近年來(lái)，激光制造的一個(gè)重要部分精密加工得到較多的關(guān)注，業(yè)界普遍看好其發(fā)展空間。實(shí)現(xiàn)精密加工的激光器也從早期的固體納秒綠光/紫外激光器發(fā)展到皮秒和飛秒激光器，特別是超快激光器國(guó)產(chǎn)化以后，精密加工基本上是以超快激光為主流了。超快精密加工技術(shù)快速突破，發(fā)展的最終趨勢(shì)是如何呢?
超快激光器國(guó)產(chǎn)化加快
超快激光器在外國(guó)較早出現(xiàn)研究成果是在2003年左右，至今已約20年，分為不同的技術(shù)路線。直到2010年后商用超快激光器才逐漸成型，并得以應(yīng)用。當(dāng)時(shí)價(jià)格較為昂貴，功率低，適用范圍小，工業(yè)應(yīng)用條件不成熟。
彼時(shí)我國(guó)的超快激光完全空白，到2013年后有歸國(guó)人才回國(guó)創(chuàng)業(yè)才開始有這方面的產(chǎn)業(yè)化嘗試。這方面的缺失也讓我國(guó)付出了高昂的使用代價(jià)，國(guó)內(nèi)精密設(shè)備商往往花費(fèi)一百多二百多萬(wàn)進(jìn)口一臺(tái)超快激光器，最終精密激光加工設(shè)備的價(jià)格高達(dá)三四百萬(wàn)元。
我國(guó)超快激光器到2017年后技術(shù)快速突破，科研和生產(chǎn)企業(yè)達(dá)二三十家，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程大大提高了，超快激光器的國(guó)產(chǎn)化推動(dòng)了激光器價(jià)格的大幅下滑，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了超短脈沖激光技術(shù)的自主化。與此同時(shí)，我國(guó)的超快激光加工設(shè)備應(yīng)用快速拓展，在手機(jī)、電子產(chǎn)品、陶瓷、玻璃、太陽(yáng)能、芯片等行業(yè)逐漸滲透，超快激光精密加工市場(chǎng)備受行業(yè)看好。超快激光引起了資本市場(chǎng)的關(guān)注，少部分新興的超快激光器企業(yè)得到數(shù)千萬(wàn)甚至上億元的融資。
陶瓷激光切割
超快激光器的技術(shù)路線
超快激光器最早的技術(shù)都是走固態(tài)激光技術(shù)路線，固體激光具有出光功率高、穩(wěn)定性高、控制好的特點(diǎn)，基本上是納秒/亞納秒固體激光器的升級(jí)延續(xù)，所以在精密加工方面，皮秒飛秒固體激光取代納秒固體激光是順理成章的。
然而在光纖激光器大行其道的環(huán)境下，超快激光也走向了光纖激光方向，皮秒/飛秒光纖激光器快速涌現(xiàn)，從外國(guó)的Amplitude到國(guó)內(nèi)的安揚(yáng)、國(guó)神等企業(yè)，超快激光的光纖化路線似乎又成為一個(gè)重要方向，足以跟固體超快激光分庭抗禮。
此外，超快激光器的另一個(gè)重要特點(diǎn)是從紅外波段升級(jí)到紫外波段。超快激光器一直都是講的紅外激光，紅外皮秒激光加工本身已經(jīng)是非常精密的，在玻璃切割打孔、陶瓷基板、晶圓切割等已經(jīng)有很完美的效果，但在技術(shù)層面是無(wú)止境的。僅在過(guò)去3年，多個(gè)廠商路線推出了皮秒紫外激光器，再次把超快激光技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)推上一個(gè)高度。紫外激光被認(rèn)為是冷光源，超短脈沖加持下的紫外光，可以把“冷加工”做到了極致，在材料上的打孔和切割幾乎無(wú)燒焦痕跡，達(dá)到完美加工。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”
超短脈沖激光的技術(shù)拓展其中一個(gè)趨勢(shì)必然是功率的提升，從早期3瓦5瓦發(fā)展到如今百瓦級(jí)，去年某外國(guó)廠商已經(jīng)展示了300瓦的商用超快激光器。在功率水平、穩(wěn)定性上我國(guó)的超快激光器產(chǎn)品與外國(guó)先進(jìn)水平相比仍然有不少差距，但國(guó)產(chǎn)激光器進(jìn)步很快，假以時(shí)日也會(huì)趕上來(lái)。
超快激光功率究竟要求多高?目前市場(chǎng)應(yīng)用的精密加工普遍采用20瓦至50瓦功率，而德國(guó)某機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動(dòng)攻關(guān)千瓦級(jí)超快激光器。皮秒和飛秒激光器已經(jīng)是超精密，至于后面阿秒激光，仍然是科研階段，用于工業(yè)加工目前還看不到有這個(gè)必要。
超快激光加工的需求波動(dòng)
過(guò)去幾年受手機(jī)玻璃、miniLED、OLED、5G、太陽(yáng)能、芯片精密加工需求等鼓動(dòng)，業(yè)界普遍看好超快激光的前景。過(guò)去3年超快激光出貨量取得了較大幅度增長(zhǎng)。
超快激光器的冷卻方案
超快激光應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)就在于其表面非接觸、精度極高，所以將其用于消費(fèi)電子部件微制造、易脆性材料、薄膜切割、精制電路、生物醫(yī)療等領(lǐng)域市場(chǎng)非常廣闊，與很多行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。但是因超快激光的高精度和穩(wěn)定性加工效果的提升，功率也提升了，對(duì)溫控效果的要求也高有所提升!功率越高，水溫越難保持，達(dá)不到制冷要求，會(huì)造成激光器的損壞，影響生產(chǎn)。
隨著超快激光器國(guó)產(chǎn)化，特域也跟隨著超快激光的步伐，研發(fā)出適合多種超快激光器的冷水機(jī)，如特域CWUP-20激光冷水機(jī)，制冷量達(dá)1700W，溫控精度達(dá)±0.1℃，高精度溫控減少水溫波動(dòng)，穩(wěn)定激光器出光率，滿足20W紫外激光器冷卻;具備恒溫和智能兩種溫控模式，機(jī)身小巧，設(shè)計(jì)緊湊;支持RS-485 Modbus通訊協(xié)議，遠(yuǎn)程監(jiān)控水溫和修改水溫參數(shù)，具有多種報(bào)警保護(hù)功能：壓縮機(jī)延時(shí)保護(hù);壓縮機(jī)過(guò)流保護(hù);水流報(bào)警;溫度超高/低報(bào)警，為超快激光加工提供良好的保障。
2022年，受新冠疫情及經(jīng)濟(jì)環(huán)境不確定性增加等因素影響，下游設(shè)備投資需求受到較大抑制，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的設(shè)備投資明顯放緩。以手表、平板、穿戴設(shè)備為代表的消費(fèi)電子需求低迷，PCB(印制電路板)、顯示面板、LED等多個(gè)行業(yè)的超快激光設(shè)備需求下滑，唯有晶圓、芯片領(lǐng)域發(fā)展有所帶動(dòng)。這一年的超快激光精密加工遇到了增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，為了競(jìng)爭(zhēng)有限的客戶，激光器和設(shè)備都被迫選擇進(jìn)一步降價(jià)，價(jià)格戰(zhàn)的陰影同樣影響到超快激光領(lǐng)域。
超快激光的出路在于提高功率開拓更多應(yīng)用場(chǎng)景，百瓦級(jí)的皮秒未來(lái)會(huì)成為標(biāo)配，高重復(fù)率的高脈沖能量激光器可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的加工能力，譬如厚度達(dá)8 mm的玻璃切割和打孔。紫外皮秒激光適合在高度敏感材料上加工，幾乎沒(méi)有熱應(yīng)力，比如切割高敏的醫(yī)療產(chǎn)品(如支架)。
激光切割8mm玻璃
超快激光加工迎來(lái)了需求小年，但是這不會(huì)改變超快激光精密加工的趨勢(shì)。我國(guó)目前擁有龐大的中低端的電子產(chǎn)品組裝制造，到航空航天、生物醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓等高端行業(yè)，都會(huì)產(chǎn)生大量零部件精密加工，激光的無(wú)接觸加工會(huì)是最佳的選擇方案。
原創(chuàng)/廣州特域機(jī)電有限公司
