作為一種精密制造工具,超短脈沖激光正在被越來越多的工業(yè)用戶廣泛接受。特別是因?yàn)樵摷夹g(shù)在近些年來取得的技術(shù)進(jìn)步和成果,得以讓企業(yè)的生產(chǎn)力大大提高。在2020年10月9日舉行的弗勞恩霍夫協(xié)會年度會議上,一個(gè)來自工業(yè)研究領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)獲得了合作研究科技促進(jìn)獎(jiǎng)。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的技術(shù)可將一束激光束分成16分束。這意味著16個(gè)并行的工具,可同時(shí)被控制以生成功能表面。
如今,激光加工不僅受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動,也受到環(huán)境的影響。例如,精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)通常使用壓花工具成型,然而傳統(tǒng)濕化學(xué)蝕刻工藝制造壓花工具,通常會對環(huán)境造成不利影響。為了提高生產(chǎn)效率,專家們試圖用激光直接燒蝕代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕蝕刻工藝,他們的愿景是讓生產(chǎn)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展,同時(shí)又對環(huán)境友好。
目前,激光可以很容易地實(shí)現(xiàn)低至幾微米的加工精度。然而,與蝕刻工藝不同的是,激光是按順序加工相關(guān)結(jié)構(gòu)的。因此,單臺激光器對于大面積的加工效率還是太慢。并行使用多個(gè)激光系統(tǒng)的方案具有可行性,但缺點(diǎn)是費(fèi)用過于昂貴。
面對“高效率生產(chǎn)精細(xì)結(jié)構(gòu)”這一行業(yè)愿景,來自Schepers GmbH&Co.KG的機(jī)械工程師Stephan Brüning博士和Matthews International GmbH的Gerald Jenke博士幾年前與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的研究人員攜手合作。他們與EdgeWave GmbH Innovative Laser Solutions公司的Keming Du博士和LIMO GmbH的Manfred Jarczynski博士一起,在“光子學(xué)的基礎(chǔ):功能表面和涂層”的框架下,向聯(lián)邦教育和研究部(BMBF)申請了項(xiàng)目資助。
整個(gè)價(jià)值鏈的可持續(xù)發(fā)展
在MultiSurf聯(lián)合項(xiàng)目中,ArnoldGillner博士與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的MartinReininghaus博士、JohannesFinger博士表示:“任何想要成功開發(fā)這種復(fù)雜技術(shù)的人都應(yīng)該著眼于整個(gè)價(jià)值鏈,這需要多種多樣的技能,也意味著需要加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作?!?/p>
因此,一個(gè)跨公司、技術(shù)和研究所界限的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了利用激光器進(jìn)行高效表面結(jié)構(gòu)加工的解決方案,其技術(shù)核心是平均功率為500W的新型超短脈沖激光器。一個(gè)特殊的光學(xué)器件將輸入的激光輻射分成多達(dá)16個(gè)分束,該技術(shù)甚至可以擴(kuò)展到64個(gè)分束。這些光束由特殊的晶體單獨(dú)控制。光束矩陣被引導(dǎo)到待處理的工件表面后,根據(jù)需要快速打開和關(guān)閉光束以完成加工過程。同時(shí),他們還對最佳材料燒蝕的精確參數(shù)進(jìn)行了模擬,并與弗勞恩霍夫的專家們多年來獲得的工藝知識進(jìn)行了比對。
科技無上限
基于Schepers Digilas機(jī)器的基礎(chǔ),各部件被集成到一個(gè)新機(jī)器系統(tǒng)中。由于它很好地結(jié)合了加工質(zhì)量和速度,這臺機(jī)器超過了目前所有的壓印滾筒結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它可能是世界上第一臺能夠以100mm3/min的燒蝕速度,對金屬進(jìn)行超短脈沖激光微結(jié)構(gòu)加工的設(shè)備。
當(dāng)然,這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域,例如其他輥對輥工藝的應(yīng)用,電池和氫技術(shù)方面的應(yīng)用也在討論中。對于周期結(jié)構(gòu)的燒蝕,弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所也開發(fā)了超過300個(gè)平行光束的燒蝕系統(tǒng),但這些光束不能單獨(dú)控制。所有這些都是生產(chǎn)功能性表面新一代技術(shù)的一部分。當(dāng)激光系統(tǒng)的功率進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí),未來甚至可以經(jīng)濟(jì)地加工更大的表面。例如,通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚梢越档惋L(fēng)力渦輪機(jī)或飛機(jī)機(jī)翼的風(fēng)阻。
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