy przy zachowaniu wysokiej mocy średniej lasera (wysokie tempo obróbki). Koncentracja energii w pojedynczym impulsie jest na tyle duża – rzędu setek megawatów mocy szczytowej – że odrywanie się cząsteczek materiału zachodzi praktycznie bez przekazania ciepła do materiału (absorpcja wielofotonowa). Dzięki temu obszar mikroobróbki charakteryzuje się wysokim stopieniem gładkości w skali mikrometrowej.

Po przeprowadzeniu analizy rynku stwierdziliśmy, że bardzo szybki rozwój przemysłu, zajmującego się wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (w tym baterii słonecznych), jest impulsem do opracowania urządzenia do femtosekundowej mikroobróbki materiałów. Znajdzie ono praktyczne zastosowanie przy precyzyjnym cięciu paneli baterii słonecznych, gdzie jest wymagana bardzo wysoka jakość krawędzi pociętych elementów. Jakość cięcia krawędzi wpływa na wydajność baterii słonecznych, co jest obecnie głównym kryterium opłacalności stosowania baterii na szeroką skalę.

Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na urządzenie tego typu w wielu innych dziedzinach przemysłu (elektronika, mechanika precyzyjna, optomechatronika), zostanie ono także przystosowane do wykonywania takich układów jak MEMS (mikro-czujniki elektro-mechaniczne), czy Lab-On-a-Chip (mikro-laboratorium chemiczne wielkości karty kredytowej). Wysoka jakość mikroobróbki za pomocą laserów femtosekundowych czyni realizowane przez nas urządzenie prawie idealnym narzędziem w wysokozaawansowanych procesach wytwarzania elementów w skali mikro.