​改变金属表面一工业4.0的飞秒激光

来源：The manuf...93762021-02-03 16:13

　　【机床商务网栏目 科技动态】在过去的几十年时间里，基于光子技术的解决方案，彻底改变了各个领域，其中包括通信、医学、数据存储等。工业材料加工也不例外，因为它目前完全依赖于激光和其他基于光学的特殊解决方案。

　　这促使了大量专业激光光源的产生，其中大多数是以纳秒或更多的脉冲时间来工作的，这在宏观制造中是完全可以接受的。比如汽车工业，在加工过程中，过多的热积累降低了这种光源在微纳米加工中的适用性——这是肉眼所无法看到的。为了彻底解决这一问题，9个合作伙伴(公司和研究机构)聚集在一起，开展了一个名为FemtoSurf的大型项目。该项目创造了一种金属表面变形技术，使其具有疏水性、抗菌性等特点。

　　为什么它还没有成为行业的改变者?

　　尽管飞秒(fs)激光表面成像的潜力很大，但目前它仅限于学术研究。阻碍这一技术广泛应用的主要问题之一是飞秒激光功率不足，无法阻止加工过程的缩放。目前，实现所需脉冲能量可达MJ，从而使平均fs激光功率在W或几十W范围内，使标准放大fs激光器达到了极限。使用平均功率为千瓦级的fs激光，可以使用多个激光点进行并行处理，大大提高了从实验室到fab的加工吞吐量。然而，目前市面上高平均功率fs激光器还是很少见的。此外，为了以有效和适用的方式控制和使用如此强大的激光束，必须开发新的光束控制和整形技术。我们需要考虑先进的质量控制方法和数字自动化，因为这些都是任何工业级材料加工设备中不可分割的部分。

　　这就是FemtoSurf项目的起点

　　为了解决上述所有问题，来自欧洲的不同机构聚集在一起，成立了FemtoSurf联盟，由欧盟地平线2020研究和创新项目(批准协议编号825512)资助。该项目是由光子公私关系伙伴(PPP)(www.photonics21.org)提供资金。这个项目联合了来自学术界和工业界的专业人士，其中包括了激光研究人员，材料科学家，机器人系统设计师，牙科，船舶和飞机制造商。FemtoSurf项目的主要目标是开发、测试和演示工业级固态2-3千瓦级fs激光器，其参数适用于工业环境的金属表面图案化。FemtoSurf工业级2- 3kw级fs激光将集成到可实现多光束处理的光学链中，集成到一个全自动处理装置中，可以高效地对尺寸超过几米的任意形状金属部件进行图形化处理，同时保持微米级精度和实时质量评估(零故障部件交付)。

　　该项目对航空航天工业具有重要价值

　　在持续的压力下，航空部件的磨损和污染是一个普遍存在的问题，因为它需要持续的清洗/修复操作，这显然是复杂和昂贵的。FemtoSurf开发的表面处理，将允许覆盖飞机或航天器组件的表面图案增强其自清洁性能，并减少组件之间在重载下的整体摩擦。

　　Aerea s.p.a.(意大利)是该项目的合作伙伴和终用户之一，该公司设计、开发、生产和支持航空航天储物架系统和结构。Aerea研究与技术部负责人Luca Pernechele解释了该行业所面临的主要挑战：“我们必须以优异的可靠性保证高的性能，因为我们的设备是集成在进的飞机上或在不能持续失败的空间平台上。我们还面临低速率的生产，因此我们需要灵活的解决方案，能够根据客户的需求(即设计到规范)来轻松定制。”然而,使用FemtoSurf表面纹理技术可以解决许多问题:降低零件磨损，降低机械机构内的摩擦阻力，从而提高机械效率；提高金属零件表面疏水性的表面耐蚀性；改善涂料和树脂与金属基体与杂化复合材料的结合。

　　Luca Pernechele预测了如何使用FemtoSurf技术来提高性能：“由于更好的油漆附着力提高了粘接过程的效率，这可以减少粘接面积的小表面，简化零件的几何形状和减轻组件的重量，减少摩擦可以通过减少定期维护来确定组件的更长寿命，增加腐蚀保护可以避免部件的替代”。我们终可以得出结论，FemtoSurf解决方案将显著提高寿命，进而提高航空航天业的盈利能力。

　　医疗设备的表面处理

　　任何医疗设备的表面特性在医学中都起着非常重要的作用，它决定了生物相容性、对药物的反应，重要的是决定了植入物对活组织的排斥或粘附。事实上，目前使用的钛植入物在骨科中发挥着重要的作用，因为它可以替换生病或损坏的骨头。FemtoSurf解决方案可以直接调整钛植入物的特性，包括在植入物的指定区域定向诱导斥力或粘附。

　　而另一家辛塔斯工厂是一家意大利医疗器械制造商，在世界各地设计、生产和销售骨科假肢和脊柱植入物。该公司的目标是开发具有物理化学特性的表面，增强生物反应，在这方面，FemtoSurf技术可以增加骨骼的整合并减少摩擦，为开发新的和更符合生物相容性的假体做出重要贡献。

　　船舶制造行业的防污性能

　　在所有的海洋整流船中，污染都是一个严重的问题，它会增加拖曳力和燃料的消耗，从而增加船舶的运营成本和碳足迹。罗拉SP螺旋桨SA(瑞士)公司提供高质量和高性能的船舶推进系统。该公司技术总监Paolo Vagni表示，该公司要求保证海运部门的高性能和低油耗。当被问及Femtosurf技术在航运业的投入时，Paolo Vagni声称，表面结构将有助于保持产品的原有性能，延长产品的使用寿命，避免污垢，而无需进行维护。FemtoSurf实施的船舶螺旋桨防污表面结构，将导致船舶燃油消耗和维护的大幅减少，直接影响到航运业和航运业。

　　Femtosurf项目为终端用户带来了诸多优势。而来自Femtika(立陶宛)的Gedvinas Nemickas项目技术的协调员强调，Femtosurf技术将促进激光表面纳米化领域专利的出现，并为整个科学界创造全新的机会，建立起千瓦级飞秒激光机器人系统。