當(dāng)精度要求達(dá)到一微米的時候，超短脈沖激光(或超快)對于重塑、焊接，或以其他方式修改大量的材料來說是最棒的工具。傳統(tǒng)激光焦點(diǎn)能量在空間和波長上達(dá)到精度和成本效率比機(jī)械工具或等離子體放電侵蝕更加優(yōu)秀。超短脈沖激光增加高脈沖的能量極大地改變光物反應(yīng)。
使用超短脈沖激光在微加工中的特有優(yōu)勢包括增強(qiáng)的尺寸精度和更嚴(yán)格的公差，減少損害并去除后續(xù)處理步驟。這些激光器利用薄磁盤或光纖架構(gòu)，使大功率輸出，脈沖持續(xù)時間達(dá)到飛秒的范圍。雖然該設(shè)備最初花費(fèi)更多，但加工精度發(fā)生實質(zhì)性的改善，讓新設(shè)計降低整體時間，生產(chǎn)線的操作成本。因此，超短脈沖激光已經(jīng)成為汽車，醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子等行業(yè)重要的生產(chǎn)工具(見圖1)。
圖1 超短脈沖激光器制作的微自行車與站立的歐元硬幣大小的比較
高價值的產(chǎn)品，如智能手機(jī)、汽車和醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計尺寸精度在幾年前對于制造成本來說是不切實際的。精密的好處是明顯的:輕量級的電子設(shè)備，燃料高效利用，低污染的汽車和更多功能可靠的醫(yī)療設(shè)備。
例如，保護(hù)智能手機(jī)和平板電腦的觸摸屏或相機(jī)鏡頭的透明蓋板是強(qiáng)化玻璃或藍(lán)寶石材料，因為這些材料的硬度和抗劃傷性，切割時必須沒有任何模式偏差、裂紋，切割邊緣要保證10μm以下誤差，以避免影響后續(xù)生產(chǎn)步驟以及消費(fèi)者的觸控體驗。
機(jī)械力的鉆石鋸，或傳統(tǒng)激光技術(shù)相關(guān)的熱切割過程中產(chǎn)生的不受控制的脆性裂紋、鋸齒的邊緣和缺陷。這些通常被切割后會加上研磨和拋光的步驟。
相比之下，超短脈沖激光器切割玻璃和藍(lán)寶石過程中，由于沒有機(jī)械力或熱擴(kuò)散影響，切割邊緣沒有大的瑕疵。由于蓋板是按照設(shè)計規(guī)范用激光直接切割，所以研磨和拋光是必要的。此外，超短脈沖激光器可以加工脆性材料但是不能使用機(jī)械工具(見圖2)。
圖2 使用超短脈沖激光器在陶瓷、玻璃和藍(lán)寶石等材料上切出各種形狀和大小
在高產(chǎn)能、大容量的環(huán)境下，各部分都要達(dá)到設(shè)計精度是十分必要的。因為高價值產(chǎn)品的性能直接取決于準(zhǔn)確匹配設(shè)計公差，生產(chǎn)線上，任何缺乏可重復(fù)性意味著各單位產(chǎn)品性能變化。甚至導(dǎo)致不能達(dá)到消費(fèi)者的期望或政府監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，不受控制的產(chǎn)品變化是一個嚴(yán)重的問題對于許多新穎的產(chǎn)品技術(shù)。
新一代的汽車的燃料噴射器，稱做氣體直接噴油器(GDi)，就是一個精密制造理論的例子。發(fā)動機(jī)性能的一個主要因素是產(chǎn)生的噴流型發(fā)動機(jī)氣缸中的每個噴油器。在氣缸控制燃燒動力學(xué)中，燃料噴射量和燃料液滴的分布最終影響燃油效率和引擎的馬力。噴油器性能要求噴孔直徑和定義好的邊緣裂縫的公差保持±1μm以內(nèi)。
以前，GDi噴孔通過火花塞（EDM）用高碳鋼噴射器鉆洞。使用EDM技術(shù)的大量噴油器的孔徑公差通常在±3μm，源于電侵蝕的隨機(jī)性質(zhì)。這會導(dǎo)致噴油器的噴流型變化，或多或少導(dǎo)致的燃料在發(fā)動機(jī)汽缸中循環(huán)，成為影響發(fā)動機(jī)性能的主要因素。
另一方面，超短脈沖激光鉆孔加工，每一個激光脈沖精確去除相同數(shù)量的材料，實現(xiàn)一個近乎完美的噴孔。每束激光脈沖打孔的深度，根據(jù)脈沖能量設(shè)置不同，在在幾十到幾百納米之間。激光鉆孔很容易達(dá)到±1μm孔徑公差。通常1秒鐘每孔。因此，每個噴嘴有效噴出燃料，發(fā)動機(jī)符合所有的性能和排放要求(見圖3)。
圖3 高縱橫比微孔鉆超短脈沖激光器
當(dāng)傳統(tǒng)激光加工無法完成微米級別加工及大量的返工。同時，部分產(chǎn)品可能在最后檢查中未通過，嚴(yán)重影響工廠的產(chǎn)量。后置處理通常包括體力勞動，腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，微調(diào)生產(chǎn)線上的各個部分。這些強(qiáng)加的額外的成本可能進(jìn)一步減少產(chǎn)量。因此，所有生產(chǎn)設(shè)備的總成本(每年)，包括所有后處理部分，是精密制造業(yè)的最佳比較選擇。
心血管支架的制造是一個明確證明，激光加工過程是從一個擠壓金屬管子切割出錯綜復(fù)雜的格子花紋。格子花紋可以支撐10μm寬度設(shè)計，通常包含了許多急彎處和柔性鉸鏈。常規(guī)激光加工會產(chǎn)生熱影響區(qū)(HAZ)和重塑金屬，后處理前必須完成最后拋光和支架的裝配。手動去毛刺和化學(xué)腐蝕是消除缺陷的常見方法，而這些需要為熟練工人和材料增加成本。
全面投產(chǎn)中，超短脈沖激光切割擠壓管的支架沒有明顯的熱影響區(qū)和重塑。這意味著手工去毛刺和化學(xué)腐蝕生產(chǎn)過程可以去掉，直接到拋光和轉(zhuǎn)配階段。此外，超短脈沖激光器的加工可以適應(yīng)不同材料和不同結(jié)構(gòu)。因此此設(shè)備可以裝配多種醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)品線。再利用設(shè)備提供了引人注目的總成本，節(jié)省了醫(yī)療設(shè)備制造商成本(見圖4)。
圖4 超短脈沖激光器在金屬管上切割的復(fù)雜圖案
超短脈沖激光材料加工的好處是二十多年前在學(xué)術(shù)界和國家實驗室的研究人員首次確認(rèn)。事實上，首次提出應(yīng)用之一是在軍事武器方面飛秒激光加工高揮發(fā)性材料。高功率超短脈沖激光在商業(yè)應(yīng)用的成本更加敏感，只在過去五年工業(yè)激光系統(tǒng)達(dá)到適當(dāng)?shù)某杀?、性能和可靠性組合，對大數(shù)量的生產(chǎn)有積極的影響。
大部分高功率、工業(yè)超短脈沖激光器是基于薄磁盤或光纖激光器結(jié)構(gòu)，是因為這種幾何構(gòu)造對于熱處理的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的激光晶體棒相比，薄圓盤和光纖的幾何圖形面積與體積比率很高，意味著熱提取更迅速、更均勻。這種激光架構(gòu)在過去的十年里整個激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展同時為工業(yè)超短脈沖激光上鋪了一條清晰的道路。
高功率、高能量超短脈沖激光器使用的是激光振蕩放大器架構(gòu)而不是簡單的單束激光腔。飛秒激光進(jìn)一步要求啁啾脈沖放大(CPA)去保持高峰值功率脈沖。這些工業(yè)激光器設(shè)計架構(gòu)概念比傳統(tǒng)的激光器更加復(fù)雜。盡管如此，超短脈沖激光器的測試和穩(wěn)定發(fā)展引領(lǐng)著實際工業(yè)電器制造業(yè)，如德國通快的激光系統(tǒng)。
實際上，即便是超短脈沖激光也有精度限制。每一種材料和每一部分結(jié)構(gòu)都有特定的要求，限制了激光工藝參數(shù)的選擇。當(dāng)激光的平均功率足夠高時，飛秒和皮秒激光脈沖甚至可以把量化的熱能傳給底層，通過比較每一部分光束的相對運(yùn)動。例如，每個噴油器噴孔被殼體限制了油量。熱量累積就會發(fā)生，高功率激光水平影響零件質(zhì)量。你只能將零件或激光束移動如此之快。
一般來說，更高的激光功率縮短了脈沖寬度，達(dá)到了非熱加工要求。為什么不使用更短脈沖激光呢?在某些時候，激光光束傳到材料成為限制因素。典型的微加工應(yīng)用，光束集中在10μm直徑，脈沖能量在100mJ范圍內(nèi)，減短脈沖持續(xù)時間大約400fs時會導(dǎo)致光束自聚焦。這是在常壓下的克氏折射率的假設(shè)。
與傳統(tǒng)的激光相比，超短脈沖激光的生產(chǎn)參數(shù)包含更多的選項。在越來越多的情況下，某種程度上增加的復(fù)雜性讓激光材料加工的好處不在引人注目。實現(xiàn)超短脈沖激光材料加工要求技術(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用專家的工作使流程更加專業(yè)。
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