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行業(yè)動態(tài)
激光制造技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，其突出的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)特種材料特殊要求的加工
激光焊接與大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接方法相比具有突出的優(yōu)點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的迅速，可破壞一些難熔金屬表面的應(yīng)力閾值，或使高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點金屬快速熔化，完成某些特種金屬或合金材料的焊接，而且在激光焊接過程中無機械接觸，容易焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無關(guān)物質(zhì)落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系統(tǒng)，還可實現(xiàn)特殊場合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠距離在線焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等；在不發(fā)生材料表面蒸發(fā)的情況下可熔化多數(shù)量的物質(zhì)，達到高質(zhì)量的焊接。以上特點是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或幾乎不能做到的。目前，在汽車、國防、航空航天等一些特殊行業(yè)，已普遍采用激光焊接技術(shù)2。例如歐洲一些國家，對汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接，激光的應(yīng)用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接工具和方法。
(2)特殊精度的加工制造
這里指的高精度除通常意義下的定位外，主要還體現(xiàn)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)量級上的控制。激光的顯著特點之一，就是可采取連續(xù)和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例，激光能量高度集中，以及加熱、冷卻速度快的特點可實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達到的普遍要求，加工屬熱化學過程。這里要突出的是，通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程和熱化學反應(yīng)來不及發(fā)生；另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數(shù)，按要求達到確定的去除深度，從而實現(xiàn)高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中已普遍采用這種脈沖光制造技術(shù)。
(3)微細加工制造
激光微細加工技術(shù)成功的應(yīng)用是在20世紀后半葉發(fā)展起來的微電子學領(lǐng)域。激光微細加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)模化生產(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢的領(lǐng)域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫(yī)療等。選擇適當波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制(精密光刻)；通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字)和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作(生物光鑷)。值得一提的是，高密度信息的激光記錄和微細機械部件的光制造。
無論是數(shù)字記錄或是掃描記錄，還是圖像與文字的模擬記錄，激光記錄方法(光刻)都具有特別的優(yōu)勢并取得了重要突破，以數(shù)字記錄為例：①信息記錄密度高(107～108bit/cm2以上)，刻錄槽寬0.7μm、深0.1μm，比磁記錄密度提高兩個數(shù)量級以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達50Mbit/s，多波道可達320Mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠遠小于1 秒；③成本低、使用壽命長。在微細機械部件的光制造方面，近幾年國外已將其列為攻關(guān)項目，成為未來高新技術(shù)前期研究的熱點。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級的三維“納米牛”，這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經(jīng)取得了巨大的進展。北京工業(yè)大學激光工程研究院應(yīng)用準分子激光，通過掩模方法，已經(jīng)加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。
(4)卓效的自動流程加工制造
由于激光輸出的可控制性，使激光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實行加工臺的定位控制亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制，從而實現(xiàn)卓效的自動化、智能化激光制造。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構(gòu)架的焊接、齒輪盤及其他部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產(chǎn)線。
激光微制造將成為新世紀高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)
諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機器制造出小機器，用這種小機器又能制造出更小的機器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加工工具。科學技術(shù)的革命證實了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是非常有說服力的例子，從集成到大規(guī)模集成到規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中，已經(jīng)顯示出未來的制造技術(shù)必將沿著“越來越小”的方向進軍。20世紀把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀標志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類活動的各個領(lǐng)域。21世紀則是多門學科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學、微機械以及傳感器、執(zhí)行器的信號處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會物質(zhì)文明及科學技術(shù)的巨大變革。
美國在80年代末就意識到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強調(diào)美國“應(yīng)該在這樣一個新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競爭中走在前面”，并啟動了早期的研究計劃。進入90年代后，日本也開始實施為期10年、總投資為250億日元的“微型機械技術(shù)”大型研究開發(fā)計劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國漢諾威激光機構(gòu)和法國、瑞士、意大利等國的相關(guān)科研機構(gòu)，進行合作開發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國際性競爭，已經(jīng)開始新世紀高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場的爭奪戰(zhàn)。
目前的研究進展也已經(jīng)顯示，激光微技術(shù)是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺了為期五年的光學資助計劃，其中重要的一項內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一定比例遞增。德國采取分解式的單元技術(shù)研究，在光的微制造與微納技術(shù)的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統(tǒng)上，達到 150～0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場透鏡。
微納光制造及其相關(guān)技術(shù)，是當前國際競爭的主要領(lǐng)域，微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志之一，激光微技術(shù)將在這個領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。我國在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，機遇與挑戰(zhàn)并存，我們要抓住機遇，迎接新世紀光制造時代的到來。
(1)特種材料特殊要求的加工
激光焊接與大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接方法相比具有突出的優(yōu)點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的迅速，可破壞一些難熔金屬表面的應(yīng)力閾值，或使高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點金屬快速熔化，完成某些特種金屬或合金材料的焊接，而且在激光焊接過程中無機械接觸，容易焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無關(guān)物質(zhì)落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系統(tǒng)，還可實現(xiàn)特殊場合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠距離在線焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等；在不發(fā)生材料表面蒸發(fā)的情況下可熔化多數(shù)量的物質(zhì)，達到高質(zhì)量的焊接。以上特點是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或幾乎不能做到的。目前，在汽車、國防、航空航天等一些特殊行業(yè)，已普遍采用激光焊接技術(shù)2。例如歐洲一些國家，對汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接，激光的應(yīng)用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接工具和方法。
(2)特殊精度的加工制造
這里指的高精度除通常意義下的定位外，主要還體現(xiàn)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)量級上的控制。激光的顯著特點之一，就是可采取連續(xù)和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例，激光能量高度集中，以及加熱、冷卻速度快的特點可實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達到的普遍要求，加工屬熱化學過程。這里要突出的是，通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程和熱化學反應(yīng)來不及發(fā)生；另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數(shù)，按要求達到確定的去除深度，從而實現(xiàn)高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中已普遍采用這種脈沖光制造技術(shù)。
(3)微細加工制造
激光微細加工技術(shù)成功的應(yīng)用是在20世紀后半葉發(fā)展起來的微電子學領(lǐng)域。激光微細加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)模化生產(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢的領(lǐng)域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫(yī)療等。選擇適當波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制(精密光刻)；通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字)和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作(生物光鑷)。值得一提的是，高密度信息的激光記錄和微細機械部件的光制造。
無論是數(shù)字記錄或是掃描記錄，還是圖像與文字的模擬記錄，激光記錄方法(光刻)都具有特別的優(yōu)勢并取得了重要突破，以數(shù)字記錄為例：①信息記錄密度高(107～108bit/cm2以上)，刻錄槽寬0.7μm、深0.1μm，比磁記錄密度提高兩個數(shù)量級以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達50Mbit/s，多波道可達320Mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠遠小于1 秒；③成本低、使用壽命長。在微細機械部件的光制造方面，近幾年國外已將其列為攻關(guān)項目，成為未來高新技術(shù)前期研究的熱點。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級的三維“納米牛”，這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經(jīng)取得了巨大的進展。北京工業(yè)大學激光工程研究院應(yīng)用準分子激光，通過掩模方法，已經(jīng)加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。
(4)卓效的自動流程加工制造
由于激光輸出的可控制性，使激光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實行加工臺的定位控制亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制，從而實現(xiàn)卓效的自動化、智能化激光制造。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構(gòu)架的焊接、齒輪盤及其他部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產(chǎn)線。
激光微制造將成為新世紀高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)
諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機器制造出小機器，用這種小機器又能制造出更小的機器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加工工具。科學技術(shù)的革命證實了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是非常有說服力的例子，從集成到大規(guī)模集成到規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中，已經(jīng)顯示出未來的制造技術(shù)必將沿著“越來越小”的方向進軍。20世紀把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀標志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類活動的各個領(lǐng)域。21世紀則是多門學科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學、微機械以及傳感器、執(zhí)行器的信號處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會物質(zhì)文明及科學技術(shù)的巨大變革。
美國在80年代末就意識到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強調(diào)美國“應(yīng)該在這樣一個新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競爭中走在前面”，并啟動了早期的研究計劃。進入90年代后，日本也開始實施為期10年、總投資為250億日元的“微型機械技術(shù)”大型研究開發(fā)計劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國漢諾威激光機構(gòu)和法國、瑞士、意大利等國的相關(guān)科研機構(gòu)，進行合作開發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國際性競爭，已經(jīng)開始新世紀高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場的爭奪戰(zhàn)。
目前的研究進展也已經(jīng)顯示，激光微技術(shù)是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺了為期五年的光學資助計劃，其中重要的一項內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一定比例遞增。德國采取分解式的單元技術(shù)研究，在光的微制造與微納技術(shù)的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統(tǒng)上，達到 150～0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場透鏡。
微納光制造及其相關(guān)技術(shù)，是當前國際競爭的主要領(lǐng)域，微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志之一，激光微技術(shù)將在這個領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。我國在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，機遇與挑戰(zhàn)并存，我們要抓住機遇，迎接新世紀光制造時代的到來。
