現(xiàn)如今，有越來(lái)越多的材料給材料加工商帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了切割、鉆孔和構(gòu)造諸如鋁鎂合金、復(fù)合材料、硬金屬合金以及包含金屬顆粒的塑料，就需要用到極具耐磨性的工具材料。這也意味著，選擇的方式通常是合成制造的多晶金剛石（PCD）和工業(yè)陶瓷。

除了具有極高的耐磨性外，這些超硬材料還具有其他優(yōu)點(diǎn)，比如低熱膨脹性和耐腐蝕性。因此，運(yùn)用這些性能超強(qiáng)的材料，能夠確保加工工具的連續(xù)精度和可靠性，同時(shí)還讓軸承、泵和電動(dòng)機(jī)免受高應(yīng)力的磨損。

另外，由于工業(yè)陶瓷具有生物相容性，因此醫(yī)學(xué)工程對(duì)其需求也在不斷增長(zhǎng)。雖然多晶金剛石和工業(yè)陶瓷具有以上多種優(yōu)點(diǎn)，但隨之而來(lái)的問(wèn)題也十分“現(xiàn)實(shí)”，即如何加工這些硬度很高的材料同時(shí)又能保證材料自身不受到加工磨損。

現(xiàn)在，行業(yè)給出的答案是激光。近期，II-VI公司針對(duì)多晶金剛石和超硬陶瓷材料，向市場(chǎng)推出了一套激光研磨系統(tǒng)設(shè)備。根據(jù)該公司披露的數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)的采用電火花加工蝕刻工藝（EDM）相比，這套激光研磨是被處理多晶金剛石和陶瓷的效率高出了2倍，并且不容易出現(xiàn)加工錯(cuò)誤。這套系統(tǒng)的核心器件是波長(zhǎng)1060nm的風(fēng)冷450W光纖激光器。

超短脈沖和水射流導(dǎo)向激光工藝
此前，高性能陶瓷激光加工是德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和其孵化公司Pulsar Photonics聯(lián)合開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)技術(shù)。近年來(lái)，研究所和Pulsar Photonics公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用超短脈沖技術(shù)加工脆性材料，以避免微裂紋和剝落。在皮秒和飛秒激光的幫助下，研究人員可以在諸如氮化硅、鋁和氧化鋯以及二氧化鈦等工業(yè)陶瓷上生成微小的孔結(jié)構(gòu)和切口。

盡管這些材料非常堅(jiān)硬，但激光的非接觸式加工特點(diǎn)避免了加工磨損。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所表示，從材料去除效率和陶瓷加工質(zhì)量來(lái)看，皮秒激光脈沖的生產(chǎn)率很高，可以成為今后可信賴(lài)的加工方式。

除了超短脈沖激光加工外，瑞士企業(yè)Synova使用自主研發(fā)的微水刀激光技術(shù)（Laser MicroJet，簡(jiǎn)稱(chēng)LMJ）處理多晶和單晶金剛石。截至目前，該公司已成功出售了350套LMJ系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是將經(jīng)過(guò)噴嘴聚焦的激光束射入加壓水柱，形成直徑為50微米的“水刀”。

水柱可以起到類(lèi)似光纖的作用，將激光束引導(dǎo)到待加工材料表面。Synova公司表示，微水刀的工藝原理是利用激光束經(jīng)過(guò)水柱時(shí)水與空氣之間過(guò)渡區(qū)域的全內(nèi)反射。當(dāng)微水刀與多晶或單晶金剛石的材料表面發(fā)生接觸時(shí)，25W-30W強(qiáng)度的激光脈沖就能使材料蒸發(fā)，而水的作用一方面是冷卻材料。另一方面也起到了沖洗掉加工區(qū)域燒蝕材料的作用。

如果有需要，微水刀可以在金剛石表面切割出幾厘米的深度。當(dāng)前，LMJ系統(tǒng)不僅可以加工工業(yè)鉆石，還可以加工未打磨的鉆石、水鉆和其他珠寶物件。至此，激光再次展現(xiàn)了非接觸式加工的先進(jìn)工藝。

水射流導(dǎo)向激光工藝在航空業(yè)的應(yīng)用
2017年，美國(guó)GE公司就曾采用Synova公司的LMJ系統(tǒng)加工航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度很高，有時(shí)候甚至?xí)^(guò)了1370℃，接近鋼的熔點(diǎn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片需要采取非常復(fù)雜的方法進(jìn)行冷卻。
為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定工作，工程師就需要在葉片上加工出微細(xì)小孔和通道保證冷空氣的流通。但發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是以每分鐘上千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)且承受了很大的壓力，要在其正確的位置上打孔且不削弱葉片性能是非常復(fù)雜和困難的。

以往，生產(chǎn)企業(yè)通常采用激光束進(jìn)行微小孔的加工，即用激光束加熱葉片表面直到鋼發(fā)生汽化，這一過(guò)程對(duì)精度要求很高，融化的金屬材料會(huì)發(fā)生濺射或形成隨空氣傳播的微觀熔融團(tuán)塊，并粘附到葉片表面。

LMJ系統(tǒng)作為一種“冷加工”工藝，可以在加工葉片時(shí)顯著降低材料周?chē)臏囟炔⑶宄庸ぎa(chǎn)生的碎片。工程師運(yùn)用這種技術(shù)可以設(shè)計(jì)性能更好的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并以更快的速度制造更耐用的零部件。

現(xiàn)在，LMJ技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)高精度應(yīng)用領(lǐng)域，包括金屬、硬質(zhì)材料和半導(dǎo)體加工。手術(shù)刀、針頭和其他醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)，汽車(chē)燃油噴嘴和火花塞的生產(chǎn)企業(yè)，單晶和多晶金剛石（PCD）刀具制造商已經(jīng)開(kāi)始采用該技術(shù)。