Procedimiento para fabricar canales, pocilios y/o estructuras complejas en vidrio

Sector de la invención

La presente invención se refiere a un proceso para el procesado de vidrio utilizando una fuente láser. Más particularmente, este proceso comprende la realización de estructuras con diferentes geometrías y profundidades en substratos de vidrio, utilizando un método de ablación láser indirecto subacuático.

Antecedentes

La microfluídica es un campo de gran interés por sus múltiples aplicaciones en química, ingeniería y medicina. Los dispositivos microfluídicos pueden tener estructuras muy complejas, en las que el canal puede considerarse la unidad más básica. Mediante la ablación láser es posible realizar estructuras con dimensiones y geometrías variadas sobre sustratos de vidrio. El vidrio es uno de los sustratos más interesantes en el campo de la microfluídica porque ofrece mejores condiciones para los experimentos en términos de estabilidad química y calidad óptica para la inspección. Además, un máster de un dispositivo de microfluídica fabricado con vidrio puede ser reutilizado numerosas veces.

Aprovechando las impurezas del vidrio es posible fabricar estructuras por ablación láser, incluso para sustratos que son transparentes a la longitud de onda del láser. Sin embargo, las dimensiones de estas estructuras son del orden de decenas de micrómetros (Daniel Nieto, Justo Arines, and María Teresa Flores- Arias, "Fluence ablation threshold dependence on tin impurities in commercial soda-lime glass," Appl. Opt. 53, 5416-5420 (2014)). Para fabricar estructuras de mayor tamaño (en el rango de los milímetros), la técnica más adecuada es la ablación láser indirecta o ablación asistida por plasma inducido por láser (LIPAA). Esta técnica consiste en enfocar un láser sobre un blanco metálico situado bajo un vidrio o un material transparente a la longitud de onda del láser utilizado (Zhang J, Sugioka K, Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation of fused quartz using the fourth harmonic of a Nd +:YAG laser. Appl Phys A Mater Sci Process 1998;67:545-9). El plasma generado por la interacción del láser con el blanco metálico permite iniciar la ablación de la cara posterior del vidrio (Zhang, J., Sugioka, K. & Midorikawa, K. High-quality and high- efficiency machining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation using conventional nanosecond UV, visible, and infrared lasers . Appl Phys A 69, S879-S882 (1999), Koji Sugioka, Katsumi Midorikawa, Hiroshi Yamaoka, Yutaka Gomi, Masayoshi Otsuki, Ming Hui Hong, Dong Jiang Wu, Lai Lee Wong, and Tow Chong Chong "Glass microprocessing by laser-induced plasma-assisted ablation: fundamental to industrial applications", Proc. SPIE 5506, Nonresonant Laser-Matter Interaction (NLMI-11), (15 July 2004)). A modo de ejemplo, con esta técnica se han fabricado estructuras de dimensiones milimétricas que simulan grandes vasos sanguíneos, en particular, bifurcaciones de arterias coronarias (Aymerich M, Alvarez E, Bao-Varela C, Moscoso I, González-Juanatey JR, Flores-Arias MT. Laser technique for the fabrication of blood vessels-like models for preclinical studies of pathologies under flow conditions. Biofabrication 2017;9:025033). En este caso, fue necesario refocalizar el láser para conseguir canales con una profundidad máxima de 1,2 mm con la limitación de que el método sólo permite obtener paredes inclinadas.

La fabricación de diferentes elementos en vidrio con profundidades del orden de varios milímetros sigue siendo un reto a día de hoy. La profundidad de los canales obtenidos por LIPAA es limitada, principalmente debido a la acumulación del material ablacionado entre el vidrio y el blanco. An et al. (An R, Li Y, Dou Y, Yang H, Gong Q. Simultaneous multimicrohole drilling of soda-lime glass by water-assisted ablation with femtosecond laser pulses. Opt Express 2005; 13 : 1855) propusieron el uso de agua para reducir la redeposición de material y el efecto de bloqueo del haz láser al perforar agujeros micrométricos en vidrio sodocálcico mediante pulsos de láser de femtosegundo. En este caso, el láser se enfoca a la parte posterior del sustrato de vidrio que se perfora directamente con el láser y a medida que se fabrica el canal se va rellenando de agua. Se obtienen canales internos con diámetros máximos de entre 3 y 20 micrómetros y longitud de hasta 90 micrómetros aproximadamente.

Breve descripción de la invención

Los autores de la presente invención han desarrollado un procedimiento que permite fabricar canales, pocilios y/o estructuras complejas en un vidrio con paredes rectas, es decir, perpendiculares a las caras del vidrio. El procedimiento permite fabricar estos canales, pocilios y/o estructuras complejas con una profundidad mínima de 500 pm asegurando que las paredes sean rectas. Pero además, el procedimiento también permite alcanzar mayores profundidades, de hasta 5 mm, manteniendo las paredes rectas. Así, la invención se dirige a los vidrios con estos canales, pocilios y/o estructuras complejas y al procedimiento de fabricación.

La presente invención se refiere a un vidrio caracterizado por tener canales, pocilios y/o estructuras complejas con paredes verticales y siendo la profundidad de los canales, pocilios y/o estructuras complejas superior a 500 pm.

La invención también se dirige a un procedimiento para fabricar canales, pocilios y/o estructuras complejas en vidrio, que comprende: enfocar un haz láser sobre una lámina metálica a través del vidrio, donde el vidrio está colocado en paralelo respecto a la lámina metálica, y entre el vidrio y la lámina metálica hay un líquido transparente seleccionado de entre el grupo que consiste en agua desionizada, agua destilada, etanol, metanol y acetona.

La invención también se dirige a un vidrio caracterizado por tener canales, pocilios y/o estructuras complejas con paredes verticales y siendo la profundidad superior a 500 pm, obtenible mediante el procedimiento de la invención.

Descripción de las figuras

Para complementar la descripción de la presente invención y con objeto de ayudar a una mayor comprensión de las características de la misma, se acompañan ciertas figuras que tiene exclusivamente carácter ilustrativo y no son limitativas.

La Figura 1 muestra un esquema con la disposición experimental en la zona de ablación. Sobre el sustrato de vidrio (1) se colocan unas sujeciones (2) para impedir el desplazamiento del vidrio debido a la presión ejercida durante el proceso de fabricación. En la figura se representa también el haz láser (3), el blanco metálico (4), separadores (5) y agua desionizada (6).

La Figura 2a muestra una imagen confocal 3D reconstruida de un canal rectangular representativo, y en la Figura 2b su perfil correspondiente.

La Figura 3a muestra una vista superior de una matriz de pocilios de 3 mm de diámetro fabricados en un vidrio sodocálcico. En la Figura 3b se puede visualizar la profundidad de los pocilios fabricados. Descripción detallada de la invención

Definiciones

En la presente invención, el término “pocilios” se refiere a agujeros de paredes perpendiculares a las caras del vidrio cuya base puede presentar diferentes formas, entre otras forma circular, ovalada, rectangular o cuadrada.

En la presente invención, la expresión “estructuras complejas” se refiere a estructuras compuestas por la combinación de canales rectos y canales que dibujen curvas, o combinaciones de canales con distintas geometrías y combinaciones de pocilios y/o pocilios y canales.

En la presente invención, la expresión “pared recta” se refiere a que las caras laterales de los canales y/o pocilios y/o estructuras complejas son perpendiculares a las caras del vidrio.

En la presente invención, el término “pasadas” se refiere al número de veces que se hace incidir el láser sobre el metal siguiendo el patrón de la forma previamente diseñada.

En la presente invención, el término “refocalizar” se refiere a volver a enfocar el haz láser sobre el blanco metálico.

La presente invención se refiere a un vidrio caracterizado por tener canales, pocilios y/o estructuras complejas con paredes verticales y siendo la profundidad de los canales, pocilios y/o estructuras complejas superior a 500 pm. En una realización particular la profundidad de los canales, pocilios y/o estructuras complejas es preferiblemente entre 500 pm y 2mm, más preferiblemente entre 2 mm y 5 mm, más preferiblemente entre 3 mm y 5 mm, aún más preferiblemente entre 4 mm y 5 mm.

La fabricación de canales, pocilios y/o estructuras complejas en vidrio con paredes verticales y siendo la profundidad de los canales, pocilios y/o estructuras complejas superior a 500 pm, preferiblemente entre 500 pm y 2mm, más preferiblemente entre 2 mm y 5 mm, más preferiblemente entre 3 mm y 5 mm, aún más preferiblemente entre 4 mm y 5 mm, es posible gracias al procedimiento de la invención. En el procedimiento de la invención se enfoca el haz láser sobre la lámina metálica a través del vidrio. La lámina metálica absorbe la longitud de onda del láser, como blanco para inducir el plasma. De este modo se consigue una ablación indirecta. En esta ablación indirecta, se produce la ablación del vidrio por la acción del plasma generado en el proceso de interacción del haz láser con el metal, a diferencia de la ablación directa en la que la acción del láser tiene lugar sobre el vidrio directamente. En el procedimiento de la invención se combinan los efectos de las ondas de choque mecánicas, la pluma de ablación inducida y la generación de burbujas de cavitación, para dar lugar a la ablación de la cara posterior del vidrio, la cara enfrentada a la lámina metálica.

Lfri experto en la materia conoce y es capaz de seleccionar los parámetros necesarios en el experimento para que se produzca la ablación indirecta. Los valores de esos parámetros y sus combinaciones son conocidos en la técnica o pueden surgir del ensayo de los mismos, como por ejemplo, la potencia, la duración del pulso, la frecuencia y la velocidad a la que se mueve el láser. El experto podrá llegar a las combinaciones óptimas para cada caso.

En el procedimiento de la invención se emplea un líquido transparente seleccionado de entre el grupo que consiste en agua desionizada, agua destilada, etanol, metanol y acetona. Este líquido facilita la expulsión del material durante la ablación del vidrio. Debido al efecto del líquido, la carga térmica y la redeposición de restos de material en el área de trabajo de interés se reducen debido a que la capacidad calorífica específica del líquido empleado y la conductividad térmica son mayores que la del aire. Gracias a ello, el exceso de calor es transportado por el líquido lejos de la zona de trabajo más rápido que a través del aire. El líquido puede tener un efecto refrigerante. Asimismo, se evita que el material extraído vuelva a solidificarse sobre el sustrato. Por otro lado, el plasma que se genera en el proceso de ablación absorbe parte de la energía láser incidente y reduce el acoplamiento de la energía del láser con la superficie del material. La incorporación del líquido provoca que tanto el tamaño como la duración del plasma se reduzcan. El retraso en el inicio de la formación de plasma provoca que la superposición con el pulso láser disminuya, reduciendo el efecto blindaje y mejorando la eficiencia del proceso. El líquido incorporado en el proceso puede estar estanco o ser introducido como un flujo. En este último caso, el flujo favorece aún más el arrastre de material sobrante extraído del sustrato. El proceso descrito en la presente invención tiene la ventaja de permitir obtener formas en el vidrio que pueden ser sencillas como canales o pocilios, y también estructuras complejas.

Además este proceso tiene la ventaja de que las paredes que se obtienen en estas formas son rectas, más rectas que las obtenidas con otras técnicas. Incluso, es posible conseguir estructuras con paredes perpendiculares a las caras del sustrato con una profundidad mínima de 500 pm.

Una de las principales ventajas del procedimiento de la invención es que permite la fabricación de canales, pocilios y/o estructuras complejas con profundidades que comprenden desde 500 pm a 1,4 mm, con paredes verticales y sin necesidad de refocalizar el láser, con superficies interiores con rugosidades de entre 10 y 20 pm (como se demuestra en el ejemplo 1). También permite alcanzar profundidades mayores, incluso hasta 5 mm, tras sucesivas refocalizaciones del haz láser y la introducción de un flujo del líquido, que favorece el arrastre del material sobrante (como se demuestra en el ejemplo 2). Un posible esquema experimental para realizar el proceso de la invención se ilustra en la figura 1.

Así, el procedimiento comprende una etapa adicional en la que se refocaliza el láser. Y el procedimiento también puede comprender otra etapa adicional en la que se introduce el flujo del líquido.

En una realización particular, el procedimiento comprende una etapa adicional de tratamiento térmico. Este tratamiento térmico permite modificar la rugosidad de las estructuras, que va a depender de las rampas de calentamiento y del tiempo y temperatura que se mantengan durante el tratamiento. En una realización particular, el calentamiento térmico se mantiene entre 1,5 horas y 3 horas a una temperatura de entre 500°C y 650°C.

Posibles materiales empleados

Para la invención se usan de manera preferida un láser pulsado de nanosegundos. Así, entre los láseres pulsados de nanosegundos son preferidos el láser de Nd:YVO4 emitiendo a la longitud de onda fundamental de 1064 nm, y el láser de Nd:YAG emitiendo a la longitud de onda fundamental o a 532 nm, a 355 nm y a 266 nm. En general, la lámina metálica podría estar constituida por cualquier metal ya que todos ellos puede ser tratados con un láser seleccionando los parámetros láser adecuados. En una realización particular, la lámina metálica se selecciona entre una lámina de acero, latón, cromo y plata. El acero puede ser acero carbono o acero inoxidable.

En el procedimiento de la invención, los mejores resultados se obtienen cuando el vidrio es sodo-cálcico, vidrio borosilicato, pyrex® o cuarzo.

Una forma de realizar la invención es colocar el vidrio a una distancia de la lámina metálica de entre 0,07 mm y 0,58 mm. De este modo se asegura que el efecto de la ablación de material sobre el vidrio es más eficiente.

En una realización particular, el líquido cubre una parte del vidrio inferior al 80% del espesor del vidrio, preferiblemente inferior al 70%, más preferiblemente inferior al 50%.

En otra realización preferida, el conjunto vidrio-lámina metálica se dispone de manera que se evitan desplazamientos y es plano.

También es posible desplazar el conjunto de la lámina metálica, el vidrio, y opcionalmente el líquido entre ambos, manteniendo fija la dirección de incidencia del haz láser.

Parámetros optimizados

En una realización particular, el haz láser se desplaza a lo largo de la lámina metálica. En una realización más particular, ese desplazamiento se realiza mediante un sistema de espejos galvanométricos. En una realización preferida, la luz láser tiene una velocidad de desplazamiento del haz de entre 200 mm/s y 600 mm/s. A velocidades diferentes de este rango pueden existir daños en los bordes de la estructura. En una realización preferida, el láser tiene una tasa de repetición de entre 8 y 12 kHz. A tasas de repetición diferentes de este rango pueden existir un aumento de daños en los bordes de la estrucura.

Para optimizar los resultados del procedimiento, la luz láser se aplica en un número de pasadas igual o superior a 10 pasadas. De este modo es posible obtener paredes rectas en canales, pocilios y/o estructuras complejas de tan sólo 500 pm. Para obtener profundidades mayores es posible aumentar el número de pasadas, por ejemplo entre 10 y 75 pasadas, y de manera preferida entre 20 y 50 pasadas. En la presente invención, los mejores resultados a la hora de fabricar canales de paredes rectangulares, pocilios y/u otras estructuras complejas se obtienen cuando se utilizan los siguientes parámetros de trabajo: 30 pasadas, potencia media de 4,92 W, tasa de repetición de 10 kHz y velocidad de desplazamiento del haz de 200 mm/s.

En comparación con otros procesos de mecanizado del vidrio, el procedimiento de la presente invención además de permitir fabricar estructuras de tamaños muy variados, presenta otras ventajas como la sencillez y la flexibilidad de diseño, siendo posible fabricar elementos complejos con una gran profundidad en comparación con otros procedimientos de estructuración del vidrio, como por ejemplo la escritura directa por ablación láser, seleccionando los parámetros de mecanizado adecuados para cada estructura.

Métodos y diseño experimental

Los siguientes ejemplos sirven para ilustrar la presente invención y no suponen una limitación de la misma.

Ejemplo 1.

Se parte de una disposición experimental como es la mostrada en la figura 1. Dicha disposición comprende la generación de plasma mediante la ablación de un blanco de acero de 150 m de espesor (H+S PRÁZISIONSFOLIEN GmbH, VohenstrauB, Alemania) utilizando un láser Q-Switch de Nd:YVO4 (Rofin; Plymouth, MI, USA), emitiendo a una longitud de onda de 1064 nm, y con una duración de pulso de 20 ns. El vidrio a estructurar es un vidrio sodo-cálcico transparente a la longitud de onda de la fuente láser y que se mantiene separado de la lámina metálica una distancia igual a 145 ± 15 pm. El conjunto vidrio-lámina metálica se sumerge en agua desionizada y se coloca sobre él un conjunto de pesos para evitar desplazamientos durante el estructurado del vidrio y garantizar la planitud del sistema. Durante la generación del plasma inducido por la interacción del láser con la lámina metálica se producen burbujas de cavitación y ondas de choque que se propagan desde el metal hacia el vidrio favoreciendo el proceso de ablación. Para obtener canales de perfil rectangular y diferentes profundidas se utilizan los siguientes parámetros de trabajo: potencia media de 4,92 W, tasa de repetición de 10 kHz y velocidad de desplazamiento del haz de 200 mm/s. Los resultados obtenidos mediante microscopía confocal se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Relación entre la profundidad obtenida para los canales en función del número de pasada láser realizadas.

En la figura 2a) se muestra una imagen confocal 3D reconstruida de un canal rectangular representativo y en la figura 2b) el perfil correspondiente. Los parámetros láser de trabajo utilizados en este caso son una longitud de onda de operación de 1064 nm, velocidad de desplazamiento del haz de 200 mm/s y 30 pasadas láser. Otro parámetro que se puede modificar durante la fabricación es la rugosidad del fondo de los canales. En la Tabla 2 se muestra la evolución de la rugosidad evaluada en base a la media aritmética de la superficie S(a) sobre un área de of 250x250 pm ² con la tasa de repetición del láser, utilizando una potencia media de 4,92 W y velocidad de desplazamiento del haz de 200 mm/s.

Tabla 2. Valores obtenidos de la rugosidad del fondo en base a la media aritmética de la superficie (Sa) de los canales en función de la tasa de repetición del láser. Las medidas han sido realizadas de acuerdo a la norma ISO 25178. Ejemplo 2.

Utilizando una variante del ejemplo anterior se pueden conseguir canales, u otro tipo de estructuras, con profundidades superiores. En este caso, en lugar de un recipiente con agua estanca se introduce un flujo de agua que permite arrastrar los residuos de material generados durante la ablación, evitado la redeposición de dichos residuos sobre el fondo y en los bordes de los canales. Además, en este ejemplo el haz láser se refocaliza sobre la lámina metálica de acero para garantizar la continuidad del proceso de ablación. En particular, manteniendo los parámetros de trabajo láser del ejemplo 1, se han fabricado canales rectangulares y pocilios, como los mostrados en la figura 3, con una profundidad de 4,22 mm.

Como se puede observar de los resultados de los ejemplos 1 y 2, el procedimiento de la invención permite controlar la profundidad de los canales rectangulares fabricados y su rugosidad variando los parámetros láser de trabajo y el número de pasadas láser empleadas.