作為一種精密制造工具，超短脈沖激光正在被越來(lái)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(lái)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(huì)年度會(huì)議上，一個(gè)來(lái)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(dòng)，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(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。為了提高生產(chǎn)效率，專家們?cè)噲D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(duì)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(tái)激光器對(duì)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(guò)于昂貴。

面對(duì)“高效率生產(chǎn)精細(xì)結(jié)構(gòu)”這一行業(yè)愿景，來(lái)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(qǐng)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。”

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(guò)程。同時(shí)，他們還對(duì)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(lái)獲得的工藝知識(shí)進(jìn)行了比對(duì)。

科技無(wú)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(tái)機(jī)器超過(guò)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(tái)能夠以100mm3/min的燒蝕速度，對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(lái)甚至可以經(jīng)濟(jì)地加工更大的表面。例如，通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，可以降低風(fēng)力渦輪機(jī)或飛機(jī)機(jī)翼的風(fēng)阻。