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激光:制造業的一種通用工具

2019-09-24 18:23

被宣稱為第四次工業革命的最有趣、但也最具挑戰性的方面之一,是大規模個性化需要靈活和可重新配置的生產系統。1實際上,這是工業革命(所謂的工業4.0)首次已經提前公布,但對普遍適用且靈活的生產工具的需求是激光器的巨大機會。

幾十年來,眾所周知,激光是一種非常靈活的材料加工工具,可用于滿足各種制造應用,實際上涵蓋了德國工業標準DIN 8580定義的所有制造工藝。DIN 8580將工藝分為模塑、成型、分離、連接,涂覆和改變材料特性(見圖1)。在1992年的教科書中,Helmut Hügel已經這樣說道:“激光在工業制造中的重要性,在于其在各種加工工藝方面的非凡靈活性,包括切割、燒蝕、鉆孔、焊接、硬化、合金化、重熔,以及眾多材料和不同的工件配置。”

激光:制造業的一種通用工具

圖1:激光可用于材料加工應用,涵蓋德國工業標準DIN 8580定義的整個工藝范圍。

Molding:模塑

Forming:成型

Separating:分離

Joining:連接

Coating:涂覆

Change material properties:材料改性

這就是我們已經習慣于將激光視為通用生產工具的原因。但到目前為止,我們總是使用完全不同的激光來應對不同的應用。其主要原因是各種工藝的物理要求,特別是平均激光功率、強度、脈沖持續時間,峰值強度或峰值能量密度,以及有時波長也都是完全不同的。第二個原因是到目前為止,超短脈沖激光(USP激光;也稱為超快激光)的設置提供脈沖持續時間在皮秒或飛秒范圍內的脈沖,與自由運行的脈沖或連續波(CW)激光顯著不同。與此同時,這些不同激光器提供的平均功率相差幾個數量級,因此使用USP激光進行微加工的效率,仍然遠遠低于使用高功率CW激光器進行宏觀加工的效率。

激光:制造業的一種通用工具

圖2:德國斯圖加特大學Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)開發的多程碟片激光放大器,核心是平面反射鏡陣列,引導超短脈沖激光束在薄的碟片激光晶體上多次放大;3,4直到現在才通過這種方法展示了平均輸出功率高達2.5kW,脈沖持續時間為幾皮秒的輸出。

擴展USP激光系統的功能

但所有這一切都將改變。由于USP激光器的平均輸出功率剛剛進入數千瓦級(見圖2),3-5這種類型激光器的使用目前正在擴展到傳統的微加工實驗室之外,并且確實征服了大規模的制造應用。6,7因此,我們將看到更多基于激光的高精度超快材料加工在大型生產機器上進行,初看起來與我們用于切割或焊接等的經典宏觀應用非常相似(見圖3)。因此,在同一臺機器上執行所有已知激光材料加工應用的想法很自然。但這可以用同一臺激光器實現嗎?

激光:制造業的一種通用工具

圖3:顯示了使用高功率CW激光進行遠程焊接的典型安裝(IFSW,斯圖加特大學);在未來,類似的裝置也可能用于使用千瓦級USP激光進行高產的微材料加工。

實際上,這個問題并不新鮮。在1993年于慕尼黑舉行的第11屆國際激光大會上,Andreas Gebhardt教授和他的同事們討論了特別是中小型企業的期望,即所有不同的激光制造應用,應該使用同一個激光設備8,這種期望至今仍未實現。然而,觀察現代高功率USP激光器的模塊化結構,可以很容易地得出結論:應該可以設置能在不同工作模式之間切換的激光器,并且適用于所有常見的材料加工應用。

提供高平均功率的超短脈沖激光系統,都基于小的種子振蕩器和一個或多個放大級(圖4)。重要的是,在高平均功率下,這些放大器(例如片狀預放大器和多程碟片功率放大器)對于超短脈沖或CW輻射同樣有效。因此,通過集成額外或更靈活的種子源,沒有技術上的原因會阻礙我們建立一個可以在CW和脈沖或USP操作之間切換的單套激光系統。

激光:制造業的一種通用工具

圖4:該原理圖顯示了高功率USP激光器的典型架構;可以使用相同的方法來實現可以在不同操作模式之間切換的(單套)激光系統,因而適用于所有常見的材料加工應用。

Seed:種子源

Low power:低功率

Low invest:低投資

In future: several seeds or a flexible one未來:幾個種子或可變

Switchable: for example, between picosecond, nanosecond, continuous-wave 可切換:例如皮秒、納秒和連續波

Pulse picking:脈沖拾取

Pre-amplifier:預放

Fiber, slab, disk 光纖,平板,碟片

Power booster:功率放大器

Multipass thin-disk amplifier多程薄碟片放大器

Application應用

初次嘗試中,可以選擇在同一系統中僅實現兩個或更多種子源,例如超快速鎖模振蕩器和簡單的CW激光器。由于大多數系統包括用于拾取發射到放大器鏈中的脈沖的脈沖拾取器,因此可以容易地使用脈沖拾取器在兩個種子源之間切換。在更高級的方法中,可以使用一種可以在不同模式下(鎖模、調Q和CW)運行的種子源。由于可以在不同運行模式之間切換的二極管激光器已經可用,因此即使這種想法也不是一場革命。9

將當前大功率USP激光器的常用架構再往前推幾步,我們可能實現一種激光器,可以提供幾千瓦的平均輸出功率,可以在不同的運行模式之間切換,從輸出超短脈沖到常見的CW輻射。此外,可以從最先進的激光器獲得高功率或高強度,也使得通過非線性光學效應的頻率轉換越來越有吸引力和有效(見圖5)。因此,我們不僅能夠在不同的脈沖持續時間和CW運行之間切換,而且能夠在不同波長之間切換。這將最終滿足可以使用同一臺激光器來實現大多數已知的材料加工應用的期望。

激光:制造業的一種通用工具

圖5:CW碟片激光器的腔內倍頻。10

這通向一種通用機器,只需改變其操作參數,即可幾乎執行一整套基于激光的加工工藝。這不僅是工業4.0的理想軟件控制通用工具,將肯定也證實其他經常被引用的宣言,即21世紀將是光子的世紀。

迎接挑戰

當然,在此過程中仍然存在一些挑戰。一些仍然與光學有關,例如對高能超短脈沖的光纖光束傳輸的需求。其他人則關注系統工程。得益于激光源和激光材料加工物理基礎知識的巨大進步,我們在很大程度上知道如何和采用何種策略,以及哪種工藝參數來實現理想的工藝。在這里,瓶頸往往更像是機器本身。事實上,根據計劃的應用,用于激光加工的機器應該快約100倍,或精確約10倍。

為了實現這一目標,我們應該停止將激光機器僅僅視為內置激光器的機床。相反,我們應該從頭開始設計激光機器,視其為光子系統。這將需要新的科學方法和系統工程方法,并將成為激光制造未來成功的關鍵。

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