2012年7月，美國能源部（DOE）簽署了一項370萬美元的資金計劃，資助一家企業(yè)集團(tuán)開發(fā)新型超快脈沖（UFP，也稱超快）激光技術(shù)，以便為汽車燃油噴射器打造新一代制造工藝。
這項資助計劃的目標(biāo)頗具雄心，具體來說，旨在研究及開發(fā)出生產(chǎn)效率提高25%、加工時間比常規(guī)加工工藝縮短50%，同時噴射器的燃油經(jīng)濟(jì)性比現(xiàn)有汽油直接噴射（GDI）部件高出10%的生產(chǎn)工藝（圖1）。
圖1：典型汽油直噴（GDI）式噴油器示意圖
同時，這項資助計劃也是政府旨在推進(jìn)“創(chuàng)新制造技術(shù)”的一個大型項目的一部分，目的是開發(fā)新的制造設(shè)備、技術(shù)、工藝，幫助美國制造商“顯著提高他們加工生產(chǎn)和經(jīng)營過程中的能源效率，并且致力于降低成本。
當(dāng)時，脈沖寬度處于飛秒水平的超快脈沖激光器還處于實驗室階段，尚未得到規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用（圖2）。1987年，Bill Clark博士通過向科研儀器市場推出產(chǎn)品，首先實現(xiàn)了超快脈沖激光器的商業(yè)化。此后，他位于密歇根州德克斯特市的公司Clark-MXR 繼續(xù)開發(fā)出首臺在工業(yè)環(huán)境中被應(yīng)用于微加工領(lǐng)域的飛秒激光器。但是Clark 在2014 年的一次采訪中告訴ILS（工業(yè)激光解決方案）雜志，“那個產(chǎn)品架構(gòu)的橫空出世足足提前了十年時間。”
圖2：超快脈沖激光與長脈沖激光對比
2006年，Extrude Hone Laser Technologies公司 ( 位于賓夕法尼亞州歐文市) 和General Atomics公司( 位于加利福尼亞圣地亞哥市) 利用二極管泵浦固態(tài)（DPSS）納秒綠光(532nm) 激光器，為美國國防部開發(fā)出一款基于激光的柴油噴嘴鉆削系統(tǒng)，以滿足這一產(chǎn)品加工的需求。
2012年，飛秒激光器開始被用于矯正視力，但這些激光器只是在辦公環(huán)境下每天得到幾次使用，而非在工廠內(nèi)的7天24小時全天候狀態(tài)。
非熱加工技術(shù)的前景
飛秒激光是一種速度達(dá)千萬億分之一秒的脈沖光，遠(yuǎn)比部件的吸熱速度更快。這就確保了能夠?qū)崿F(xiàn)無熱加工（athermal machining）， 也稱之為非熱消融（athermal ablation)。即能夠以超快的速度，在沒有熱損傷的情況下去除材料上的微小顆粒，從而使新型汽油直接噴射式(GDI) 發(fā)動機(jī)的噴射孔設(shè)計成為可能。
光速加工不僅可以確保噴射器得到經(jīng)濟(jì)高效的加工，同時該工藝還有望剔除精密制造工藝中最昂貴、最耗時的棘手加工步驟之一：去除瑕疵的后加工流程。
“這樣一來，有望提高能效20-25%，加工時間可以顯著降低，”美國能源部指出，“不需要耗材，這就大大降低了材料成本和相應(yīng)生產(chǎn)所需的能耗。另外，這一工藝還省去了后加工以及相應(yīng)的化學(xué)制品的應(yīng)用。毋庸置疑，采用這種超快激光加工技術(shù)給多個加工領(lǐng)域帶來了廣泛的影響和不可低估的裨益。”
傳統(tǒng)方法
過去，汽車噴油器的加工一直沿用電火花加工（EDM）技術(shù)，這是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法。然而，這種電火花加工方式，不僅工藝速度慢而且成本不菲，同時還必須使用多種化學(xué)物質(zhì)，以完成鉆孔，以及消除加工過程中與受熱息息相關(guān)的一系列工藝（如熔融、去毛刺、重鑄加工等）帶來的瑕疵。
“傳統(tǒng)的加工平臺非常不適合生產(chǎn)精度要求高的小型部件，”美國能源部指出，“目前的機(jī)加工設(shè)備通常太大、不靈活，缺乏以所需精度加工形狀復(fù)雜或需彰顯細(xì)節(jié)特征的部件的能力。”
致勝因素
GDI噴嘴的直徑大約為200微米，相當(dāng)于人的發(fā)絲粗細(xì)。如果邊緣質(zhì)量、表面質(zhì)量、圓度、錐度等方面和要素控制得當(dāng)，其有助于在降低油耗的同時，提高燃燒效率。
汽車生產(chǎn)商面臨的另一個難題是如何在加工過程中精準(zhǔn)和高效控制部件。激光器的精度依賴于所用控制系統(tǒng)，獲得可靠、可重現(xiàn)的微米級加工精度是一項重大的里程碑式。美國能源部指出，“將激光器與高精密加工設(shè)備相結(jié)合，可以實現(xiàn)加工工藝的自動化，并提速加工流程。”
解決方案
受DOE資助、為汽車噴油器開發(fā)出新型加工工藝的企業(yè)之一包括坐落于美國伊利諾伊州芝加哥市的Microlution公司。該公司為滿足這個越來越微型化的世界所需的高精密應(yīng)用構(gòu)建了優(yōu)化的微細(xì)加工平臺。
圖3：Microlution 公司用于微加工的MLDS 飛秒激光工作站
Microlution采用集成式的UFP激光器打造了一個飛秒激光微加工工作站（圖3）。該工作站旨在非常準(zhǔn)確地操控控制部件的運動（以確保其達(dá)到微米級精度)。此外，該系統(tǒng)還將完全整合三項技術(shù)的控制系統(tǒng)：機(jī)器運動；UFP激光器；先進(jìn)的5D 振鏡。該激光加工平臺不僅需要控制單純的噴油器部件，還需要確保穩(wěn)定性，避免干擾生產(chǎn)制造環(huán)境中一直非常纖弱的激光束。熱穩(wěn)定性和慣性穩(wěn)定性是在日復(fù)一日、經(jīng)年累月中達(dá)到高加工能力指數(shù)（CPk）生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。
可喜的成果
快到2015年時，DOE發(fā)布了一份項目報告，指出團(tuán)隊“已經(jīng)成功利用該飛秒激光技術(shù)生產(chǎn)出了GDI噴油器”。具體報告的項目目標(biāo)如下：
● 開發(fā)出一種集成式激光器與掃描頭，可實現(xiàn)在迎角（attack angle）大于80%的情況下轉(zhuǎn)速超200Hz 的預(yù)期目標(biāo)（已完成）；
● 結(jié)果顯示，燃油噴射孔的鉆銑時間低于8 秒，與現(xiàn)有微加工工藝相比，機(jī)加工時間縮短50%，且沒有損失質(zhì)量（已完成）；
● 與傳統(tǒng)微加工工藝相比，激光加工效率提高20-25%（已完成）；
● 生產(chǎn)了已經(jīng)通過發(fā)動機(jī)冷啟動測試的噴油器，該技術(shù)開始按照生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置（2014年完成，由汽車生產(chǎn)商采用）。
“因此，這一項目的完成最終將帶來一種制造技術(shù)，可以為多個不同市場所用的難加工材料減少加工步驟以及降低能耗，”DOE表示，“未來，Microlution公司將會把重點放在與電子和生物醫(yī)療行業(yè)相關(guān)的超快激光平臺的應(yīng)用開發(fā)上。”
這不僅是公私合作伙伴關(guān)系的成功案例，也是工業(yè)用超快脈沖（UFP）激光器商業(yè)化的故事。專注于超快激光技術(shù)開發(fā)的美國Clark-MXR 公司是首家認(rèn)識到UFP 激光器在微精加工領(lǐng)域?qū)Ω纳浦圃旃に噹砭薮鬂摿Φ钠髽I(yè)。耗時多年才找到UFP 激光器的“絕殺應(yīng)用”、開發(fā)出可以在制造環(huán)境下應(yīng)用的系統(tǒng)。
持續(xù)改進(jìn)
如今，用于制造新一代噴油器的這種超快激光技術(shù)已經(jīng)在全球多家汽車零部件制造商得到應(yīng)用。甚至還通過整合部件前后測量以驗證部件精度、整合先進(jìn)機(jī)器人和自動化技術(shù)的方式，獲得了更高的效率。
另外，如美國能源部所預(yù)測，該項技術(shù)也已在其它行業(yè)得到應(yīng)用，包括醫(yī)療器械制造業(yè)和航空產(chǎn)業(yè)等。
總而言之，本文是超快脈沖激光器從實驗室走向7天24小時全天候工業(yè)化應(yīng)用的一個佳例，它突顯了微米級加工精度的必要性和重要性，以充分利用激光光源所能達(dá)到的精度。
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