Simulación numérica por elementos finitos de un proceso de microfabricación mediante láser de pulsos ultracortos

Resumen

En el ámbito de la investigación en biomedicina, las técnicas de microfabricación son utilizadas mayoritariamente para crear dispositivos miniaturizados denominados “Organ-on-a-Chip” (OoC). Un OoC es un dispositivo microfluídico que contiene canales, cámaras o membranas de pequeñas dimensiones, que, junto con células vivas, permite simular el entorno de ciertos tejidos humanos e incluso su comportamiento o funcionalidad. Tradicionalmente, la fabricación de las distintas piezas que los componen se realiza en materiales poliméricos transparentes de buenas propiedades ópticas, mediante tecnologías consolidadas como el moldeo por réplica y el grabado en seco. Sin embargo, estos métodos presentan limitaciones significativas, presentándose el micromecanizado mediante láser de pulsos ultracortos como una alternativa potencial, basada en la extracción de material mediante la ablación provocada por la exposición a la radiación láser.

En este trabajo se desarrolla un modelo matemático basado en el método de los elementos finitos (MEF) para simular el proceso de ablación láser en materiales transparentes. La simulación ha sido implementada en el software COMSOL Multiphysics, a través de un modelo en dos dimensiones. La distribución de la intensidad del láser ha sido caracterizada mediante una función gaussiana en el espacio y como un tren de pulsos en el dominio del tiempo. La reducción de energía del láser debido a su paso por un material absorbente se modela según la Ley de Lambert-Beer. Del mismo modo, el efecto del láser en el material se aborda desde un enfoque puramente fototérmico, utilizando las ecuaciones clásicas de transferencia de calor como el principal aspecto a resolver.

Los resultados muestran que la simulación presenta similitudes con el proceso real. El modelo MEF permite obtener un mapa de temperaturas del material durante el procesamiento, lo cual facilita la predicción de las geometrías microfabricadas, considerando la temperatura de degradación del material como criterio crucial para la existencia de ablación. El comportamiento de las geometrías recreadas en la simulación, generalmente cráteres o agujeros pasantes, bajo variaciones de parámetros del láser, como la energía por pulso o el tiempo de procesamiento, se aproxima a la realidad, siguiendo la tendencia de crecimiento en dimensiones a medida que se incrementan estas variables. Las geometrías simuladas se han comparado con resultados experimentales, mostrando una correspondencia aceptable en términos de forma y dimensiones. 

En conclusión, el micromecanizado con láser de pulsos ultracortos supera notablemente al realizado con láseres constantes o de pulsos de larga duración, debido a la evaporación instantánea del material, reduciendo significativamente las zonas afectadas térmicamente. Además, el método ofrece importantes ventajas sobre las técnicas tradicionales, como una mayor flexibilidad, la reducción de la intervención del operario y la simplicidad de uso.