行業(yè)動(dòng)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(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(diǎn)。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過(guò)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(diǎn)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(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸，容易焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無(wú)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(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠(yuǎn)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(dá)到高質(zhì)量的焊接。以上特點(diǎn)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(guó)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(guó)家，對(duì)汽車車殼與底座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器機(jī)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(jí)上的控制。激光的顯著特點(diǎn)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(diǎn)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到的普遍要求，加工屬熱化學(xué)過(guò)程。這里要突出的是，通過(guò)脈沖式激光輻射可達(dá)到接近“冷”加工的光化學(xué)動(dòng)力過(guò)程。一方面選擇脈沖的時(shí)間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程和熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)不及發(fā)生；另一方面通過(guò)控制激光的功率密度和脈沖計(jì)數(shù)，按要求達(dá)到確定的去除深度，從而實(shí)現(xiàn)高精度的“線”切割和“點(diǎn)”鉆孔加工。歐美一些國(guó)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(xì)加工制造
激光微細(xì)加工技術(shù)成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的微電子學(xué)領(lǐng)域。激光微細(xì)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)?；a(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫(xiě)入存儲(chǔ)、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光，通過(guò)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(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫(xiě)；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)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(guò)CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案(或文字)和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對(duì)生物細(xì)胞執(zhí)行移動(dòng)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(xì)機(jī)械部件的光制造。
無(wú)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(shì)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(gè)數(shù)量級(jí)以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達(dá)50Mbit/s，多波道可達(dá)320Mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 秒；③成本低、使用壽命長(zhǎng)。在微細(xì)機(jī)械部件的光制造方面，近幾年國(guó)外已將其列為攻關(guān)項(xiàng)目，成為未來(lái)高新技術(shù)前期研究的熱點(diǎn)。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級(jí)的三維“納米牛”，這說(shuō)明日本在微納量級(jí)的三維激光微成型機(jī)制上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)分子激光，通過(guò)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(dòng)流程加工制造
由于激光輸出的可控制性，使激光制造過(guò)程能夠通過(guò)軟件實(shí)行自動(dòng)化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實(shí)行加工臺(tái)的定位控制亦可通過(guò)激光的光纖傳輸實(shí)行加工頭的機(jī)器手定位控制，從而實(shí)現(xiàn)卓效的自動(dòng)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(pán)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(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)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?？茖W(xué)技術(shù)的革命證實(shí)了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是非常有說(shuō)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(lái)的制造技術(shù)必將沿著“越來(lái)越小”的方向進(jìn)軍。20世紀(jì)把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀(jì)標(biāo)志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門(mén)學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械以及傳感器、執(zhí)行器的信號(hào)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(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認(rèn)識(shí)和改造自然的能力上達(dá)到一個(gè)新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會(huì)物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。
美國(guó)在80年代末就意識(shí)到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強(qiáng)調(diào)美國(guó)“應(yīng)該在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”，并啟動(dòng)了早期的研究計(jì)劃。進(jìn)入90年代后，日本也開(kāi)始實(shí)施為期10年、總投資為250億日元的“微型機(jī)械技術(shù)”大型研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細(xì)微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國(guó)漢諾威激光機(jī)構(gòu)和法國(guó)、瑞士、意大利等國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)開(kāi)始新世紀(jì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場(chǎng)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。
目前的研究進(jìn)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(guó)國(guó)家教研部從2002年開(kāi)始，出臺(tái)了為期五年的光學(xué)資助計(jì)劃，其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計(jì)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(guó)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(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng)上，達(dá)到 150～0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過(guò)分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場(chǎng)透鏡。
微納光制造及其相關(guān)技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一，激光微技術(shù)將在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。我國(guó)在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，我們要抓住機(jī)遇，迎接新世紀(jì)光制造時(shí)代的到來(lái)。
(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(diǎn)。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過(guò)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(diǎn)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(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸，容易焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無(wú)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(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠(yuǎn)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(dá)到高質(zhì)量的焊接。以上特點(diǎn)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(guó)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(guó)家，對(duì)汽車車殼與底座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器機(jī)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(jí)上的控制。激光的顯著特點(diǎn)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(diǎn)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到的普遍要求，加工屬熱化學(xué)過(guò)程。這里要突出的是，通過(guò)脈沖式激光輻射可達(dá)到接近“冷”加工的光化學(xué)動(dòng)力過(guò)程。一方面選擇脈沖的時(shí)間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程和熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)不及發(fā)生；另一方面通過(guò)控制激光的功率密度和脈沖計(jì)數(shù)，按要求達(dá)到確定的去除深度，從而實(shí)現(xiàn)高精度的“線”切割和“點(diǎn)”鉆孔加工。歐美一些國(guó)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(xì)加工制造
激光微細(xì)加工技術(shù)成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的微電子學(xué)領(lǐng)域。激光微細(xì)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)?；a(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫(xiě)入存儲(chǔ)、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光，通過(guò)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(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫(xiě)；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)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(guò)CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案(或文字)和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對(duì)生物細(xì)胞執(zhí)行移動(dòng)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(xì)機(jī)械部件的光制造。
無(wú)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(shì)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(gè)數(shù)量級(jí)以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達(dá)50Mbit/s，多波道可達(dá)320Mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 秒；③成本低、使用壽命長(zhǎng)。在微細(xì)機(jī)械部件的光制造方面，近幾年國(guó)外已將其列為攻關(guān)項(xiàng)目，成為未來(lái)高新技術(shù)前期研究的熱點(diǎn)。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級(jí)的三維“納米牛”，這說(shuō)明日本在微納量級(jí)的三維激光微成型機(jī)制上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)分子激光，通過(guò)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(dòng)流程加工制造
由于激光輸出的可控制性，使激光制造過(guò)程能夠通過(guò)軟件實(shí)行自動(dòng)化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實(shí)行加工臺(tái)的定位控制亦可通過(guò)激光的光纖傳輸實(shí)行加工頭的機(jī)器手定位控制，從而實(shí)現(xiàn)卓效的自動(dòng)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(pán)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(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)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?？茖W(xué)技術(shù)的革命證實(shí)了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是非常有說(shuō)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(lái)的制造技術(shù)必將沿著“越來(lái)越小”的方向進(jìn)軍。20世紀(jì)把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀(jì)標(biāo)志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門(mén)學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械以及傳感器、執(zhí)行器的信號(hào)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(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認(rèn)識(shí)和改造自然的能力上達(dá)到一個(gè)新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會(huì)物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。
美國(guó)在80年代末就意識(shí)到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強(qiáng)調(diào)美國(guó)“應(yīng)該在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”，并啟動(dòng)了早期的研究計(jì)劃。進(jìn)入90年代后，日本也開(kāi)始實(shí)施為期10年、總投資為250億日元的“微型機(jī)械技術(shù)”大型研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細(xì)微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國(guó)漢諾威激光機(jī)構(gòu)和法國(guó)、瑞士、意大利等國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)開(kāi)始新世紀(jì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場(chǎng)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。
目前的研究進(jìn)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(guó)國(guó)家教研部從2002年開(kāi)始，出臺(tái)了為期五年的光學(xué)資助計(jì)劃，其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計(jì)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(guó)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(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng)上，達(dá)到 150～0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過(guò)分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場(chǎng)透鏡。
微納光制造及其相關(guān)技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一，激光微技術(shù)將在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。我國(guó)在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，我們要抓住機(jī)遇，迎接新世紀(jì)光制造時(shí)代的到來(lái)。
