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激光:制作业的一种通用东西

2020-09-24 18:23

被传播鼓吹为第四次产业反动的最风趣、但也最具挑衅性的方面之一,是大范围特征化须要矫捷和可重新设置装备摆设的出产体系。1现实上,这是产业反动(所谓的产业4.0)初度已提早发布,但对遍及合用且矫捷的出产东西的须要是激光器的庞大机遇。

几十年来,尽人皆知,激光是一种很是矫捷的资料加工东西,可用于知足各类制作利用,现实上涵盖了德国产业规范DIN 8580界说的统统制作工艺。DIN 8580将工艺分为模塑、成型、分手、毗连,涂覆和转变资料特征(见图1)。在1992年的教科书中,Helmut Hügel已如许说道:“激光在产业制作中的首要性,在于其在各类加工工艺方面的不凡矫捷性,包含切割、烧蚀、钻孔、焊接、软化、合金化、重熔,和浩繁资料和差别的工件设置装备摆设。”

激光:制作业的一种通用东西

图1:激光可用于资料加工利用,涵盖德国产业规范DIN 8580界说的全部工艺范围。

Molding:模塑

Forming:成型

Separating:分手

Joining:毗连

Coating:涂覆

Change material properties:资料改性

这便是咱们已习气于将激光视为通用出产东西的缘由。但到今朝为止,咱们老是利用完整差别的激光来应答差别的利用。其首要缘由是各类工艺的物理请求,出格是均匀激光功率、强度、脉冲延续时候,峰值强度或峰值能量密度,和偶然波长也都是完整差别的。第二个缘由是到今朝为止,超短脉冲激光(USP激光;也称为超快激光)的设置供给脉冲延续时候在皮秒或飞秒范围内的脉冲,与自在运转的脉冲或延续波(CW)激鲜明著差别。与此同时,这些差别激光器供给的均匀功率相差几个数目级,是以利用USP激光遏制微加工的效力,依然远远低于利用高功率CW激光器遏制微观加工的效力。

激光:制作业的一种通用东西

图2:德国斯图加特大学Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)开辟的多程碟片激光缩小器,焦点是立体反射镜阵列,指导超短脉冲激光束在薄的碟片激光晶体上屡次缩小;3,4直到此刻才经由进程这类体例展现了均匀输入功率高达2.5kW,脉冲延续时候为几皮秒的输入。

扩大USP激光体系的功效

但统统这统统都将转变。因为USP激光器的均匀输入功率方才进入数千瓦级(见图2),3-5这类范例激光器的利用今朝正在扩大到传统的微加工测验考试室以外,并且确切驯服了大范围的制作利用。6,7是以,咱们将看到更多基于激光的高精度超快资料加工在大型出产机械上遏制,初看起来与咱们用于切割或焊接等的典范微观利用很是近似(见图3)。是以,在统一台机械上履行统统已知激光资料加工利用的设法很天然。但这能够或许用统一台激光器完成吗?

激光:制作业的一种通用东西

图3:显现了利用高功率CW激光遏制长途焊接的典范装配(IFSW,斯图加特大学);在将来,近似的装配也能够或许用于利用千瓦级USP激光遏制高产的微资料加工。

现实上,这个题目并不新颖。在1993年于慕尼黑进行的第11届国际激光大会上,Andreas Gebhardt传授和他的共事们会商了出格是中小型企业的希冀,即统统差别的激光制作利用,应当利用统一个激光装备8,这类希冀至今仍未完成。但是,察看古代高功率USP激光器的模块化布局,能够或许很轻易地得出论断:应当能够或许设置能在差别任务形式之间切换的激光器,并且合用于统统罕见的资料加工利用。

供给高均匀功率的超短脉冲激光体系,都基于小的种子振荡器和一个或多个缩小级(图4)。首要的是,在高均匀功率下,这些缩小器(比方片状预缩小器和多程碟片功率缩小器)对超短脉冲或CW辐射一样有用。是以,经由进程集成额定或更矫捷的种子源,不手艺上的缘由会障碍咱们成立一个能够或许在CW和脉冲或USP操纵之间切换的单套激光体系。

激光:制作业的一种通用东西

图4:该道理图显现了高功率USP激光器的典范架构;能够或许利用不异的体例来完成能够或许在差别操纵形式之间切换的(单套)激光体系,是以合用于统统罕见的资料加工利用。

Seed:种子源

Low power:低功率

Low invest:低投资

In future: several seeds or a flexible one将来:几个种子或可变

Switchable: for example, between picosecond, nanosecond, continuous-wave 可切换:比方皮秒、纳秒和延续波

Pulse picking:脉冲拾取

Pre-amplifier:预放

Fiber, slab, disk 光纤,平板,碟片

Power booster:功率缩小器

Multipass thin-disk amplifier多程薄碟片缩小器

Application利用

初度测验考试中,能够或许挑选在统一体系中仅完成两个或更多种子源,比方超疾速锁模振荡器和简略的CW激光器。因为大大都体系包含用于拾取发射到缩小器链中的脉冲的脉冲拾取器,是以能够或许轻易地利用脉冲拾取器在两个种子源之间切换。在更高等的体例中,能够或许利用一种能够或许在差别形式下(锁模、调Q和CW)运转的种子源。因为能够或许在差别运转形式之间切换的二极管激光器已可用,是以即便这类设法也不是一场反动。9

将以后大功率USP激光器的常常利用架构再往前推几步,咱们能够或许完成一种激光器,能够或许供给几千瓦的均匀输入功率,能够或许在差别的运转形式之间切换,从输入超短脉冲到罕见的CW辐射。另外,能够或许从最早进的激光器取得高功率或高强度,也使得经由进程非线性光学效应的频次转换愈来愈有吸收力和有用(见图5)。是以,咱们不只能够或许在差别的脉冲延续时候和CW运转之间切换,并且能够或许在差别波长之间切换。这将终究知足能够或许利用统一台激光器来完成大大都已知的资料加工利用的希冀。

激光:制作业的一种通用东西

图5:CW碟片激光器的腔内倍频。10

这通向一种通用机械,只要转变其操纵参数,便可几近履行一整套基于激光的加工工艺。这不只是产业4.0的抱负软件节制通用东西,将必定也证明其余常常被援用的宣言,即21世纪将是光子的世纪。

驱逐挑衅

固然,在此进程中依然存在一些挑衅。一些依然与光学有关,比方对高能超短脉冲的光纤光束传输的须要。其余人则存眷体系工程。得益于激光源和激光资料加工物理根本常识的庞大前进,咱们在很大水平上晓得若何和接纳何种战略,和哪一种工艺参数来完成抱负的工艺。在这里,瓶颈常常更像是机械自身。现实上,按照打算的利用,用于激光加工的机械应当快约100倍,或切确约10倍。

为了完成这一方针,咱们应当遏制将激光机械仅仅视为内置激光器的机床。相反,咱们应当重新起头设想激光机械,视其为光子体系。这将须要新的迷信体例和体系工程体例,并将成为激光制作将来胜利的关头。

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