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        行業動態

        激光加工的發展現狀與趨勢

        文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/5/29     瀏覽次數:    
          激光制造技術與傳統的制造技術相比,其突出的優勢主要體現在以下幾個方面:

          (1)特種材料特殊要求的加工

          激光焊接與大多數傳統的焊接方法相比具有突出的優點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速,可破壞一些難熔金屬表面的應力閾值,或使高導熱系數和高熔點金屬快速熔化,完成某些特種金屬或合金材料的焊接,而且在激光焊接過程中無機械接觸,容易焊接部位不因熱壓縮而變形,還排除了無關物質落入焊接部位的可能;如果采用大焦深的激光系統,還可實現特殊場合下的焊接,比如,由軟件控制的需隔離的遠距離在線焊接、高精密防污染的真空環境焊接等;在不發生材料表面蒸發的情況下可熔化多數量的物質,達到高質量的焊接。以上特點是傳統的焊接工具與方法很難或幾乎不能做到的。目前,在汽車、國防、航空航天等一些特殊行業,已普遍采用激光焊接技術2。例如歐洲一些國家,對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接,激光的應用已基本取代了傳統的焊接工具和方法。

          (2)特殊精度的加工制造

          這里指的高精度除通常意義下的定位外,主要還體現在材料內部熱傳導效應量級上的控制。激光的顯著特點之一,就是可采取連續和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例,激光能量高度集中,以及加熱、冷卻速度快的特點可實現傳統技術達到的普遍要求,加工屬熱化學過程。這里要突出的是,通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度,使得材料內的熱傳導過程和熱化學反應來不及發生;另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數,按要求達到確定的去除深度,從而實現高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領域和產業中已普遍采用這種脈沖光制造技術。

          (3)微細加工制造

          激光微細加工技術成功的應用是在20世紀后半葉發展起來的微電子學領域。激光微細加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術之一,現已形成固定模式并投入規?;a中。除此之外,能突顯其優勢的領域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫療等。選擇適當波長的激光,通過各種優化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統,獲得高質量光束、高穩定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性,進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫;也可利用其光阱的“力”效應,進行微小透明球狀物的夾持操作。例如,高精密光柵的刻制(精密光刻);通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字)和控制,實現高保真打標;利用光阱的“束縛力”,對生物細胞執行移動操作(生物光鑷)。值得一提的是,高密度信息的激光記錄和微細機械部件的光制造。

          無論是數字記錄或是掃描記錄,還是圖像與文字的模擬記錄,激光記錄方法(光刻)都具有特別的優勢并取得了重要突破,以數字記錄為例:①信息記錄密度高(107~108bit/cm2以上),刻錄槽寬0.7μm、深0.1μm,比磁記錄密度提高兩個數量級以上;②記錄、檢索、讀出速度快,單波道達50Mbit/s,多波道可達320Mbit/s;信息的檢索和讀出速度遠遠小于1 秒;③成本低、使用壽命長。在微細機械部件的光制造方面,近幾年國外已將其列為攻關項目,成為未來高新技術前期研究的熱點。日本采用激光技術,制造出微米量級的三維“納米?!?,這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經取得了巨大的進展。北京工業大學激光工程研究院應用準分子激光,通過掩模方法,已經加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。

          (4)卓效的自動流程加工制造

          由于激光輸出的可控制性,使激光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據生產性質的需要,既可實行加工臺的定位控制亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制,從而實現卓效的自動化、智能化激光制造。比如,汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構架的焊接、齒輪盤及其他部件的焊接加工等,已形成激光加工、組裝一條龍的生產線。

          激光微制造將成為新世紀高新技術產業的主流技術

          諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預言,制造技術將沿著從大到小的途徑發展,即用大機器制造出小機器,用這種小機器又能制造出更小的機器,并由此在微小尺度領域制造出一代代的批量加工工具??茖W技術的革命證實了Feynman的預言。微電子技術的出現就是非常有說服力的例子,從集成到大規模集成到規模集成技術的迅猛發展中,已經顯示出未來的制造技術必將沿著“越來越小”的方向進軍。20世紀把電子技術的主要功能高度集成在一起,形成了世紀標志的高技術產業,并滲透到人類活動的各個領域。21世紀則是多門學科的集成技術,即把微電子、微光學、微機械以及傳感器、執行器的信號處理單元集成在一起的微納制造和微系統技術。微納制造技術與功能微系統將成為21世紀高新技術與產業的里程碑,其發展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度,導致人類生活和社會物質文明及科學技術的巨大變革。

          美國在80年代末就意識到微納制造技術與微系統研究的緊迫性,強調美國“應該在這樣一個新的重要技術領域與其他國家的競爭中走在前面”,并啟動了早期的研究計劃。進入90年代后,日本也開始實施為期10年、總投資為250億日元的“微型機械技術”大型研究開發計劃。為尋求適應微系統制造的三維結構精細微加工的技術途徑,歐共體組織了德國漢諾威激光機構和法國、瑞士、意大利等國的相關科研機構,進行合作開發研究。目前在微納制造技術上已經形成國際性競爭,已經開始新世紀高技術產業全球市場的爭奪戰。

          目前的研究進展也已經顯示,激光微技術是有發展潛力的三維微制造技術,將可能成為微系統制造的主流技術之一。德國國家教研部從2002年開始,出臺了為期五年的光學資助計劃,其中重要的一項內容就是激光微制造技術的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元,后續幾年的投入按一定比例遞增。德國采取分解式的單元技術研究,在光的微制造與微納技術的硬件方面,五年研究規劃的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統上,達到 150~0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過衍射極限、分辨率小于100nm的高重復性近場透鏡。

          微納光制造及其相關技術,是當前國際競爭的主要領域,微電子產業的規模和技術水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志之一,激光微技術將在這個領域發揮更大作用。我國在現代光制造發展方面,機遇與挑戰并存,我們要抓住機遇,迎接新世紀光制造時代的到來。

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