German light production platform—focused laser micro and nano processing pain points

          相比于传统机械加工,激光加工技术因其无接触、无工具损耗、加工精度极高等特性一直牢牢占据着微米、纳米级别加工产业的主导地位。尤其是超短脉冲激光被广泛应用之后,激光技术成为对所加工材料种类无任何限制的全能型加工手段。
超短脉冲激光加工对材料无选择性,不仅能够对硬质合金、玻璃、陶瓷及半导体等硬度高、脆性大的难处理材料进行高精度加工,更能够实现对复合材料的无损伤加工。
ACunity(亚琛联合科技)、Pulsar Photonics GmbH将与世界最大的激光应用技术机构Fraunhofer ILT(弗劳恩霍夫激光技术研究所)在超短激光微观加工工艺、核心部件、以及成套加工系统制造上紧密合作,建立联合实验室、试制工厂,为国内客户提供定制化测试与研发平台。三家机构联袂在2020上海慕尼黑光博展上展示激光微纳加工的最新技术与应用亮点。

高精度自动化旋转光学系统(Helical Optic)

         激光旋转制孔技术,适用于精密形状微孔制备。受到光束性质的影响,一般微孔深径比的极限约为20:1。使用超短脉冲激光可制备出入口都具备高圆度特征的微孔,其深径比受到多个因素的限制,特别是制孔工艺、光学元件、及超短脉冲激光最大脉冲能量。制孔过程中,由于聚焦激光光束的发散和多次反射现象,材料烧蚀速率会随着制孔深度的增加急剧下降。因此,在较厚材料上制备较大深径比的微孔更有难度。

          Fraunhofer ILT研发出高质量旋转光学系统,配备高脉冲能量超短脉冲脉冲激光,对微孔制备技术进行了系统性研究。激光波长532nm,脉冲宽度12ps,最大单脉冲能量650μJ,光束焦点直径25μm。在旋转制孔过程中,光源入射角、位置、旋转速度可灵活调节,从而可以有选择地调控光束的多次反射程度、钻孔过程的能量作用时间及空间上的热沉积。

         采用较高单脉冲能量可提高激光对材料的烧蚀速率。对3mm厚钢板,可在25μm内完成制孔,出入口孔径为φ60μm,其极限深径比达到了50:1;出入口圆度大于0.92。下图 中的深孔纵向剖面图显示,深孔垂直于材料表面,入孔区边缘角接近90°,孔壁粗糙度Ra小于0.5μm。

          旋转制孔技术可以在钢、玻璃、陶瓷材料上制备高径深比的精密微孔,在旋转喷嘴、注射器喷嘴、喷射器、通风孔及传感器、过滤器等多种零部件上都有应用。随着应用案例的不断增多,微孔精密制造技术也在不断完善与升级。

多光束激光加工单元 (Diffractive Optical Elements,DOE)

          毫无疑问,高精度、高质量加工是激光技术的优势所在, 由于光源与材料极短的相互作用时间,超短脉冲激光可以实现高精度的材料加工,而热影响忽略不计。其切割或烧蚀工艺的质量效果非常好,然而生产效率却很低。尽管超短脉冲光源有千瓦能级可选,但如果将其高能量转化为工艺效率的提升却并不容易。为控制其工艺质量,通过衍射光学元件一束光被分成多个子光束,通过这些子光束的并行处理可以来提高生产效率。这些方法的最大不足是灵活性低,因为局部光束只能一起切换,子光束间的横向距离一般由所用的光学器件静态性能决定,因此,只能用于周期性结构的生产。

          Fraunhofer ILT依托在系统开发领域的丰富经验,成功设计出多光束激光加工系统。该先进分光系统可实现对单一激光束分化至多达200道平行激光束,在集成超短脉冲激光的同时上百倍提升加工效率,新型多光束加工系统使亚琛的专家们能够创造出直径小于φ1μm的精密微孔,将孔与孔之间的间距缩小到几微米,并成功地在一秒内制备超过12000个微孔,为大面积激光加工提供了可能。不仅如此,系统内部的空间立体调光器可以对200条光束的反射行为进行单独编程,通过数字化控制分别定义每条激光束在工件表面的运动轨迹,在显著提升加工效率的同时更进一步实现了产品加工的灵活性与多样性。

          基于该技术建立的Fraunhofer ILT孵化公司Pulsar Photonics GmbH,充分挖掘DOE系统在大批量激光精细加工领域的应用与市场潜力,在微纳模具加工、材料大面积结构化与大面积微孔加工等领域为工业用户提供了数套系统化的解决方案。

服务于中国本土大市场

          利用前沿的激光技术和工艺,开发出满足客户需求的工业级大规模加工系统和设备,是Fraunhofer ILT及其孵化企业ACunity(亚琛联合科技)、Pulsar Photonics一直以来的宗旨。通过工业合作伙伴的参与、迭代研发、细化分工、密切配合,不断加速技术的产业化应用,在加工工艺上追求加工质量与加工效率的完美结合,并逐步对系统设备的自动化与数字化进行升级,带动整个中德高端制造水平与格局的不断冲高。期待越来越多的国内企业加入到光生产的大潮中来,而激光—这一无形的工具将为我们带来无尽的可能。

Scroll to Top