當(dāng)精度要求達(dá)到一微米的時候，超短脈沖激光(或超快)對于重塑、焊接，或以其他方式修改大量的材料來說是最棒的工具。傳統(tǒng)激光焦點能量在空間和波長上達(dá)到精度和成本效率比機械工具或等離子體放電侵蝕更加優(yōu)秀。超短脈沖激光增加高脈沖的能量極大地改變光物反應(yīng)。
使用超短脈沖激光在微加工中的特有優(yōu)勢包括增強的尺寸精度和更嚴(yán)格的公差，減少損害并去除后續(xù)處理步驟。這些激光器利用薄磁盤或光纖架構(gòu)，使大功率輸出，脈沖持續(xù)時間達(dá)到飛秒的范圍。雖然該設(shè)備最初花費更多，但加工精度發(fā)生實質(zhì)性的改善，讓新設(shè)計降低整體時間，生產(chǎn)線的操作成本。因此，超短脈沖激光已經(jīng)成為汽車，醫(yī)療設(shè)備和消費電子等行業(yè)重要的生產(chǎn)工具(見圖1)。
圖1 超短脈沖激光器制作的微自行車與站立的歐元硬幣大小的比較
高價值的產(chǎn)品，如智能手機、汽車和醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計尺寸精度在幾年前對于制造成本來說是不切實際的。精密的好處是明顯的:輕量級的電子設(shè)備，燃料高效利用，低污染的汽車和更多功能可靠的醫(yī)療設(shè)備。
例如，保護智能手機和平板電腦的觸摸屏或相機鏡頭的透明蓋板是強化玻璃或藍(lán)寶石材料，因為這些材料的硬度和抗劃傷性，切割時必須沒有任何模式偏差、裂紋，切割邊緣要保證10μm以下誤差，以避免影響后續(xù)生產(chǎn)步驟以及消費者的觸控體驗。
機械力的鉆石鋸，或傳統(tǒng)激光技術(shù)相關(guān)的熱切割過程中產(chǎn)生的不受控制的脆性裂紋、鋸齒的邊緣和缺陷。這些通常被切割后會加上研磨和拋光的步驟。
相比之下，超短脈沖激光器切割玻璃和藍(lán)寶石過程中，由于沒有機械力或熱擴散影響，切割邊緣沒有大的瑕疵。由于蓋板是按照設(shè)計規(guī)范用激光直接切割，所以研磨和拋光是必要的。此外，超短脈沖激光器可以加工脆性材料但是不能使用機械工具(見圖2)。
圖2 使用超短脈沖激光器在陶瓷、玻璃和藍(lán)寶石等材料上切出各種形狀和大小
在高產(chǎn)能、大容量的環(huán)境下，各部分都要達(dá)到設(shè)計精度是十分必要的。因為高價值產(chǎn)品的性能直接取決于準(zhǔn)確匹配設(shè)計公差，生產(chǎn)線上，任何缺乏可重復(fù)性意味著各單位產(chǎn)品性能變化。甚至導(dǎo)致不能達(dá)到消費者的期望或政府監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，不受控制的產(chǎn)品變化是一個嚴(yán)重的問題對于許多新穎的產(chǎn)品技術(shù)。
新一代的汽車的燃料噴射器，稱做氣體直接噴油器(GDi)，就是一個精密制造理論的例子。發(fā)動機性能的一個主要因素是產(chǎn)生的噴流型發(fā)動機氣缸中的每個噴油器。在氣缸控制燃燒動力學(xué)中，燃料噴射量和燃料液滴的分布最終影響燃油效率和引擎的馬力。噴油器性能要求噴孔直徑和定義好的邊緣裂縫的公差保持±1μm以內(nèi)。
以前，GDi噴孔通過火花塞（EDM）用高碳鋼噴射器鉆洞。使用EDM技術(shù)的大量噴油器的孔徑公差通常在±3μm，源于電侵蝕的隨機性質(zhì)。這會導(dǎo)致噴油器的噴流型變化，或多或少導(dǎo)致的燃料在發(fā)動機汽缸中循環(huán)，成為影響發(fā)動機性能的主要因素。
另一方面，超短脈沖激光鉆孔加工，每一個激光脈沖精確去除相同數(shù)量的材料，實現(xiàn)一個近乎完美的噴孔。每束激光脈沖打孔的深度，根據(jù)脈沖能量設(shè)置不同，在在幾十到幾百納米之間。激光鉆孔很容易達(dá)到±1μm孔徑公差。通常1秒鐘每孔。因此，每個噴嘴有效噴出燃料，發(fā)動機符合所有的性能和排放要求(見圖3)。
圖3 高縱橫比微孔鉆超短脈沖激光器
當(dāng)傳統(tǒng)激光加工無法完成微米級別加工及大量的返工。同時，部分產(chǎn)品可能在最后檢查中未通過，嚴(yán)重影響工廠的產(chǎn)量。后置處理通常包括體力勞動，腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，微調(diào)生產(chǎn)線上的各個部分。這些強加的額外的成本可能進一步減少產(chǎn)量。因此，所有生產(chǎn)設(shè)備的總成本(每年)，包括所有后處理部分，是精密制造業(yè)的最佳比較選擇。
心血管支架的制造是一個明確證明，激光加工過程是從一個擠壓金屬管子切割出錯綜復(fù)雜的格子花紋。格子花紋可以支撐10μm寬度設(shè)計，通常包含了許多急彎處和柔性鉸鏈。常規(guī)激光加工會產(chǎn)生熱影響區(qū)(HAZ)和重塑金屬，后處理前必須完成最后拋光和支架的裝配。手動去毛刺和化學(xué)腐蝕是消除缺陷的常見方法，而這些需要為熟練工人和材料增加成本。
全面投產(chǎn)中，超短脈沖激光切割擠壓管的支架沒有明顯的熱影響區(qū)和重塑。這意味著手工去毛刺和化學(xué)腐蝕生產(chǎn)過程可以去掉，直接到拋光和轉(zhuǎn)配階段。此外，超短脈沖激光器的加工可以適應(yīng)不同材料和不同結(jié)構(gòu)。因此此設(shè)備可以裝配多種醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)品線。再利用設(shè)備提供了引人注目的總成本，節(jié)省了醫(yī)療設(shè)備制造商成本(見圖4)。
圖4 超短脈沖激光器在金屬管上切割的復(fù)雜圖案
超短脈沖激光材料加工的好處是二十多年前在學(xué)術(shù)界和國家實驗室的研究人員首次確認(rèn)。事實上，首次提出應(yīng)用之一是在軍事武器方面飛秒激光加工高揮發(fā)性材料。高功率超短脈沖激光在商業(yè)應(yīng)用的成本更加敏感，只在過去五年工業(yè)激光系統(tǒng)達(dá)到適當(dāng)?shù)某杀?、性能和可靠性組合，對大數(shù)量的生產(chǎn)有積極的影響。
大部分高功率、工業(yè)超短脈沖激光器是基于薄磁盤或光纖激光器結(jié)構(gòu)，是因為這種幾何構(gòu)造對于熱處理的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的激光晶體棒相比，薄圓盤和光纖的幾何圖形面積與體積比率很高，意味著熱提取更迅速、更均勻。這種激光架構(gòu)在過去的十年里整個激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展同時為工業(yè)超短脈沖激光上鋪了一條清晰的道路。
高功率、高能量超短脈沖激光器使用的是激光振蕩放大器架構(gòu)而不是簡單的單束激光腔。飛秒激光進一步要求啁啾脈沖放大(CPA)去保持高峰值功率脈沖。這些工業(yè)激光器設(shè)計架構(gòu)概念比傳統(tǒng)的激光器更加復(fù)雜。盡管如此，超短脈沖激光器的測試和穩(wěn)定發(fā)展引領(lǐng)著實際工業(yè)電器制造業(yè)，如德國通快的激光系統(tǒng)。
實際上，即便是超短脈沖激光也有精度限制。每一種材料和每一部分結(jié)構(gòu)都有特定的要求，限制了激光工藝參數(shù)的選擇。當(dāng)激光的平均功率足夠高時，飛秒和皮秒激光脈沖甚至可以把量化的熱能傳給底層，通過比較每一部分光束的相對運動。例如，每個噴油器噴孔被殼體限制了油量。熱量累積就會發(fā)生，高功率激光水平影響零件質(zhì)量。你只能將零件或激光束移動如此之快。
一般來說，更高的激光功率縮短了脈沖寬度，達(dá)到了非熱加工要求。為什么不使用更短脈沖激光呢?在某些時候，激光光束傳到材料成為限制因素。典型的微加工應(yīng)用，光束集中在10μm直徑，脈沖能量在100mJ范圍內(nèi)，減短脈沖持續(xù)時間大約400fs時會導(dǎo)致光束自聚焦。這是在常壓下的克氏折射率的假設(shè)。
與傳統(tǒng)的激光相比，超短脈沖激光的生產(chǎn)參數(shù)包含更多的選項。在越來越多的情況下，某種程度上增加的復(fù)雜性讓激光材料加工的好處不在引人注目。實現(xiàn)超短脈沖激光材料加工要求技術(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用專家的工作使流程更加專業(yè)。
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