Study on Flow Characteristics in Confined Spaces during Water-Jet Guided Laser Micro-Grooving of RB-SiC

في عالم التصنيع المتقدم، يمثل إنشاء قنوات دقيقة ومتناهية الصغر في المواد الصلبة تحدياً مستمراً. وتتضمن إحدى الطرق القوية استخدام شعاع ضوئي مركز لصهر أو تبخير المادة، وهي عملية تُعرف باسم التشغيل بالليزر. ولجعل هذه العملية تعمل بشكل أفضل، غالباً ما يضيف المهندسون تياراً من الماء لتبريد المنطقة وغسل الحطام الناتج. وعندما يجتمع هذان القوتان، يتم توجيه الماء ليتدفق جنباً إلى جنب مع شعاع الليزر، مما يخلق أداة هجينة تقطع بالحرارة بينما تقوم في الوقت ذاته بتنظيف موضع القطع. وتعد هذه التقنية ذات قيمة خاصة عند العمل مع كربيد السيليكونون المرتبط بالتفاعل، وهو سيراميك شديد الصلابة يُستخدم في البصريات والإلكترونيات عالية الأداء. ومع ذلك، عندما يقطع الليزر قناة ضيقة جداً، يصبح الفراغ داخلها ضيقاً للغاية بحيث يتصرف الماء والضوء بشكل مختلف عما يتصرفان به في الهواء الطلق. إن فهم كيفية تحرك الماء بدقة وكيف يؤثر هذا التحرك على قدرة الليزر على القطع أمر ضروري لجعل هذه الأخاديد الصغيرة ملساء ودقيقة.

لقد شرع الباحثون في استقصاء هذا السلوك الخفي داخل أخدود بعرض خمسين ميكرومتراً محفور في كربيد السيليكونون المرتبط بالتفاعل. وقد جمعوا بين المحاكاة الحاسوبية وتجارب التشغيل الفيزيائية لمراقبة ما يحدث عندما يعمل الليزر ونفاث الماء معاً في مثل هذا الفضاء الضيق. وكشفت أعمالهم أن الماء لا يتدفق ببساطة بشكل مستقيم إلى أسفل القناة، بل يشكل لولبات ثلاثية الأبعاد، ملتفاً أثناء حركته. وعندما ارتفع ضغط نفاث الماء من عشرين ميجاباسكال إلى خمسة وثلاثين ميجاباسكال، أصبحت هذه اللولبات أكثر عنفاً، مما خلق دوامات وتلاطم اضطرابي ضد جدران الأخدود. تسبب هذا الاضطراب في جعل كثافة الماء نفسها غير متساوية، مما أدى بدوره إلى جعل طريقة انتقال الضوء عبره متذبذبة. ونتيوة لذلك، تشتت شعاع الليزر، وأصبح توزيع الطاقة التي يوصلها إلى قاع الأخدود غير متساوٍ بدلاً من أن يكون ثابتاً.

تعتمد جودة قاع الأخدود النهائي على توازن دقيق بين مدى انتظام توزيع طاقة الليزر ومدى قدرة نفاث الماء على كشط المادة المنصهرة. ووجدت الدراسة أنه مع ارتفاع ضغط الماء ضمن النطاق المختبر، لم تتحسن خشونة قاع الأخدود بشكل مستمر، بل أصبحت في البداية أكثر خشونة قبل أن تصبح في النهاية أكثر نعومة مرة أخرى. وإلى جانب هذه التغيرات، زادت درجة الأكسدة، أو التفاعل الكيميائي مع الأكسجين، في المنطقة التي تمت معالجتها. كما لاحظ الباحثون أن الإعدادات المستخدمة لنبضات الليزر كانت مهمة للغاية؛ حيث أدى زيادة التردد الذي يطلق به الليزر النار إلى جعل السطح أكثر خشونة، بينما ساعدت حركة الليزر بسرعة أكبر عبر المادة في تقليل عيوب السطح هذه.

ومن خلال رسم خريطة للعلاقة المعقدة بين الماء المتدفق بشكل لولبي، والضوء المشتت، والمادة التي يتم إزالتها، توفر هذه الدراسة صورة أوضح للقوى الفيزيائية المؤثرة. وتقدم النتائج إرشادات عملية للمهندسين الذين يحتاجون إلى تحسين هذه العملية لقطع هذه المواد الصعبة. فبدلاً من التخمين بشأن الإعدادات الصحيحة، يمكنهم الآن فهم أن تدفق الماء داخل القناة الضيقة هو عامل حاسم يجب إدارته لضمان بقاء طاقة الليزر مركزة والسطح الناتج أملس.