Trabajo de Fin de Grado

Alumno : Francisco Sánchez GarcíaDirectores : Félix Quintero Martínez

Antonio Riveiro RodríguezGrado de Ingeniería en Tecnologías

Industriales

Diseño de una estación de microprocesado láser conatmósfera controlada y

monitorización del área de trabajo

Escuela de Ingeniería IndustrialDepartamento de Física Aplicada

Universidad de Vigo

Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales

• ¿Qué es el micromecanizado?

Proceso de fabricación

1 µmMaterial base

Pieza con dimensiones del orden de decenas o centenas de micras

MicromecanizadoIntroducción

• Ejemplos de micromecanizado

Micromecanizado

Stent coronarioMEDICINA

Micro-taladrosMICROFLUIDICAELECTRÓNICA

Inyector de tintaELECTRÓNICA

Introducción

Dept. Física Aplicada

• 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 micromecanizadoIntroducción


• 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 láserIntroducción


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


Posicionamiento y sujeción de

muestras planas

Diseño

Posicionamiento y sujeción de muestras cilíndricas

Posicionamiento y sujeción de muestras

planas

Soporte cabezal de

procesamientoFocalización, protección y

aporte de gas

Sistema de monitorización

Reductor de haz

Sistema de alimentación del haz

Sopo

rte

Prot

ecci

ón y

alim

enta

ción

• Objetivo de focalización

Transmisión del 98% radiación 1064 nm

Irradiancias máx. Distancia trabajo: 35 mm

Requisitos particulares: Diámetro en el foco < 50 µm

Distancia focal reducida (<50 mm)

Transmisión elevada para longitudes de onda λ

Cabezal de procesamientoDiseño


• Objetivo de focalización. Diámetro mínimo del área de trabajo.

< 50



• Objetivo de focalización. Ensamblaje.

Objetivo de focalización

Taladro roscado

Adaptadores de rosca


• 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 para pulsos de

10 ns. Protección rozamiento mediante

juntas tóricas.


• Sistema reductor de hazCabezal de procesamientoDiseño

𝐷h𝑎𝑧=𝐷𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒

1,5

• Sistema reductor de hazCabezal de procesamientoDiseño

• Lente plano-cónvexa Transmitancia elevada para

radiación 1070 nm. Distancia focal 100mm. Irradiancia máx para pulsos de

10 ns.

• Lente plano-cóncava Transmitancia elevada para

radiación de 1070 nm. Distancia focal 40mm Irradiancia máx para pulsos de

10 ns.


muestras cilíndricas


muestras planas

Diseño


muestras planas



planas

Soporte cabezal de

procesamientoFocalización, protección y

aporte de gas


Reductor de haz


Sopo

rte

Prot

ecci

ón y

alim

enta

ción

• 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



• Cámara USB

Soporte cámara

CámaraRanura conexión

USB Tuerca de sujeción

Peso aproximado del conjunto:215 g



• Cámara USB. Espejo dicroico.

Cámara

Substrato

Espejo dicroico

Radiación láser

Radiación visible


• Cámara USB. Espejo dicroico.

Edmund Optics

Irradiancia máx. para pulsos de 10 ns.

Banda de transmisión 1045 a 1650 nm.

Banda de reflexión 200 a 1005 nm.

Diámetro 50 mm.



Diseño



planas

Cabezal de procesamiento

Focalización, protección y

aporte de gas


Reductor de haz


Sopo

rte

Prot

ecci

ón y

alim

enta

ción

Recorrido: 100 mm Velocidad máx.: 500 mm/s Resolución: 0.5 µm Carga máx.: 1 kg.

Sistema de posicionamiento de muestras planasDiseño


• Sistema de posicionamiento (EJE X)

• 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 planasDiseño


Pieza fija

Pieza móvil

Sistema de sujeción de muestras planasDiseño

Sistema de movimiento y fijación

Mesa rotatoria

Mesa de posicionamiento grueso (EJE Y)

Sistema de posicionamiento de muestras cilíndricasDiseño


Mesa de posicionamiento fino (EJE X)

Requisitos particulares: Tubos de diferentes

diámetros. Inmovilización total de

las piezas. Muestra coaxial al eje

de la mesa rotatoria.

Sistema de sujeción de muestras cilíndricasDiseño


Muestra

Camisa

Sistema de

sujeción

Dos escuadras. Sujeción a la estructura

principal mediante un perfil ITEM adicional.

Cabezal intercambiable entre las dos estaciones.

Estructura soporte. Sujeción del cabezal.Diseño


Estructura soporte. Sujeción del cabezal.Diseño

Haz láser

Estructura soporte. Sujeción del cabezalDiseño

Desplazamiento en el eje Y:-

Desplazamiento en el eje X:


Y

X

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 posicionamientoDiseño

• 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. AislamientoDiseño


• Cubiertas exteriores. Panel de aluminio

Pasamuros para aporte de gases

Pasamuros eléctrico conexión multi-pin

Pasamurosconexión

USB

Estructura soporte. AislamientoDiseño

Sellado mediante juntas de hilo tórico.


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