激光：一种更具潜力的成熟工具

无论是焊接还是表面结构，激光现在都是许多工业过程中不可或缺的一部分。它在未来的应用中仍有很大的潜力。

激光在汽车工业中可靠地切割和焊接车身面板和变速箱部件。他们使用激光熔敷焊接技术修复航空工业中的涡轮叶片，并使用激光粉末床熔合工艺为航天工业生产定制和轻量化部件。短脉冲激光器通过其钻孔、切割或构造能力，在电子行业为新设备的小型化做出了巨大贡献。综上所述：激光是一种全方位的工具，已在众多行业中站稳脚跟。

图1在Fraunhofer卓越CAPS集群中开发的低噪声量子变频器的实验室原型。

通过形成和引导光束，定制的激光可以精确地适应相关过程。波长是专为被加工材料选择的。激光工具仍然提供了工业和科学目前正在发现的许多未被发现的潜力。创新的激光束源可以实现新的或改进的生产工艺。相反，尚未解决的生产过程困难需要新的激光束源或对现有系统进行改造。

德国亚琛Fraunhofer激光技术研究所（ILT）的专家及其合作公司在本文中展示了这种相互依赖目前所带来的可能。

高功率超短脉冲激光器是闪耀的恒星

超短脉冲（USP）激光器是一种非常特殊的激光器：其脉冲长度以皮秒或飞秒为单位。由于光与材料的相互作用时间极短，材料中产生的热量非常低。Fraunhofer ILT激光和激光光学专业领域经理Hans Dieter Hoffmann表示：“一千瓦功率飞秒激光器的领域。”Amphos和Edgewave等ILT附属公司已经提供高达1.5千瓦的USP激光器。

图2使用USP激光器在涡轮叶片中进行精密深钻孔。

亚琛的研究人员目前正与位于耶拿的Fraunhofer应用光学和精密工程研究所合作，在Fraunhofer卓越集群先进光子源CAPS中进一步扩大皮秒或飞秒激光的功率。他们希望达到三级，5甚至10千瓦的平均激光功率，并开发适合工业的设备。研究人员还在CAPS集群中建立了一个用户设施，实验室配备了测试最新激光器的设备，供来自工业和科学领域的感兴趣用户使用。超短脉冲激光可以钻一个直径小于0.5微米的孔。例如，对于使用计量吸入器的肺部患者的药物治疗而言，这很有意义。

图3多光束技术：如今，144束部分光束可用于生产：弗劳恩霍夫ILT的科学家们正在研究平行USP激光工艺，最多可使用1000束部分光束，以进一步提高生产率。

USP激光器也是可持续的：它们可以替代腐蚀性蚀刻工艺。该研究所所长Constantin Häfner教授表示：“这是一项非常有希望的举措，有助于可靠地实施循环经济，我们在Fraunhofer ILT的许多项目中都在遵循这一举措。”Temicon公司也在紧跟微纳结构表面的生产。Temicon产品开发主管Mike Bülters解释道：“我们正越来越多地寻找能够直接使用这些工具的解决方案，而不需要中间的平版印刷和镀锌工艺。我们认为USP技术是一种可能的替代方法，可以将大面积的紧密聚焦散射功能，甚至折射或衍射光学功能转移到压花圆柱体上。”

在USP技术中，Fraunhofer ILT的研究人员继续推动的一件事是从微观到宏观的转变。如何将USP激光器在微观水平上对各种不同材料产生的功能特性扩展到大规模组件，一个例子是房间气溶胶过滤器中的微孔，或用于食品技术中的微过滤器。

图4用于生产电池模块的激光焊机。

从长远来看，USP激光器可以达到极高的强度，这是非常有趣的应用。研究人员说：“USP激光器甚至可以通过将光在空间和时间上聚焦到如此高的能量密度，产生远远超过传统光源亮度的x射线。这将开辟新的应用领域。”未来的另一种可能性可能是，通过使用高强度激光而不是建造巨型粒子加速器，将粒子的速度提高到几厘米以内，几乎达到光速。未来可以设想一公里长的同步加速器作为桌面设备——至少用于一种或另一种工业应用。Fraunhofer ILT也在研究这些“次级来源”。

高效电池和燃料电池的激光技术加工电池和燃料电池的发展市场是激光发展潜力巨大的一个领域。Kuka Systems的Joachim Döhner表示：“电动汽车行业和市场非常活跃，公司必须能够对新材料和产品设计的出现做出快速反应。”如今，激光已经被用于制造电池，例如用于电池盒的结构焊接或连接电池。

Kuka和Fraunhofer ILT正在合作加入技术。Gillner解释道：“公司在使用激光时面临的最大挑战是质量和再现性。这里需要材料和工艺方面的专业知识。”通过使用不同波长或自适应波束形成，可获得质量和再现性最佳的激光相关解决方案。就生产速度而言，限制因素不是激光，而是机器。这就是为什么Fraunhofer ILT专家与工业公司进行交流，寻找新的流程和系统设计。

不仅激光电池的生产令人感兴趣，而且燃料电池，特别是质子交换膜（PEM）电池的制造也令人感兴趣。目前的一个挑战是生产量。对于复合双极板，就像那些已经广泛用于固定应用的板一样，使用激光可以很容易地将表面上的聚合物释放出来。然而，库卡的观点是，它们的大规模使用，以及由此带来的燃料电池技术创新前景，在未来仍有一段路要走。

图5 LPBF制造的集成传感器组件。

未来的数字化生产：增材制造虽然切割、连接和烧蚀是激光最著名的应用，但它们也可以做更多的事情。例如，他们可以逐层添加组件制造。这种数字化生产不仅在工具制造业中很有意思，在石油和天然气行业、汽车行业以及航空航天技术中也很有意思。Fraunhofer ILT正在牵头研究两种特殊的增材制造方法：激光材料沉积和激光粉末床融合。

除了激光熔敷焊接外，激光粉末床熔接（LPBF）工艺在3D打印领域也掀起了最大的浪潮。Fraunhofer ILT能力领域经理LPBF Jasmin Saewe解释道：“提高生产力和流程的稳健性是议事日程上的头等大事——我们正在将我们的研究导向这两个方面。”

另一个方面是将先前和后续工艺步骤集成到一台机器中。所有这些举措都会产生一个问题，即如何将这些生产系统集成到现代计算基础设施中，最好是尽可能做到用户友好和特定于应用程序。

功能表面和智能组件

全方位千斤顶激光器的另一个应用领域是表面功能化。“例如，通过使用激光在表面上沉积一层10到20微米的薄表层，可以增强廉价但易碎的铸造组件并防止其磨损。”Fraunhofer ILT职能部门和表面代理主管Jochen Stollenwerk说。当需要一层或几层防腐层以减少磨损时，表面处理是有意义的。滚珠或滚柱轴承的硬质耐磨层也可以通过溶胶-凝胶涂层实现，该涂层可以很容易地应用并通过激光处理转化为硬质陶瓷层。

研究人员面临着一个所谓“智能部件”的核心问题：如何使用激光将测量特性纳入表层？一个可能的答案是：由纳米颗粒制成的可打印导电油墨，这些纳米颗粒在激光处理过程中烧结，并具有导电特性。这种过程不仅可以创建单个功能层，事实上还可以创建多个层来生成完整的传感器。目标很明确：传感器生产应与组件生产完全自动耦合。例如，从长远来看，这将允许更换粘贴式膨胀测量条。