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超快加工: 超短脉冲激光器在表面加工中的应用
材料来源:LFWC           录入时间:2021/8/16 23:13:05

文/Ron Schaeffer

图1:高分辨率聚合物沉积的一个例子。(图片来源:LightFab/Fraunhofer ILT)

超短脉冲(USP)激光器向工件发射光子,如果传输得当,能够实现热影响很小甚至是无热的加工过程。这也是使用超短脉冲加工的一个主要好处。在过去的20年中,超短脉冲激光器作为一种工业加工工具开始快速发展,其主要用于切割和钻孔应用,特别是用于那些使用长脉冲激光无法胜任的领域,或是需要大量昂贵的激光后处理的应用。目前,人们正在研究将超短脉冲激光器用于一些不同的表面应用领域,甚至是用于生产环境中。

一个重要的应用领域是增材制造。通常,人们认为超短脉冲激光器并不适用于增材制造过程,因为它们的优势是加工过程中不产生热量。但是它们正被研究用于直接激光辅助沉积,以生产精确或敏感的部件;它们也被用于对激光辅助沉积制造的零件进行精密后处理。例如,使用双光子聚合技术,可以用丙烯酸树脂打印3D结构。使用市面上的软件,可以实现非常快的打印速度。图1显示了在200mm/s的打印速度下制成的零件,零件的层高为1.5µm,打印的分辨率为2µm。

打标仍然是大多数激光器的应用市场。用于打标的激光器和系统的售价往往较低,因此在打标应用中使用价格更昂贵的超短脉冲激光器,只能是在某些特殊应用中,医疗设备的不锈钢打标就是这样一个特殊领域。超短脉冲激光的打标效果,比其他任何方法打标的效果都要好,它甚至可以用来打出不同颜色的标记,具体取决于激光条件。图2显示的是两幅高度放大的图像,图中显示了在不锈钢表面上进行白色和黑色飞秒标记之间的差异。这个标记是使用一种叫做BiBurst的功能产生的,它在同一工作中结合了兆赫和千兆赫的脉冲串(burst)。

图2:在不锈钢表面上进行白色和黑色标记的表面轮廓。(图片来源:Light Conversion公司)

超短脉冲激光器的大部分应用,仍然是在材料去除领域。例如,在模具生产中使用的滚筒表面的三维特征创建,就是超短脉冲激光器的一个巨大的市场领域。

另一个潜在的巨大应用市场是创造具有某些亲水(或疏水)特性的表面。这种特征的加工深度通常为几微米到几百微米,通过直接激光烧蚀的方法来创建。创建这些特征的过程并不复杂。然而,如何扩大规模,以经济、精确地雕刻长达数英尺、宽达数英尺的材料,才是将超短脉冲激光器应用到生产环境中的关键。

玻璃很难用较长的脉冲加工,但是它们可以用超短脉冲直接烧蚀,或者对某些材料进行曝光,然后再进行化学刻蚀。图3显示了一张飞秒激光烧蚀的玻璃片的高分辨率显微图。

图3:使用飞秒激光刻制的玻璃片。(图片来源:Elas公司)

超短脉冲激光器在表面加工方面的其他可能的应用还有:清洗或去污和抛光。对于小的表面结构,直接使用激光烧蚀可以实现的最佳表面粗糙度是Sa=0.5µm。这样的表面粗糙度显然不能满足很多应用的要求,因此,在激光烧蚀后必须对其进行抛光处理。最好同一套超短脉冲激光系统能够用于激光烧蚀和抛光这两个步骤,其中后序在金属上的抛光工艺,包括产生一个薄的熔融层,然后将材料更均匀地分布在表面。最终能实现Ra <0.3µm的表面粗糙度,在某些聚合物上的抛光能实现Ra<100nm的表面粗糙度。 

为了扩大工艺规模,需要使用更高的单脉冲能量或脉冲重复频率。在脉冲能量的提高方面是有限制的,因为太高的能量会使加工过程经常出现热负荷,从而否定了超短脉冲激光器在冷加工方面的优势。光束分束可以解决这个问题;但是,由于超短脉冲激光器通常能够达到非常高的重复频率(1~10MHz或更高),如果光束不能快速移动,以避免停留时间过长而对材料产生热损伤,那么可用的重复频率就会受到限制。另外,为了充分利用现有的能力,脉冲必须被触发,以便均匀地传递,包括在加速过程中,如果使用超短脉冲激光器,这一点尤其重要。因此,经济地覆盖大面积的目标一直难以实现。现在,技术的进步使高重复频率的超短脉冲激光,能够非常快速地传输到大型功能表面。 

全世界正在进行许多协同努力(激光器/光学器件/系统/应用),以促进超短脉冲激光器能实现更大规模的工业应用。例如,自然表面展示了特殊的纳米和微米级特征,是如何使表面具有超疏水性(如荷叶拒水)或抗菌性的。基于激光的纹理技术,是一种能够模仿自然表面、并在不使用添加物的情况下使其功能化的技术。据比利时Next Scan Technology公司的管理合伙人Lars Penning博士说,欧盟资助的LAMpAS项目,旨在通过基于千瓦级超短脉冲激光器的系统实现高产量。启用这项技术,将确保超短脉冲激光器在具有新功能的家用电器和其他快速发展的消费产品的竞争性制造和商业化方面,发挥重要作用。

LAMpAS系统将集成一个碟片皮秒激光器,其以兆赫兹级的重复频率提供高达1.5kW的功率。基于激光的机器将能实现高分辨率(特征尺寸从200nm到200μm)和高吞吐量(高达1~5m2/min),以满足功能性和商业化的需求。 

该系统能够实现纳米和微米大小的特征,这要归功于一种称为直接激光干涉图案(DLIP)的多光束加工技术。这项技术能够在干涉图案的强度最大值位置发生的局部烧蚀的基础上,生产重复的表面结构。在LAMpAS项目中,干涉图案是由两束激光与一个多边形扫描系统重叠产生的。图4显示了在铝表面产生的柱状结构的一个例子。

图4:使用DLIP处理过的具有柱状几何结构的铝表面。(图片来源:德国德累斯顿工业大学)。

此外,通过在线监测系统进行过程控制,控制激光和基底之间的相互作用,这些技术还可以刺激自组织过程,在微米和亚微米范围内,以均匀的方式产生激光诱导的周期性表面结构(LIPSS)。具有不同特征尺寸的结构的组合,对于达到增强的表面性能非常有意义。这种方法将促进应用许多其他独特的表面特性。LAMpAS项目得到了欧盟的Horizon 2020研究和创新计划的资助,资助协议号为825132。它是光子学公私伙伴关系(photonics21.org)的一项倡议。

在过去的几年里,激光领域有了很大的发展。激光器制造商都在努力使他们的激光器更可靠、成本更低、更容易与其他部件集成,以便大规模地实现最终产品,而这是在工业环境中全面实施超短脉冲激光器所需要的。事情正朝着正确的方向发展,并且进展顺利。


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