先进激光如何塑造环保制造

Josiah02

利用超短光脉冲的新一代激光器在精密零件的可持续制造方面显示出巨大的潜力。
德国机械工程师兼研究经理马丁·奥斯比尔德 (Martin Osbild) 是避免浪费的拥护者。在家里，他宁愿修理而不是更换损坏的家用物品——从洗衣机到食品搅拌机和自行车。在工作中，同样的环保原则也是他的首要任务。
奥斯比尔德领导着德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）的一个研究团队，他们正在研究如何通过改进激光技术来减少浪费并提高制造业的环境可持续性。
他们的工作是欧盟为期四年的研究合作项目 METAMORPHA 的一部分，该项目将于 2026 年 8 月结束。
精密生产
主要关注激光微加工——电子、航空航天和医疗应用等领域所需的金属和其他材料的极高精度成型和加工。
随着对微型部件的需求不断增长，这项工作变得越来越重要。如今的生产线依靠微加工来生产用于从高端电子产品到豪华手表等产品的复杂部件。
奥斯比尔德表示，许多现有的微加工技术涉及低效且不灵活的机械和电化学过程，这些过程会消耗大量能源，同时产生大量废物和有害化学物质。
“许多工业过程相当古老，这意味着它们经过充分研究，但也不环保。”
对于 Osbild 和他的团队来说，解决方案在于激光技术，更具体地说，就是所谓的超短脉冲 (USP) 激光。使用持续时间仅为千万亿分之一秒到万亿分之一秒的极短光脉冲来切割和构造表面，其精度远高于较长的激光脉冲或连续辐射。
激光加工的首次精度更高，减少了浪费，也避免了使用传统工艺所需的化学品。此外，由于没有磨损，该技术无需更换工具。它还可以最大限度地减少表面加热、能量损失和涂层需求。USP 激光器可以以微米级精度加工几乎任何材料。
把握脉搏
研究人员面临的障碍之一是，USP 激光器需要强大的激光功率才能在工业规模上高效运行。
位于比利时列日的工业激光机制造商 LASEA 的集团研究协调员 David Bruneel 说：“多年来，USP 激光器的缺点是它们的功率不够大，无法在需要加工大型部件的工业应用中具有竞争力。”
LASEA 正在与弗劳恩霍夫 ILT 团队以及来自法国、德国、希腊、卢森堡、荷兰和西班牙的其他研究伙伴密切合作，以扩大 USP 激光技术的应用范围，实现大规模制造。
研究人员目前正在测试一台 1 千瓦的 USP 系统，他们认为，与目前运行功率为 200 至 300 瓦的商业系统相比，该系统可以大大拓宽 USP 微加工的应用范围。
布鲁尼尔说：“现在我们看到了功率的真正提升，这将使微加工的生产力大大提高。”
目标是用单一数字 USP 激光系统取代整个微加工制造链。该系统将结合 3D 传感器和机器学习算法，以最大程度提高效率、帮助定制设计并监控浪费。
工业 5.0
测试显示，该技术可减少90%的废弃物和能源消耗。该技术可应用于制造各种各样的产品，从电子元件到剃须刀头，再到车身和食品饮料罐头上金属板的压花机。潜力巨大。
多年来，LASEA 参与了多项欧盟资助的激光技术和光子学开发项目，受益于欧盟资助和众多欧洲合作伙伴的共享专业知识。这帮助该公司自 1999 年以来实现了指数级增长。
这也有助于保留欧洲具有战略重要性的领域的高端工作和技术知识。
对于布鲁尼尔来说，欧盟对激光制造业的资助正在帮助该地区向工业 5.0 迈进——在这个过程中，人们利用先进的人工智能技术共同努力，为环境改善和恢复力做出贡献，同时也优先考虑工人的福祉。
他说：“欧洲正在引领本地区经济和技术的发展，走向更美好的世界。”
自然灵感
LASEA 还参与了欧盟早期资助的一项名为 LAMPAS 的研究计划，该计划开发了一种受生物过程启发的高功率 USP 激光系统。例如，通过观察荷叶的自洁特性，开发出了具有防水特性的表面。
负责协调这项研究的德国德累斯顿工业大学光子学和激光表面工程专家安德烈斯·拉萨尼 (Andrés Lasagni) 教授表示：“从生物学中获取灵感尤其重要，因为大自然已经进化出了令人难以置信的高效表面功能。”
这项技术可用于激光处理烤箱、冰箱和其他家用电器，使其表面易于清洁，并可防指纹。洗碗机热水器采用激光处理后，矿物质的积累也减少了，有助于防止机器堵塞。
鲨鱼皮是减少摩擦和阻力的表面设计的另一个灵感来源，对交通运输和空气动力学等领域有影响。
拉萨尼说：“通过模仿这些生物系统，我们可以创造出性能更好、寿命更长、有助于节约能源的材料。”
推动力
拉萨尼还强调，欧盟对该行业的支持促进了合作，这是欧洲工业发展的动力。LAMPAS 将于 2022 年完工，涉及激光技术来自比利时、法国、德国和西班牙的
他说：“这种程度的合作对于促进创新和确保最新技术进步不仅在欧洲开发，而且在这里实现商业化至关重要。”
展望未来，他表示，随着各行各业的制造商不断寻求提高效率和性能并减少环境影响的方法，激光技术将得到更广泛的应用。
他说：“这些技术提供的功能不只是锦上添花而已。它们可以从根本上提高许多行业的产品性能。”