雖然激光加工現(xiàn)在已經(jīng)廣泛參與到汽車生產(chǎn)中，并且樹立了其良好的地位，然而每年持續(xù)不斷開發(fā)出的新激光技術(shù)，正在讓汽車這一激光應(yīng)用的核心市場領(lǐng)域進(jìn)一步受益。激光及其衍生的一些技術(shù)，例如金屬 3D 打印和一些輕質(zhì)材料（如塑料等）的焊接技術(shù)，正在讓汽車制造商們可以針對性地對其生產(chǎn)的零件進(jìn)行調(diào)整，或者考慮采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同樣地，如何優(yōu)化當(dāng)前汽車工業(yè)中使用的生產(chǎn)工藝和零件對從業(yè)者們來說是非常重要的，這也是當(dāng)前正值開發(fā)過程的許多新的表面處理技術(shù)正在尋求解決的問題。
制作耐磨熱沖壓工具
Felix Spranger 和他在德國聯(lián)邦材料研究與測試學(xué)院（BAM）焊接技術(shù)系的同事分享了他們使用激光表面處理來解決熱沖壓模具在汽車生產(chǎn)中使用時的持續(xù)性問題。通過熱沖壓，可以使高強(qiáng)度鋼板（通常是 22MnB5 硼錳鋼）被制成具有高剛度和低重量的組件。近年來，該技術(shù)已越來越多地被汽車 OEM 制造商應(yīng)用于生產(chǎn)車輛的車身結(jié)構(gòu)中的輕型組件上。
為了確保腐蝕防護(hù)同時避免形成氧化皮，所用于加工的鋼板均涂有 Al-Si 層。然而，根據(jù) Spranger 的說法，為了讓這種涂層有效地形成，需要把鋼加熱到 800℃以上，所以這很可能會導(dǎo)致所用成型工具上的大量粘合劑磨損，除了會大大降低了鋼板的使用壽命以外，還會降低使用它們所制成的零件的涂層質(zhì)量。
他繼續(xù)說，“因此，熱沖壓模具的返工會需要花費(fèi)大量時間和成本。制造業(yè)必須想辦法避免這種情況，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的沖壓車間中，這是一個非常主要的問題?！?/span>
研究人員們計(jì)劃使用一種稱為激光植入的技術(shù)來解決這個問題，該技術(shù)主要為——使用脈沖激光在表面內(nèi)使表面局部分散出鈦化合物（例如 TiN，TiC，TiB2 等鈦化合物制成）的硬陶瓷顆粒，來產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)從而表現(xiàn)出耐磨性能。通過使用激光植入技術(shù)，就可以在沖壓工具的表面上產(chǎn)生圓頂狀的微結(jié)構(gòu)，尤其當(dāng)使用 TiB2 顆粒時，可以提供高達(dá)1600維氏的硬度值。根據(jù) Spranger 的研究，這些微結(jié)構(gòu)已被證明在減少成形工具的磨損方面非常有效。
圖 1. 激光植入工藝原理（來源：BAM）
他評論說：“通過采用合適的激光植入表面紋理，我們能夠改善沖壓過程中的摩擦性能，因?yàn)槲覀兛梢园压ぞ吆桶宀闹g的材料接觸控制在這些離散點(diǎn)上。所以由于高硬度的工具表面，讓磨料減少了磨損，從而使金屬成型過程更加經(jīng)濟(jì)?！?/span>
圖 2. 在熱壓條件下進(jìn)行測試之前和之后以及植入工具和常規(guī)工具的比較。（來源：BAM）
圖 3. 在 AISI D2 工具鋼上制造的一個圓頂形 TiB2 植入物的橫截面（來源：BAM）
激光植入是一項(xiàng)特別的技術(shù)創(chuàng)新，通常是將兩種截然不同的用于表面處理的方法（表面紋理化和材料優(yōu)化）結(jié)合到一個處理步驟中?！斑@也是我們在這里研究出的新發(fā)現(xiàn)——同時具有紋理和耐磨性能，”Spranger 說。“我們已經(jīng)在BAM 開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)四年了，目前是該領(lǐng)域唯一的研究機(jī)構(gòu)。我們與 Friedrich-Alexander 大學(xué)的厄蘭根 - 紐倫堡制造技術(shù)研究所的同事們一起，由于對改善沖壓過程中摩擦性能的強(qiáng)烈意愿，我們正在全面地開發(fā)該技術(shù)以更好地用于熱沖壓模具。對于汽車行業(yè)中成型工具的用戶，我們看到了應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力。”
為了實(shí)現(xiàn)該過程，研究人員將通常小于 10 μm 的硬質(zhì)陶瓷顆粒噴涂到工具表面。然后，他們使用 IPG 的脈沖光纖激光器將粒子局部分散，以 1.5-15ms 的脈沖持續(xù)時間，60-180W 的脈沖功率和 100 μm 左右的光斑直徑工作。Spranger說：“有了這些激光參數(shù)，我們就可以創(chuàng)建各種表面紋理，例如圓頂形或環(huán)形結(jié)構(gòu)?！?/span>
使用激光植入可以產(chǎn)生多種表面紋理，這也讓該技術(shù)可以適用于除改進(jìn)成型工具以外的其他應(yīng)用。例如，用激光植入創(chuàng)建的環(huán)形結(jié)構(gòu)可被用于涉及潤滑劑的機(jī)械應(yīng)用中，因?yàn)闈櫥瑒┛纱鎯υ诃h(huán)的凹口中，隨后可去除接觸點(diǎn)之間的任何磨損碎屑。Spranger 確認(rèn)：“我們可以在覆蓋廣泛的應(yīng)用上使用此技術(shù)，除了成型工具，我們還希望能夠幫助其他復(fù)雜一系列的工具，例如切削工具和齒輪。”
Spranger 及其同事計(jì)劃將在未來幾年內(nèi)將其項(xiàng)目擴(kuò)展到工業(yè)中?！澳壳拔覀儧]有任何工業(yè)合作伙伴，但是我們將尋找一些合作伙伴參與到未來的進(jìn)程中?！彼偨Y(jié)表示，“我們既在尋找可以引入該技術(shù)進(jìn)入行業(yè)的激光公司，也在尋找終端用戶，尤其是那些在可以切切實(shí)實(shí)應(yīng)用該技術(shù)的汽車行業(yè)中的終端用戶?！?/span>
剎車的磨損
比起許多其他汽車零件來，制動盤要承受更多的反復(fù)的機(jī)械載荷。這導(dǎo)致它們產(chǎn)生細(xì)小的顆粒物質(zhì)，從而可能引起環(huán)境問題。為了幫助顯著減少此類顆粒的產(chǎn)生和影響，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）和亞琛工業(yè)大學(xué)共同致力于制動盤的新涂層工藝。
傳統(tǒng)的制動盤通常由含有層狀石墨相的灰口鑄鐵制成。這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于其良好的導(dǎo)熱性和較高的熱容量，和這些材料相對較低的價格成本。但是，在使用過程中，它也很容易腐蝕和造成大量材料磨損，從而導(dǎo)致大量細(xì)顆粒物的排放。
被稱為“極速激光材料沉積” （或德語首字母縮寫為“EHLA”）的全新涂層工藝，能夠?yàn)橹苿颖P提供有效的抗磨損和抗腐蝕保護(hù)，同時使加工過程更加快速經(jīng)濟(jì)。
“使用 EHLA 之后，我們涂覆的涂層可以與光盤的基材形成冶金結(jié)合，因此可以非常牢固地附著在制動盤上，并且不會剝落和剝落。”Fraunhofer ILT 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、新流程的創(chuàng)建者之一 Thomas Schopphoven 表示。
在此過程中，涂料的粉末顆粒直接在激光束中熔化，而不是在部件表面的熔池中熔化——這是激光材料沉積（LMD）的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)楝F(xiàn)在熔池由材料的液滴而不是粉末的固體顆粒進(jìn)料，所以涂覆過程可以更快，可以從傳統(tǒng) LMD 的每分鐘 0.5-2m 上升到 EHLA 的每分鐘 500m。Schopphoven 補(bǔ)充說：“這也減少了被涂材料的高溫浸潤?！盓HLA 與傳統(tǒng)的 LMD 不同的是，在傳統(tǒng)的 LMD 中，熱影響區(qū)的深度可以達(dá)到一個或多個毫米，而 EHLA 工藝的高溫浸潤仍保持在微米范圍內(nèi)。這樣就可以讓使用新的材料組合成為可能，例如鋁涂層或與制動盤一樣的鑄鐵合金?！?/span>
圖 4. 涂有 EHLA 工藝的成品制動盤（來源：Buderus Schleiftechnik /HPL Technologies）
低熱量輸入可防止碳從制動盤溶解到熔體中，從而避免在涂層和粘結(jié)區(qū)產(chǎn)生脆性相，氣孔、連接缺陷和裂紋。Schopphoven 講到：“現(xiàn)在，是有史以來第一次可以提供由灰口鑄鐵制成的制動盤，該制動盤具有與基礎(chǔ)材料牢固結(jié)合的有效涂層。此外，EHLA 工藝可以使用多達(dá) 90% 的粉末原料。因此，它非常節(jié)省資源，并且更加經(jīng)濟(jì)。可以達(dá)到在工業(yè)化，批量生產(chǎn)環(huán)境中的要求?！?/span>
實(shí)際上，Schopphoven 認(rèn)為 EHLA 的工業(yè)應(yīng)用很快將成為現(xiàn)實(shí)。他說：“初步調(diào)查表明，EHLA 工藝能夠可靠地生產(chǎn)傳統(tǒng)由灰鑄鐵制成的制動盤的不同材料組合的涂層。亞琛目前正在建設(shè)一種可用于批量生產(chǎn)的系統(tǒng)，其中包括用于改進(jìn)精加工零件的磨削工藝。”
改善功率器件生產(chǎn)
功率設(shè)備是一種負(fù)責(zé)根據(jù)負(fù)載需求精確控制從電源到負(fù)載的電能的組件。從現(xiàn)代機(jī)械和電動汽車的電動發(fā)動機(jī)控制到轉(zhuǎn)換器以及超緊湊型移動電源裝置，功率設(shè)備無處不在。
隨著電動汽車在汽車市場中的地位日益凸顯，大眾汽車等制造商們現(xiàn)在也已開始著手生產(chǎn)電動汽車，并計(jì)劃使電動汽車在市場中更加普及，所以據(jù)此預(yù)計(jì)，用于電動發(fā)動機(jī)控制的動力裝置的需求將不斷增長。
此類功率器件使用碳化硅（SiC）晶圓制成，并設(shè)計(jì)為可以在高電流，高電壓和高溫下工作。 為方便起見，通常在其背面涂有一層金屬，通常是鎳（Ni），目前正通過被稱為歐姆接觸形成（OCF）的工藝將其連接在一起，以確保金屬層與半導(dǎo)體材料之間的較低的電阻。
圖 5. 3D-Micromac 的歐姆接觸形成工藝設(shè)備：microPRO RTPsystem。
面臨的挑戰(zhàn)是，發(fā)生 OCF 時，SiC 晶片的正面已經(jīng)完全結(jié)構(gòu)化，因此 SiC 晶片對高溫非常敏感。在 OCF 期間，需要約 1000℃的溫度才能將鎳連接到 SiC（形成硅化鎳），因此，為了避免損壞晶片的正面，通常使用閃光連接工藝（flashlumps）。 通過一次閃光，可以在它們正面達(dá)到臨界溫度之前，將通常在 0.5J/cm 2 -4J/cm 2 的范圍內(nèi)足夠量的能量傳輸?shù)骄A的背面。
根據(jù) 3D-Micromac 半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品經(jīng)理 Hans-UlrichZuehlke 博士的說法，解決此問題的一種解決方案是用選擇性激光退火工藝代替閃光連接工藝，在該工藝中，晶片的背面將改為使用脈沖輻照的納秒級紫外線激光。他解釋說：“持續(xù)時間少于 100ns 的激光脈沖已經(jīng)足夠長，足以形成足夠的硅化物，然而持續(xù)時間又足夠短，所以可以最大程度地減少向晶圓正面的熱傳導(dǎo)。”
使用激光退火的另一個好處是，它避免了 OCF 期間在硅化鎳層正下方產(chǎn)生大的碳團(tuán)簇（與使用閃光燈時一樣），眾所周知，碳團(tuán)簇導(dǎo)致晶片上金屬層的附著力下降。
3D-Micromac 公司已開發(fā)出一種專用于生產(chǎn)條件下的OCF 工藝的激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)名為“microPRO RTP”，是基于該公司開發(fā)的“microDICE”晶圓處理平臺而制成的，配備了二極管泵浦固態(tài)（DPSS）紫外激光器。Zuehlke 表示：“光束路徑針對紫外激光器進(jìn)行了優(yōu)化，與聚焦跟蹤相結(jié)合之后，可提供足夠的聚焦深度。”
microPRO RTP 系統(tǒng)提供兩種不同的光路?！坝捎诖罅康拿}沖重疊，”祖爾克繼續(xù)說道：“在高斯光束剖面中獲得了正確的能量。然后，幾個脈沖在溫度 - 時間曲線中可以合并為一個虛擬平臺，另外，也可以使用在低重疊頂帽輪廓上?！蓖ㄟ^使用 DPSS 激光器，可以通過減少維護(hù)工作量來確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行時間，同時還降低了運(yùn)營成本。該系統(tǒng)還包含一個可用于與半導(dǎo)體工廠的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)耦合的接口。
“毫無疑問，microPRO RTP 已經(jīng)為下一代 SiC 晶圓設(shè)計(jì)”。Zuehlke 總結(jié)道。
總結(jié)
在新能源汽車進(jìn)入“快速發(fā)展”時期之后，可以預(yù)見的是，以激光技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)在不斷推動汽車制造業(yè)更新?lián)Q代的同時，也將推動激光產(chǎn)業(yè)自身的快速發(fā)展。未
來，越來越多的技術(shù)將不斷涌現(xiàn)并配合汽車及新能源汽車的技術(shù)發(fā)展，我們也期待著更多企業(yè)和研究人員配合起來，給行業(yè)帶來更多創(chuàng)造性的革新。
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