Лазерный мир

Что ждет лазеров в промышленной обработке в будущем?

ТОМАС ГРАФ, МАРВАН АБДУ АХМЕД, ПЕТЕР БЕРГЕР, ВОЛХЕР ОНУСЕЙТ и РУДОЛЬФ ВЕБЕР

Одним из наиболее интересных, но и сложных аспектов того, что было объявлено четвертой промышленной революцией, является то, что для массовой персонализации требуются гибкие и реконфигурируемые производственные системы

Фактически, первая промышленная революция — так называемая промышленность. 4.0 — была объявлено заранее, но потребность в универсально применимом и гибком инструменте для производства — огромный шанс для лазера.

В течение многих десятилетий лазер был очень гибким инструментом для обработки материалов, который можно использовать для выполнения самых разнообразных производственных задач, которые фактически охватывают весь спектр производственных процессов, определенных немецким отраслевым стандартом DIN 8580. Стандарт DIN 8580 объединяет процессы в литья, формования, разделения, соединения, нанесения покрытий и изменения свойств материала (РИСУНОК 1). В своем учебнике 1992 года Хельмут Хюгель уже выразил это так: «Важность лазера для промышленного производства прежде всего заключается в его необычайной гибкости в отношении различных процессов обработки — резки, абляции, сверления, сварки, закалки, легирования, переплавки — а также в отношении многочисленных материалов и различных конфигураций заготовок ».

РИСУНОК 1. Лазер можно использовать для обработки материалов, охватывающей весь спектр процессов, как это определено немецким промышленным стандартом DIN 8580.

Вот почему мы привыкли воспринимать лазер как универсальный производственный инструмент. Но до сих пор мы всегда использовали совершенно разные лазеры для разных применений. Основная причина этого заключается в том, что физические требования к различным процессам, особенно в отношении того факта, что средняя мощность лазера, интенсивность, длительность импульса и максимальная интенсивность или максимальная плотность потока энергии, а иногда и длина волны, весьма различны. Вторая причина заключается в том, что до сих пор установка на основе ультракороткоимпульсного лазера (лазер USP; также известен как сверхбыстрый лазер), излучающего импульсы с длительностями в пикосекундном или фемтосекундном диапазонах, существенно отличается от лазера импульсного или непрерывного излучения с непрерывной волной (CW) ) . В то же время средняя мощность, обеспечиваемая этими различными лазерами, отличалась на несколько порядков друг от друга, вследствие чего микрообработка с лазерами USP все же намного менее производительна, чем макрообработка с мощными CW-лазерами.

РИСУНОК 2. Сердцем многопроходного лазерного усилителя на тонком диске, разработанного в Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW), Штутгартский университет, является массив плоских зеркал, который направляет лазерный луч ультракороткими импульсами, которые многократно усиливаются в тонком -дисковом лазерном кристалле; до настоящего времени этим подходом была продемонстрирована средняя выходная мощность от 3,4 до 2,5 кВт с длительностью импульса в несколько пикосекунд.

Расширение возможностей лазерной системы USP.
Но все это может измениться. При средней выходной мощности лазеров USP, достигающих уровня в несколько киловатт(FIGURE 2), использование этого типа лазера в настоящее время выходит за рамки классических лабораторий микрообработки и действительно завоевывает крупномасштабные производственные приложения.
Поэтому мы увидим больше высокоточной сверхскоростной обработки материала на основе лазера, выполняемой на крупногабаритных станках, которые на первый взгляд выглядят очень похоже на те, которые мы привыкли применять для классических макро приложений, таких как резка или сварка (РИСУНОК 3). Поэтому мысль о том, чтобы выполнять все известные применения лазерной обработки материалов на одном и том же станке, естественна. Но может ли это быть реализовано одним и тем же лазером?

РИСУНОК 3. Показана типичная установка для дистанционной сварки мощными непрерывными лазерами (IFSW, Университет Штутгарта); в будущем подобные установки могут также использоваться для высокопроизводительной обработки микроматериалов с использованием лазеров USP киловаттного класса.

На самом деле, этот вопрос не нов. В своем выступлении на 11-м Международном конгрессе LASER, состоявшемся в Мюнхене в 1993 году, профессор Андреас Гебхардт и его коллеги обсудили ожидания, особенно малых и средних предприятий, в том, что все различные лазерные производственные приложения должны выполняться с одним и тем же лазерном устройстве — ожидание, которое остается нереализованным до сих пор. Однако, глядя на модульную архитектуру современных мощных лазеров USP, легко прийти к выводу, что должна быть возможность настроить лазер, который может переключаться между различными режимами работы, и который подходит для всех распространенных применений обработки материалов.

Ультракороткоимпульсные лазерные системы, обеспечивающие высокую среднюю мощность, основаны на небольшом задающем генераторе и одной или нескольких ступенях усиления (РИСУНОК 4). Важным моментом является то, что при высоких средних мощностях эти усилители (такие как предварительные усилители и многопроходные усилители мощности на тонких дисках) одинаково хорошо работают для ультракоротких импульсов или для непрерывного излучения. Поэтому, благодаря интеграции дополнительных или более гибких источников задающей генерации, нет технической причины, которая помешала бы нам настроить одну лазерную систему, которая может переключаться между CW и импульсным режимом или работой по USP.

РИСУНОК 4. Эта схема показывает типичную архитектуру мощных лазеров USP; тот же подход может быть использован для реализации (одной) лазерной системы, которая может переключаться между различными режимами работы и, следовательно, применима для всех распространенных применений обработки материалов.

В первой попытке можно использовать два или более задающих источника, например, сверхбыстрый генератор с синхронизацией мод и простой CW-лазер, в одной системе. Поскольку в большинстве систем имеется устройство для сбора импульсов, предназначенное для сбора импульсов, запускаемых в цепь усилителя, то же самое можно легко использовать для переключения между двумя задающими генераторами. В более продвинутом подходе можно было бы просто использовать одно начальное число, которое может работать в разных режимах (с блокировкой режима, с переключением добротности и CW). Даже эта идея больше не является революцией, так как уже доступны диодные лазеры, которые можно переключать между различными режимами работы.

Если взять еще несколько шагов вперед от широко используемой архитектуры современных мощных USP-лазеров, то мы можем реализовать лазер, обеспечивающий несколько киловатт средней выходной мощности, который можно переключать между различными режимами работы — от доставки ультракоротких импульсов до обычных CW излучение. Кроме того, большие мощности или высокие интенсивности, которые доступны в самых современных лазерах, также делают преобразование частоты с помощью нелинейных оптических эффектов все более привлекательным и эффективным (РИСУНОК 5). Поэтому мы сможем переключаться не только между разными длительностями импульсов и работой CW, но и между разными длинами волн. Это в конечном итоге оправдает ожидание того, что один и тот же лазер может быть использован для реализации большинства известных применений обработки материалов.

Рисунок 5. Внутрирезонаторное удвоение частоты тонкодискового лазера непрерывного действия.

Это приводит к универсальной машине, которая может фактически выполнять весь спектр лазерных производственных процессов, просто изменяя свои рабочие параметры. Это будет не только идеальный программный универсальный инструмент для Industry 4.0, но и однозначно подтвержденное другое часто цитируемое заявление, а именно, что 21-й век станет веком фотона.

Решение проблем.
Конечно, есть еще несколько проблем на этом пути. Некоторые из них все еще связаны с оптикой, например, стремление к волоконно-оптической передаче высокоэнергетических ультракоротких импульсов. Другие касаются системной инженерии. Благодаря огромному прогрессу как в области лазерных источников, так и в фундаментальном понимании физики обработки лазерных материалов, мы в значительной степени знаем, как и с какой стратегией и с какими параметрами процесса идеальный процесс должен выполняться. Здесь узким местом чаще всего оказываются сами машины. Фактически, в зависимости от планируемого применения, станки, используемые для лазерной обработки, должны становиться примерно в 100 раз быстрее или примерно в 10 раз точнее.

Чтобы достичь этой цели, мы должны перестать рассматривать лазерные станки как станки со встроенным в них лазером. Вместо этого мы должны проектировать лазерные машины с нуля как фотонную систему. Это потребует новых научных подходов и методов для системного проектирования и станет ключом к будущему успеху лазерного производства.

Литература
1. See http://bit.ly/ilsref1.
2. H. Hügel, Strahlwerkzeug Laser: eine Einführung, B. G. Teubner,ISBN 3-519-06134-1 (1992).
3. J.-P. Negel et al., Opt. Express, 23, 16, 21064–21077 (Aug. 2015); doi:10.1364/oe.23.021064.
4. J.-P. Negel et al., Opt. Lett., 38, 24, 5442–5445 (Dec. 15, 2013).
5. M. Müller et al., Opt. Lett., 43, 24, 6037–6040 (Dec. 15, 2018).
6. C. Freitag et al., Appl. Phys. A, 119,1237–1243 (2015); doi:10.1007/s00339-015-9159-3.
7. S. Faas, U. Bielke, R. Weber, and T. Graf, “Scaling the productivity of laser structuring processes using picosecond laser pulses at average powers of up to 420 W to produce superhydrophobic surfaces on stainless steel AISI 316L,” accepted for publication in Scientific Reports.
8. J. Gartzen, A. Gebhardt, and H. Lingens, Proc. 11th International Congress LASER, Munich, Germany (Jun. 1993).
9. See www.fbh-berlin.com.
10. T. Dietrich et al., Opt. Express, 25, 5, 4917–4925 (Mar. 6, 2017).

THOMAS GRAF (thomas.graf@ifsw.uni-stuttgart.de), MARWAN ABDOU AHMED, PETER BERGER, VOLKHER ONUSEIT, and RUDOLF WEBER are all with the Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) at the University of Stuttgart, Stuttgart, Germany; www.ifsw.uni-stuttgart.de.

Источник: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-34/issue-1/features/the-laser-one-universal-tool-for-manufacturing.html