無(wú)論是焊接還是表面結(jié)構(gòu)，激光現(xiàn)在都是許多工業(yè)過(guò)程中不可或缺的一部分。 它在未來(lái)的應(yīng)用中仍有很大的潛力。

激光在汽車(chē)工業(yè)中可靠地切割和焊接車(chē)身面板和變速箱部件。他們使用激光熔敷焊接技術(shù)修復(fù)航空工業(yè)中的渦輪葉片，并使用激光粉末床熔合工藝為航天工業(yè)生產(chǎn)定制和輕量化部件。短脈沖激光器通過(guò)其鉆孔、切割或構(gòu)造能力，在電子行業(yè)為新設(shè)備的小型化做出了巨大貢獻(xiàn)。綜上所述：激光是一種全方位的工具，已在眾多行業(yè)中站穩(wěn)腳跟。

圖1在Fraunhofer卓越CAPS集群中開(kāi)發(fā)的低噪聲量子變頻器的實(shí)驗(yàn)室原型。

通過(guò)形成和引導(dǎo)光束，定制的激光可以精確地適應(yīng)相關(guān)過(guò)程。波長(zhǎng)是專為被加工材料選擇的。激光工具仍然提供了工業(yè)和科學(xué)目前正在發(fā)現(xiàn)的許多未被發(fā)現(xiàn)的潛力。創(chuàng)新的激光束源可以實(shí)現(xiàn)新的或改進(jìn)的生產(chǎn)工藝。相反，尚未解決的生產(chǎn)過(guò)程困難需要新的激光束源或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造。

德國(guó)亞琛Fraunhofer激光技術(shù)研究所（ILT）的專家及其合作公司在本文中展示了這種相互依賴目前所帶來(lái)的可能。

高功率超短脈沖激光器是閃耀的恒星

超短脈沖（USP）激光器是一種非常特殊的激光器：其脈沖長(zhǎng)度以皮秒或飛秒為單位。由于光與材料的相互作用時(shí)間極短，材料中產(chǎn)生的熱量非常低。Fraunhofer ILT激光和激光光學(xué)專業(yè)領(lǐng)域經(jīng)理Hans Dieter Hoffmann表示：“一千瓦功率飛秒激光器的領(lǐng)域?！盇mphos和Edgewave等ILT附屬公司已經(jīng)提供高達(dá)1.5千瓦的USP激光器。

圖2使用USP激光器在渦輪葉片中進(jìn)行精密深鉆孔。

亞琛的研究人員目前正與位于耶拿的Fraunhofer應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所合作，在Fraunhofer卓越集群先進(jìn)光子源CAPS中進(jìn)一步擴(kuò)大皮秒或飛秒激光的功率。他們希望達(dá)到三級(jí)，5甚至10千瓦的平均激光功率，并開(kāi)發(fā)適合工業(yè)的設(shè)備。研究人員還在CAPS集群中建立了一個(gè)用戶設(shè)施，實(shí)驗(yàn)室配備了測(cè)試最新激光器的設(shè)備，供來(lái)自工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的感興趣用戶使用。超短脈沖激光可以鉆一個(gè)直徑小于0.5微米的孔。例如，對(duì)于使用計(jì)量吸入器的肺部患者的藥物治療而言，這很有意義。

圖3多光束技術(shù)：如今，144束部分光束可用于生產(chǎn)：弗勞恩霍夫ILT的科學(xué)家們正在研究平行USP激光工藝，最多可使用1000束部分光束，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。

USP激光器也是可持續(xù)的：它們可以替代腐蝕性蝕刻工藝。該研究所所長(zhǎng)Constantin H?fner教授表示：“這是一項(xiàng)非常有希望的舉措，有助于可靠地實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)，我們?cè)贔raunhofer ILT的許多項(xiàng)目中都在遵循這一舉措?！盩emicon公司也在緊跟微納結(jié)構(gòu)表面的生產(chǎn)。Temicon產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主管Mike Bülters解釋道：“我們正越來(lái)越多地尋找能夠直接使用這些工具的解決方案，而不需要中間的平版印刷和鍍鋅工藝。我們認(rèn)為USP技術(shù)是一種可能的替代方法，可以將大面積的緊密聚焦散射功能，甚至折射或衍射光學(xué)功能轉(zhuǎn)移到壓花圓柱體上?！?/p>

在USP技術(shù)中，F(xiàn)raunhofer ILT的研究人員繼續(xù)推動(dòng)的一件事是從微觀到宏觀的轉(zhuǎn)變。如何將USP激光器在微觀水平上對(duì)各種不同材料產(chǎn)生的功能特性擴(kuò)展到大規(guī)模組件，一個(gè)例子是房間氣溶膠過(guò)濾器中的微孔，或用于食品技術(shù)中的微過(guò)濾器。

圖4用于生產(chǎn)電池模塊的激光焊機(jī)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，USP激光器可以達(dá)到極高的強(qiáng)度，這是非常有趣的應(yīng)用。研究人員說(shuō)：“USP激光器甚至可以通過(guò)將光在空間和時(shí)間上聚焦到如此高的能量密度，產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)光源亮度的x射線。這將開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域?！蔽磥?lái)的另一種可能性可能是，通過(guò)使用高強(qiáng)度激光而不是建造巨型粒子加速器，將粒子的速度提高到幾厘米以內(nèi)，幾乎達(dá)到光速。未來(lái)可以設(shè)想一公里長(zhǎng)的同步加速器作為桌面設(shè)備——至少用于一種或另一種工業(yè)應(yīng)用。Fraunhofer ILT也在研究這些“次級(jí)來(lái)源”。

高效電池和燃料電池的激光技術(shù)加工電池和燃料電池的發(fā)展市場(chǎng)是激光發(fā)展?jié)摿薮蟮囊粋€(gè)領(lǐng)域。Kuka Systems的Joachim D?hner表示：“電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)和市場(chǎng)非?；钴S，公司必須能夠?qū)π虏牧虾彤a(chǎn)品設(shè)計(jì)的出現(xiàn)做出快速反應(yīng)。”如今，激光已經(jīng)被用于制造電池，例如用于電池盒的結(jié)構(gòu)焊接或連接電池。

Kuka和Fraunhofer ILT正在合作加入技術(shù)。Gillner解釋道：“公司在使用激光時(shí)面臨的最大挑戰(zhàn)是質(zhì)量和再現(xiàn)性。這里需要材料和工藝方面的專業(yè)知識(shí)?！蓖ㄟ^(guò)使用不同波長(zhǎng)或自適應(yīng)波束形成，可獲得質(zhì)量和再現(xiàn)性最佳的激光相關(guān)解決方案。就生產(chǎn)速度而言，限制因素不是激光，而是機(jī)器。這就是為什么Fraunhofer ILT專家與工業(yè)公司進(jìn)行交流，尋找新的流程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

不僅激光電池的生產(chǎn)令人感興趣，而且燃料電池，特別是質(zhì)子交換膜（PEM）電池的制造也令人感興趣。目前的一個(gè)挑戰(zhàn)是生產(chǎn)量。對(duì)于復(fù)合雙極板，就像那些已經(jīng)廣泛用于固定應(yīng)用的板一樣，使用激光可以很容易地將表面上的聚合物釋放出來(lái)。然而，庫(kù)卡的觀點(diǎn)是，它們的大規(guī)模使用，以及由此帶來(lái)的燃料電池技術(shù)創(chuàng)新前景，在未來(lái)仍有一段路要走。

圖5 LPBF制造的集成傳感器組件。

未來(lái)的數(shù)字化生產(chǎn)：增材制造雖然切割、連接和燒蝕是激光最著名的應(yīng)用，但它們也可以做更多的事情。例如，他們可以逐層添加組件制造。這種數(shù)字化生產(chǎn)不僅在工具制造業(yè)中很有意思，在石油和天然氣行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)以及航空航天技術(shù)中也很有意思。Fraunhofer ILT正在牽頭研究?jī)煞N特殊的增材制造方法：激光材料沉積和激光粉末床融合。

除了激光熔敷焊接外，激光粉末床熔接（LPBF）工藝在3D打印領(lǐng)域也掀起了最大的浪潮。Fraunhofer ILT能力領(lǐng)域經(jīng)理LPBF Jasmin Saewe解釋道：“提高生產(chǎn)力和流程的穩(wěn)健性是議事日程上的頭等大事——我們正在將我們的研究導(dǎo)向這兩個(gè)方面。”

另一個(gè)方面是將先前和后續(xù)工藝步驟集成到一臺(tái)機(jī)器中。所有這些舉措都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即如何將這些生產(chǎn)系統(tǒng)集成到現(xiàn)代計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中，最好是盡可能做到用戶友好和特定于應(yīng)用程序。

功能表面和智能組件

全方位千斤頂激光器的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是表面功能化。“例如，通過(guò)使用激光在表面上沉積一層10到20微米的薄表層，可以增強(qiáng)廉價(jià)但易碎的鑄造組件并防止其磨損?！盕raunhofer ILT職能部門(mén)和表面代理主管Jochen Stollenwerk說(shuō)。當(dāng)需要一層或幾層防腐層以減少磨損時(shí)，表面處理是有意義的。滾珠或滾柱軸承的硬質(zhì)耐磨層也可以通過(guò)溶膠-凝膠涂層實(shí)現(xiàn)，該涂層可以很容易地應(yīng)用并通過(guò)激光處理轉(zhuǎn)化為硬質(zhì)陶瓷層。

研究人員面臨著一個(gè)所謂“智能部件”的核心問(wèn)題：如何使用激光將測(cè)量特性納入表層？一個(gè)可能的答案是：由納米顆粒制成的可打印導(dǎo)電油墨，這些納米顆粒在激光處理過(guò)程中燒結(jié)，并具有導(dǎo)電特性。這種過(guò)程不僅可以創(chuàng)建單個(gè)功能層，事實(shí)上還可以創(chuàng)建多個(gè)層來(lái)生成完整的傳感器。目標(biāo)很明確：傳感器生產(chǎn)應(yīng)與組件生產(chǎn)完全自動(dòng)耦合。例如，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這將允許更換粘貼式膨脹測(cè)量條。

還將有醫(yī)療應(yīng)用：當(dāng)患者采用不自然的行走方式或人工關(guān)節(jié)受到過(guò)度壓力時(shí)，內(nèi)置在人工髖關(guān)節(jié)中的傳感器可以進(jìn)行記錄。結(jié)構(gòu)傳播的噪音或壓力也可以通過(guò)使用壓電墨水的印刷傳感器測(cè)量，壓電墨水在激光束下結(jié)晶。這種傳感器在任何地方都有潛在的用途，因此必須監(jiān)測(cè)有價(jià)值的投資產(chǎn)品（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、渦輪機(jī)和飛機(jī)）的結(jié)構(gòu)狀況。

總之，盡管激光已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但它仍有很大的潛力。

來(lái)源：Photonics Views - 2022 -- Laser a proven tool with a lot more potential