I laser USP rivoluzionano la tecnologia delle batterie e dell’idrogeno

I laser ultraveloci sono diventati uno strumento di produzione standard per l’industria dei display, con applicazioni ancora maggiori e ancora più grandi in arrivo nei prossimi anni. La tecnologia e i processi necessari per queste nuove applicazioni sono stati presentati al 6° “UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology”, tenuto dal Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT ad Aachen il 21 e 22 aprile scorsi. Il loro spettro spaziava da sorgenti di fascio ultra-potenti a processi che possono essere utilizzati per allargare mille volte la superficie di un elettrodo metallico, per la generazione di idrogeno.

Ogni due anni dal 2011, gli esperti di laser USP, ovvero laser ultra-corti pulsati, si incontrano ad Aachen per scambiare idee e discutere le tendenze dell’industria e della ricerca in un’atmosfera unica. Quest’anno, l’evento di networking ha avuto luogo online per le note vicende legate alla pandemia.
Il Fraunhofer ILT ha fatto di necessità virtù e ha sfruttato l’occasione per visite virtuali ai laboratori, che prima non erano fattibili in un evento dal vivo, dato che in passato erano davvero numerosi i partecipanti.

Record mondiali per le sorgenti

I temi centrali dell’UKP-Workshop, così il nome tedesco, includono gli sviluppi delle sorgenti, la conoscenza dei processi e le potenziali applicazioni. Nel decimo anno di questa serie di workshop, c’è stato di nuovo un notevole progresso da segnalare in tutti questi campi.
Nel campo delle fonti di fascio, la Fraunhofer-Gesellschaft sta stabilendo degli standard globali con il suo Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS. Il record mondiale è detenuto da un laser in fibra coerentemente accoppiato dal Fraunhofer IOF di Jena: 10 kW di potenza media. Al Fraunhofer ILT di Aachen, un sistema da 5 kW sarà pronto per l’uso quest’estate, come riferito dal direttore dell’istituto, il professor Constantin Häfner. Una novità qui, il laser è pompato con sei invece di due fasci a ogni lastra. Alla fine, 6 kW di potenza di pompaggio a diodi diventano 2 kW di potenza USP per stadio di amplificazione. Sia a Jena che ad Aachen, le sorgenti sono a disposizione dei partner industriali e delle parti interessate per le prove nei laboratori applicativi CAPS.
Sulla questione di quando tale potenza diventerà standard nell’industria, il Dr. Rudolf Weber dell’Università di Stoccarda ha presentato una statistica interessante: la potenza media dei sistemi USP sia nell’industria che nella ricerca è raddoppiata ogni tre anni negli ultimi 20 anni. Secondo queste statistiche, l’introduzione di sistemi multi-kW nei processi industriali standard può essere prevista entro il 2025. È già prevedibile che i nuovi processi laser con tali sorgenti per la microstrutturazione delle superfici apriranno nuovi mercati.
L’importanza delle nuove sorgenti laser per la ricerca non può essere sopravvalutata, come ha spiegato il Prof. Häfner nella sua prospettiva. Come “fonti secondarie” per raggi X, elettroni o fasci di particelle a impulsi brevi, apriranno possibilità completamente nuove per la medicina, la fisica delle particelle o la scienza dei materiali.

Nuova conoscenza del processo

Sono almeno 30 anni che la ricerca studia come la radiazione laser USP interagisce con i materiali, ma solo recentemente sono state sviluppate delle finestre di processo affidabili per le applicazioni industriali. Un esperto in questo campo è Beat Neuenschwander dell’Università di Scienze Applicate di Berna, che ha presentato nuovi risultati al workshop USP di quest’anno. Questa volta si è occupato della lavorazione del silicio e di altri materiali semiconduttori con impulsi singoli e multipli (burst). Nel caso del silicio, i burst possono aumentare significativamente il tasso di ablazione, dove il numero di impulsi e la lunghezza d’onda hanno effetti diversi per materiali differenti. Indagini dettagliate su come i burst hanno un impatto sull’ablazione dei metalli sono state presentate da Daniel Förster della LightPulse LASER PRECISION GmbH di Stoccarda, e da Norman Hodgson della Coherent, Inc. Nella sua presentazione, Hodgson ha fatto un corso intensivo sui parametri di processo per nove materiali, tre lunghezze d’onda, diverse durate d’impulso e frequenze di scoppio. Dai vari esperimenti è stato in grado di ricavare una “Guida alla selezione della lunghezza d’onda per la lavorazione laser ultraveloce”.
La dottoressa Roswitha Giedl-Wagner della GFH GmbH ha discusso un effetto particolarmente critico dell’emissione di raggi X nell’uso dei laser industriali USP. GFH costruisce macchine laser per la lavorazione di micromateriali con laser ultraveloci per una vasta gamma di applicazioni.
Di conseguenza, misura le emissioni e adatta di conseguenza i concetti di protezione, poiché l’attuale ordinanza sulla radioprotezione mette spesso in discussione la fattibilità dei processi più semplici. Inoltre, una procedura di approvazione elaborata è ancora in fase di sviluppo. La buona notizia: un alloggiamento in acciaio di 1 mm protegge già l’utente dalle radiazioni emesse.
Non solo le sorgenti di raggi, ma anche i sistemi ottici dei laser USP hanno dimostrato di essere un importante motore di innovazione negli ultimi anni.
Georg König della cattedra di tecnologia dei sistemi ottici TOS della RWTH Aachen University ha riassunto nella sua presentazione i progressi degli ultimi due anni. Oltre ai sistemi multiraggio sempre migliori, ha esaminato come interi processi e nuove ottiche (elementi ottici diffrattivi, modulazione spaziale della luce, fasci di Bessel) possono essere simulati e come la tecnologia associata può essere messa in pratica.

Altre applicazioni nel settore dei semiconduttori

Oltre alla discussione sulla conoscenza dei processi, la presentazione di nuove applicazioni è una preoccupazione centrale dell’UKP-Workshop. Il Dr. Koji Sugioka del RIKEN in Giappone ha dato un’ampia panoramica proprio all’inizio. Dal punto di vista del processo, sono stati fatti dei progressi nella strutturazione, nella foratura e nel taglio (specialmente nel taglio a cubetti), che a loro volta stanno stimolando le applicazioni commerciali nell’industria dei semiconduttori e in quella automobilistica. Vede anche grandi prospettive per i processi ibridi, dove la precisione dei laser USP combinata con la velocità di altri tipi di laser permette una maggiore produttività. Per gli usi futuri dei laser USP, Sugioka vede come promettenti la nanostrutturazione delle superfici e la sintesi di nuovi materiali come i diamanti a vuoto di azoto (NV) per la tecnologia quantistica.
Le applicazioni nell’industria dei semiconduttori sono state presentate dal Dr. Kees Biesheuvel della ASM Laser Separation International. Importante in questo settore è l’ablazione dei wafer di silicio, dove il laser USP lavora con precisione micrometrica e non provoca crepe. I sistemi sono anche indispensabili per l’ablazione precisa dei rivestimenti, un processo che semplifica notevolmente i successivi processi di separazione. I sistemi sono utilizzati sia nella produzione di semiconduttori che nell’industria dei display.

La lucidatura laser

La lucidatura laser rappresenta un nuovo campo di applicazione nella tecnologia USP. Astrid Saßmannshausen del Fraunhofer ILT ha presentato la catena di processo completa per questa lavorazione. In questo processo, è importante fondere la superficie e non ablarla. Con parametri di processo adeguati, la rugosità della superficie può essere ridotta su un ampio spettro in un processo a due fasi e si può ottenere una rugosità inferiore a 0,1 µm. Nuove sorgenti di fascio da kW e raffiche fino alla gamma dei GHz miglioreranno ulteriormente la produttività.

Laser USP per l’energia del futuro

Le tecnologie delle batterie e dell’idrogeno costituiscono un settore emergente molto ampio in cui i laser USP possono essere applicati. Nella sua presentazione, il Dr. Karsten Lange del Fraunhofer ILT ha mostrato sia l’ambiente che esempi concreti di ciò. Nella tecnologia dell’idrogeno, ci sono diversi punti di partenza. Il più impressionante è certamente l’ampliamento della superficie effettiva dell’elettrodo di un fattore 1600 attraverso la strutturazione laser, che lo scienziato è stato in grado di ottenere.
La tecnologia delle batterie oggi è tutta incentrata sull’aumento sia della densità di energia che della densità di potenza e i processi laser vengono sviluppati per far progredire entrambi i campi. Ad alte densità di potenza (cioè, processi di carica o scarica veloce), la separazione del litio è attualmente un problema. Il laser USP può essere usato per introdurre micropori negli elettrodi delle batterie, mitigando così il problema. La tecnologia sarà studiata al Fraunhofer ILT in uno speciale laboratorio di batterie a partire dall’estate 2021. Cruciale per l’introduzione diffusa dei laser USP nella produzione di batterie e celle a combustibile sarà la scalabilità della potenza delle sorgenti del fascio. Per una produttività superiore, sono necessari laser USP da 5 a 10 kW.

Prospettive per il 2023

I laser USP hanno preso piede nell’industria, ma l’attuale UKP-Workshop ha anche mostrato quante conoscenze di processo sono ancora in fase di sviluppo per portare il pieno potenziale alla produzione. “L’obiettivo finale sarebbe una fresatrice laser digitale universale in grado di gestire una vasta gamma di compiti di lavorazione”, così il Prof. Arnold Gillner, organizzatore del workshop, ha riassunto la visione.
Alti tassi di ripetizione, alta potenza e come portare la potenza in modo efficiente sul pezzo – queste sono parole chiave che sicuramente avranno un ruolo nel prossimo UKP-Workshop il 26 e 27 aprile 2023 ad Aachen. “Allora speriamo di incontrarci di nuovo di persona”, ha concluso il co-organizzatore Martin Reininghaus, esprimendo il desiderio di tutti i partecipanti.