En muchos procesos industriales se utiliza el láser VCSEL como herramienta para el calentamiento de superficies. Como fuente de calor de infrarrojos de alta intensidad, el tratamiento térmico con láser de diodo dirigido con precisión y con radiación de longitud de onda selectiva es escalable y energéticamente eficiente. Los conjuntos de láseres VCSEL permiten secar, soldar, sellar, soldar con estaño y calentar. También en la fabricación aditiva de componentes de plástico, aleaciones y acero muestran muchas ventajas. La radiación de banda estrecha es igualmente adecuada para la soldadura de plásticos o la fusión por láser de superficies. Básicamente, están predestinadas a todos los procesos en los que un control preciso de la superficie y la temperatura es crucial. Además, los sistemas de calor VCSEL permiten una medición de la temperatura durante el tratamiento térmico con cámaras o pirómetros. Los módulos de tratamiento térmico por láser son muy adecuados para aplicaciones flexibles de calentamiento de gran superficie que requieren una gran precisión. En comparación con los métodos de calentamiento convencionales, los usuarios se benefician de una mayor flexibilidad, precisión y ahorro de costes.
Tratamiento térmico con VCSEL
El láser VCSEL se utilizan para el tratamiento térmico de distintas superficies y materiales. Optimizan el proceso como el secado, el soldado, el sellado, el soldado con estaño o el calentamiento.
Tratamiento térmico con láser VCSEL para secar, soldar, sellar y calentar
¿Cómo funciona el tratamiento térmico con láseres VCSEL?
Miles de microláseres (VCSEL) están montados en un solo chip. Se colocan 56 de estos chips en cada emisor y se unen varios emisores en un módulo. La superficie de radiación rectangular puede contener millones de microláseres y emitir varios kW de potencia láser infrarroja. Los módulos VCSEL generan una radiación en el infrarrojo cercano con una intensidad de la radiación de 100 W/cm² en una sección transversal del rayo rectangular dirigida y de gran superficie. Así se alcanza un tratamiento térmico preciso, local sin ópticas láser adicionales y caras o sistemas de palpación.
¿Cuáles son las ventajas del tratamiento térmico local con láser en los procesos de producción industrial?
Ventajas de láser de diodo (VCSEL) para el tratamiento térmico industrial
La tecnología láser VCSEL ofrece muchas ventajas con respecto a las tecnologías convencionales, como el calentamiento con hornos de reflujo y barras calientes, la estampación en caliente o los láseres con óptica de zoom.
Las longitudes de onda seleccionables y las zonas de emisión locales permiten una configuración precisa de la intensidad y el área y unos resultados excelentes del proceso.
Ajuste el tamaño del módulo según sus necesidades: cambie el número de emisores montados o ajuste la carcasa.
La intensidad de la radiación del sistema es con 100 W/cm² notablemente superior a la potencia de lámparas infrarrojas o halógenas.
Ajuste la densidad térmica y la radiación láser a las necesidades individuales de producción seleccionando el número de emisores VCSEL o añadiendo funciones de lente.
TRUMPF ofrece soporte de aplicaciones para clientes de todo el mundo.
¿Dónde se utilizan los láseres VCSEL para el tratamiento térmico?
Muchos procesos industriales y de producción se benefician del calentamiento con conjuntos de láseres VCSEL: entre ellos, soldar, soldar con estaño, sellar y ablandar de componentes de plástico, aleación y acero en líneas de fabricación y montaje.
Los sistemas de calentamiento VCSEL unen o conectan materiales entre sí, sueldan plásticos y mecanizan capas de diferentes materiales para el desplazamiento de banda. El resultado: una excelente resistencia y una deformación baja.
El calor generado por los sistemas de calentamiento VCSEL crea una densa unión entre diferentes superficies.
El tratamiento térmico por láser de los materiales de revestimiento húmedos acelera eficazmente los procesos de secado.
El tratamiento térmico con los láseres VCSEL ablanda los materiales, por ejemplo, o incrementa el rendimiento.
Sistemas VCSEL calientan las zonas que se deben soldar con estaño. Esto aumenta la calidad e incrementa el rendimiento.
Cuando se imprimen componentes metálicos en 3D, las tensiones térmicas se reducen gracias al tratamiento térmico VCSEL. Un sistema VCSEL puede fundir también plásticos y producir así un componente en impresión 3D.
Soldadura
Los sistemas de calentamiento VCSEL pueden utilizarse para muchas aplicaciones. Esto incluye la soldadura de piezas de plástico, la unión de los bordes de los paneles de los muebles o el calentamiento de la cinta adhesiva para la producción de materiales compuestos.
Los plásticos pueden soldarse mediante una penetración por láser. En este proceso, dos materiales termoplásticos se unen con la ayuda de un rayo láser. Este penetra en la capa superficial transparente del componente y calienta la parte que absorbe la radiación por debajo. El material de base de plástico absorbente se funde y, por tanto, fusiona la zona de unión transparente. Los sistemas de calentamiento VCSEL pueden soldar y calentar la zona de aplicación de la pieza simultáneamente en un solo paso.
Los sistemas VCSEL ofrecen soluciones láser de alta potencia a medida para procesos de colocación de la fibra y de la cinta. Gracias al tratamiento térmico con láseres VCSEL, se pueden producir materiales compuestos de forma escalable y flexible.
Los conjuntos VCSEL son adecuados para la producción industrial de paneles para muebles. Consiguen que los bordes y la superficie se fundan sin fisuras y, por lo tanto, alcanzan unos resultados de producto muy buenos. Una fuente de tratamiento térmico VCSEL compacta y fiable proporciona una potencia láser infrarroja dirigida y controlable con precisión, y destaca en aplicaciones de producción de alto rendimiento.
Sellado
La tecnología VCSEL permite sellados de alta velocidad muy preciso. Esto hace que la producción de baterías, por ejemplo, sea mucho más eficiente.
Los sistemas VCSEL pueden acelerar el sellado de las celdas planas al triple. Para ello, aplican calor para soldar dentro de la lámina plana, cerca de la zona de soldadura. El tratamiento térmico ofrece también un sellado muy preciso. Esto prolonga la vida útil de las celdas de la batería al evitar que se arrugue la lámina. Este procesa aumenta la calidad y la homogeneidad de las celdas planas.
Secado
Los sistemas de calentamiento VCSEL son versátiles en aplicaciones de escala variable, como el secado de láminas de baterías.
Después del recubrimiento se secan las láminas de batería para retirar posibles disolventes de sus materiales activos. Los sistemas VCSEL industriales son óptimos para los procesos de tratamiento térmico de gran superficie, como el secado de láminas. En particular, el tratamiento térmico con conjuntos de láseres VCSEL es muy flexible, tanto en términos de escalabilidad como la intensidad de la radiación. Se pueden calentar grandes superficies con un control local muy preciso de la radiación infrarroja de longitud de onda selectiva.
Calentamiento
Los sistemas de calentamiento VCSEL pueden usarse para el tratamiento preciso de zonas que se deben calentar para determinados materiales como el acero y la oblea de silicio.
El ablandamiento local de las piezas de acero de la carrocería en la industria del automóvil está predestinado a someter zonas concretas a un tratamiento térmico específico. Entre ellos se encuentran las columnas B, por ejemplo. Las soluciones VCSEL ofrecen una forma rápida y sencilla de ablandar de forma selectiva las piezas de acero de alta resistencia.
Los conjuntos VCSEL posibilita un calentamiento homogéneo de obleas de silicio. Son ideales para el procesamiento térmico rápido (RPT) en la producción de obleas debido a su calentamiento muy uniforme y rápido. Las zonas de calentamiento individuales pueden controlarse con gran precisión. El calor del láser permite aumentos de temperatura muy rápidos, de varios cientos de grados centígrados por segundo. Gracias al excelente control local a través de los perfiles de temperatura, los VCSEL aumentan la calidad de las obleas.
Los conjuntos de láser VCSEL hacen que la producción de células solares sea más eficiente. La penetración de los contactos de partículas de plata en la superficie de las células solares se denomina "cocción". El uso de sistemas VCSEL para este proceso ofrece una serie de ventajas. Durante la penetración rápida con rayos láser, sólo se calientan las células solares, mientras que el resto de la zona del horno permanece en gran medida fría. Los rayos láser como fuentes de calentamiento aumentan la eficiencia energética y la eficiencia de costes. Además, se requiere menos espacio para el horno y se prolonga la vida útil. Estas características de los sistemas de calentamiento por láser de diodo pueden reducir considerablemente los costes de producción.
Conjuntos VCSEL pueden aumentar el grado de rendimiento de las células solares. Los módulos láser VCSEL de alta potencia para la radiación de células solares de monocristalino de silicio evitan de forma sostenible la formación reactiva de oxígeno bórico durante la regeneración ultrarrápida en cuestión de segundos. El resultado: un grado de rendimiento de la célula claramente aumentado. Este proceso es eficiente y altamente localizado en relación a la intensidad y alcance. La regeneración ultrarrápida de células aporta un impulso significativo a la eficiencia de las células solares de alto rendimiento.
En el caso de la Light Soaking ultrarrápida, las barreras energéticas se rompen durante la producción por la intensa radiación y las altas temperaturas generadas por los sistemas de calentamiento VCSEL. Este proceso reduce la resistencia interna de la célula solar y hace que funcione con mayor eficacia. Por consiguiente, los sistemas VCSEL pueden aumentar el grado de rendimiento de las células solares.
Soldadura con estaño
Los láseres VCSEL son muy eficaces para soldar con estaño pequeños puntos de contacto en las placas de circuito impreso y ofrecen una mayor potencia de salida que las tecnologías convencionales cuando es necesario.
Con LAS, las bolas de soldadura se sueldan directamente en las tarjetas de circuito impreso mediante el tratamiento térmico por infrarrojos del láser VCSEL, lo que resulta especialmente ventajoso para los escenarios de bolas y pasos más pequeños. Con LAS, los láseres VCSEL garantizan un tratamiento térmico local de alta precisión y la máxima calidad de los puntos de soldadura con estaño. Como ventaja adicional, el tratamiento de calentamiento por láser aumenta la vida útil de la tarjeta de circuito impreso.
El proceso LAB utiliza un Flip-Chip en una tarjeta de circuito impreso o en bolas de soldadura como conexiones. El sistema VCSEL calienta el chip desde arriba y la energía láser transmitida a través de una oblea de silicio funde las bolas de soldadura entre el chip y la placa de circuito impreso. Esto permite calentar zonas más amplias de una placa de circuito completa con varios chips – con una potencia de salida superior a la de otras soluciones.
Fabricación aditiva
Los conjuntos VCSEL ofrecen ventajas especiales para la impresión 3D de metales y plásticos.
Cuando se imprimen en 3D piezas metálicas de gran volumen, los gradientes térmicos suelen tener un efecto negativo en las piezas sinterizadas. Las tensiones se pueden minimizar con el calor del láser VCSEL desde arriba. Esto se debe a que el calor del láser reduce considerablemente las tensiones térmicas y la distorsión de la pieza impresa. Esto proporciona unas propiedades mecánicas mejoradas del componente.
Miles de láseres VCSEL direccionables de forma individual con óptica concentradora pueden utilizarse como fuente de luz para el sinterizado selectivo por láser (SLS). Esto aporta enormes ventajas en comparación con las impresoras SLS convencionales, que funcionan con sólo uno o dos láseres de escaneo. Gracias a los sistemas de calentamiento VCSEL especiales, se puede lograr una alta resolución (250 ppp) en combinación con una velocidad de producción insuperable. Esto es unas 10 veces más rápido que las mejores impresoras 3D de plástico convencionales.
Los sistemas de calentamiento VCSEL para tratamiento térmico en acción
Descubra más sobre las múltiples aplicaciones de uso y la tecnología del tratamiento térmico con láser con sistemas de calefacción VCSEL.
La opción de tratamiento térmico local permite irradiar directamente superficies seleccionadas. Las zonas de emisión de los sistemas TruHeat VCSEL se pueden controlar de forma precisa e individual.
Con las matrices VCSEL, los perfiles de intensidad pueden personalizarse para controlar con precisión las zonas de emisión y los parámetros del proceso de potencia.
¿Cómo se fabrican los sistemas de calefacción VCSEL de TRUMPF y cómo se utilizan?
Más información: Descargue nuestros informes técnicos.
El informe técnico muestra los resultados de la aplicación del procesamiento de una oblea de silicio de Ø 300 mm con un sistema especial de calentamiento VCSEL de 9,6 kW. Además de los resultados de la aplicación, se demuestran las ventajas de los sistemas de calentamiento VCSEL para el tratamiento térmico homogéneo de gran superficie en el procesamiento térmico rápido (RTP) de las obleas de silicio.
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