隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工的未來(lái)應(yīng)用可歸納為“ 數(shù)字光子生產(chǎn)(digital photonic production)”。在電腦中設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品，借助二極管或固態(tài)激光器通過(guò)增材制造的方式或者利用高功率超快激光器燒蝕手段制造——這一愿景催生了眾多研究熱點(diǎn)。但是產(chǎn)品鏈的集成與滿(mǎn)足工業(yè)4.0 需求方面的挑戰(zhàn)亟待解決。從激光技術(shù)的角度看，主要研究集中在加工質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)測(cè)量、過(guò)程控制機(jī)理以及與自動(dòng)化的結(jié)合。選擇性激光熔化（SLM）、激光金屬沉積（LMD)、激光超快燒蝕及激光拋光等工藝獲得了大量的研究。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，提高生產(chǎn)能力是核心目標(biāo)。

在2018 慕尼黑上海光博會(huì)同期舉行的第十三屆國(guó)際激光加工技術(shù)研討會(huì)（LPC2018）上，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT) 所長(zhǎng)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)教授Reinhart Poprawe 便以“面向工業(yè)4.0 的數(shù)字光子生產(chǎn)”為題發(fā)表了演講，他主要分享了SLM 增材制造工藝以及超快激光燒蝕等技術(shù)領(lǐng)域的研究成果。本文將對(duì)此做部分摘錄和梳理。

Reinhart Poprawe教授，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所所長(zhǎng)

工業(yè)4.0 背景下的數(shù)字光子生產(chǎn)

如今，工業(yè)4.0 時(shí)代正向全球制造業(yè)疾速駛來(lái)。Reinhart Poprawe 教授指出，在以網(wǎng)絡(luò)化和物聯(lián)網(wǎng)化為特征的第四次工業(yè)革命中，激光技術(shù)同樣是不可或缺的組成部分。激光技術(shù)應(yīng)用在不同材料上可以帶來(lái)工藝水平和生產(chǎn)能力的大幅提升。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)之前對(duì)工業(yè)4.0 提出的觀點(diǎn)是通過(guò)協(xié)作機(jī)制提供四個(gè)核心（圖1）。這四個(gè)核心分別是由傳感技術(shù)和認(rèn)知系統(tǒng)等自動(dòng)化技術(shù)打造的物理系統(tǒng)（physical systems)；由商業(yè)群體和社會(huì)群體通過(guò)協(xié)作手段產(chǎn)生的社會(huì)行為(social behavior)；由高速計(jì)算和云儲(chǔ)存等技術(shù)打造的信息化硬件體系(IT-Hardware)，以及由ERP和PLM 系統(tǒng)等技術(shù)打造的信息化軟件體系(IT-Software)。其中的內(nèi)核則是通過(guò)人與人、人與機(jī)器、以及機(jī)器與機(jī)器之間的高度協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效能的彰顯和提升。

圖1：德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)對(duì)工業(yè)4.0 提出的觀點(diǎn)是通過(guò)協(xié)作機(jī)制提供四個(gè)核心。

在此背景下，相應(yīng)的“互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)”路線(xiàn)圖也被分為三個(gè)階段來(lái)實(shí)施：第一個(gè)階段是到2020 年完成啟用和激活目標(biāo)，即通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)（IoP）的基礎(chǔ)架構(gòu)在研發(fā)周期、生產(chǎn)周期和用戶(hù)開(kāi)發(fā)周期之間實(shí)現(xiàn)連通性。第二個(gè)階段是到2025 年完成連接目標(biāo)，即通過(guò)多站點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之間的跨域協(xié)作實(shí)現(xiàn)各個(gè)周期的IoP 連接，并且可實(shí)時(shí)回答定義的問(wèn)題。第三個(gè)階段是到2030 年完成融合目標(biāo)，即通過(guò)全球?qū)嶒?yàn)室的形式實(shí)現(xiàn)所有周期的全面IoP 集成，并且基于數(shù)據(jù)解答迄今仍然未知的問(wèn)題。

如今，數(shù)字光子生產(chǎn)已掀起了一場(chǎng)新的工業(yè)革命。在數(shù)字光子生產(chǎn)中，使用激光作為工具所展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特性包括：最高的功率密度；最快的加工速度；最短的脈沖；無(wú)質(zhì)量、無(wú)力量、無(wú)接觸的加工；最好的可控性（CAD 設(shè)計(jì)階段直至最終產(chǎn)品）( 圖2）。

圖2：數(shù)字光子生產(chǎn)結(jié)合增材制造等技術(shù)打造的產(chǎn)品。

而從成本角度看，數(shù)子光子生產(chǎn)與傳統(tǒng)生產(chǎn)以及一般的激光制造等方式相比，無(wú)論在批量尺寸或是產(chǎn)品復(fù)雜性等方面都展現(xiàn)出核心優(yōu)勢(shì)。因此，前者從僅提供價(jià)值的基礎(chǔ)上升級(jí)為以生產(chǎn)商、顧客、產(chǎn)品和環(huán)境等要素為依托的價(jià)值共創(chuàng)體系，從而打造出創(chuàng)新的商業(yè)模式。而后者則幫助推動(dòng)創(chuàng)新產(chǎn)品的應(yīng)運(yùn)而生。

此外，數(shù)字光子生產(chǎn)的另一個(gè)目標(biāo)是通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)輕量化構(gòu)造，從而達(dá)到減重降本的目的。

數(shù)字光子生產(chǎn)如何實(shí)現(xiàn)？——激光增材制造

當(dāng)前，增材制造在全球的持續(xù)發(fā)酵無(wú)疑是熱點(diǎn)，世界各國(guó)正投身于這一顛覆性技術(shù)的布局，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。然而，在紛繁的增材制造技術(shù)中，激光增材制造（LAM）以其獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)愈發(fā)受到關(guān)注。眾所周知，激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬材料的制造，例如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金、高溫合金等，同時(shí)LAM 技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工以及薄壁零件的加工制造。

長(zhǎng)久以來(lái)，金屬3D 打印是增材制造領(lǐng)域的重要突破之一，而適用于精密金屬3D 打印的SLM 技術(shù)無(wú)疑成為增材制造的核心賦能要素。SLM 工藝由德國(guó)Fraunhofer 研究院于1995 年首次提出，它是一種金屬粉末的快速成型技術(shù)。

SLM 工作流程可概括為——打印機(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方選擇性地對(duì)粉末進(jìn)行輻照，金屬粉末加熱到完全熔化后成型。然后，活塞使工作臺(tái)降低一個(gè)單位的高度，新的一層粉末涂敷在已成型的當(dāng)前層上，設(shè)備調(diào)入新一層截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行激光熔化，與前一層截面粘結(jié)，此過(guò)程逐層循環(huán)直至整個(gè)物體成型( 圖3）。

圖3：SLM 工藝的基本原理圖

此外，SLM 工藝的特點(diǎn)還包括：使用了系列化材料；粉末顆粒能完全融化；零件致密度可達(dá)到近乎100%；尺寸精度較高；大幅節(jié)約材料用量；熱裝置使該工藝能夠靈活加工包括鈦合金、鋁合金、鋼、CoCr 合金、鎳合金等在內(nèi)的多種材料。

SLM 工藝的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，以汽車(chē)為例，包括機(jī)箱組件、軟管支架、運(yùn)動(dòng)組件、防皺壓板、HKL 鉸鏈、減振器進(jìn)氣道、行李架支架、制動(dòng)器線(xiàn)夾、滑輪等在內(nèi)的眾多元素都可以采用這種工藝打造（圖4）。

圖4：SLM 工藝在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用示例。

另外，數(shù)年前，F(xiàn)raunhofer ILT 曾采用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)出了首例人體髖關(guān)節(jié)臼杯，并且在2008 年進(jìn)行了植入應(yīng)用。這款髖關(guān)節(jié)臼杯的性能通過(guò)人體骨骼和種植體之間的相互作用得到改善，這是傳統(tǒng)制造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

就激光選區(qū)熔化設(shè)備和過(guò)程開(kāi)發(fā)方面來(lái)看，國(guó)外對(duì)SLM 工藝開(kāi)展研究的國(guó)家主要集中在德國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)等。其中，德國(guó)是從事SLM 技術(shù)研究最早與最深入的國(guó)家。第一臺(tái)SLM 系統(tǒng)是1999 年由德國(guó)Fockele 和Schwarze（F&S）與Fraunhofer ILT 攜手研發(fā)的基于不銹鋼粉末的SLM 成型設(shè)備。目前國(guó)外主要的SLM 設(shè)備制造商包括德國(guó)EOS、SLM Solutions 和Concept Laser 等公司。在中國(guó)地區(qū)，華南理工大學(xué)于2003 年開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首套激光選區(qū)熔化快速制造設(shè)備DiMetal - 240，并相繼于2007年開(kāi)發(fā)出DiMetal - 280，2012 年開(kāi)發(fā)出DiMetal - 100，2014 年開(kāi)發(fā)出Dimetal - 400 等成型設(shè)備。

另外，Aconity3D 是來(lái)自德國(guó)亞琛的一家增材制造設(shè)備的制造商，該公司研發(fā)的SLM 工藝設(shè)備Aconity ONE 配備了一個(gè)?400mm 的大型構(gòu)建平臺(tái)，該模塊化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于金屬的增材制造。這個(gè)創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)裝置能夠快速更換材料，并且配有預(yù)熱裝置。同時(shí)，開(kāi)放式的軟件架構(gòu)可以通過(guò)開(kāi)放式接口與生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)集成，且具有分布式的實(shí)時(shí)分析功能，這些都為工業(yè)4.0準(zhǔn)備就緒。

當(dāng)前，SLM 設(shè)備領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是朝著高性能、低成本的方向不斷挺進(jìn)。例如：研發(fā)配有單個(gè)二極管激光器、龍門(mén)系統(tǒng)，以及組件成本<30 k €的SLM 系統(tǒng)。此外，SLM 工藝的可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)包括：從現(xiàn)今的小型部件生產(chǎn)發(fā)展到未來(lái)的大型部件制造（圖5）。SLM 新機(jī)器概念方面的研發(fā)則聚焦在生產(chǎn)力上。具體來(lái)說(shuō)，需要從傳統(tǒng)SLM 工藝的單光斑、激光功率恒定，以及高掃描速度等特性向多光斑陣列、激光功率可調(diào)制，以及低掃描速度的新概念持續(xù)發(fā)展。

圖5：SLM 工藝的發(fā)展趨勢(shì)是從現(xiàn)今的小型部件生產(chǎn)發(fā)展到未來(lái)的大型部件。

另外一個(gè)SLM 機(jī)器概念則是采用多光斑SLM 機(jī)器的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。該原理的主要優(yōu)點(diǎn)包括：使用了二極管激光器；輕松提升生產(chǎn)效率（更高質(zhì)量的激光光斑）；輕松升級(jí)構(gòu)建尺寸（更大的加工軸）；局部氣流保護(hù)和局部過(guò)程控制。

因此，SLM 可謂制造工藝的一次重大變革，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)加工（減材制造），SLM 作為一種材料堆積制造方式，可以制造各種復(fù)雜形狀，并可充分發(fā)揮材料的性能比，將是未來(lái)綠色制造的主要方式之一。

數(shù)字化材料精密加工——超快激光脫穎而出

現(xiàn)如今，以皮秒與飛秒激光器為代表的超快激光器具有極短的激光脈沖和極高的峰值功率的特點(diǎn)，從而在精密材料加工中彰顯出獨(dú)特的超精細(xì)、無(wú)熱影響等性能（圖6）。這種“超精細(xì)”加工也由此解決了許多傳統(tǒng)手段無(wú)法攻克的高、精、尖、硬、難等加工難題，并且具有卓越的加工質(zhì)量和加工效率。

隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的不斷深化，高端制造、智能制造、高精密制造的需求將顯著增長(zhǎng)，從而為超快激光提供新的發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)到2020 年全球超快激光器市場(chǎng)總額將超過(guò)15 億美元。

其中，超短脈沖激光器——一種用于材料精密加工的新工具已經(jīng)展現(xiàn)出眾多優(yōu)勢(shì)。首先，超短脈沖激光器可加工的材料范圍極其廣泛：寬帶隙材料（玻璃，藍(lán)寶石，金剛石）；半導(dǎo)體（硅，砷化鎵，碳化硅）；金屬（碳化鎢，鋼，銅）；聚合物；生物材料……其次，超短脈沖激光器具有高精度加工特性，可實(shí)現(xiàn)燒蝕深度小于100nm 的精確度。第三，這種激光器具有免工具、無(wú)磨損以及資源優(yōu)化的特性，并且在數(shù)字光子生產(chǎn)中幾乎無(wú)需前置時(shí)間。

圖6：使用一款超快激光器切割薄型玻璃。

例如，可使用紫外（UV）飛秒激光燒蝕工藝來(lái)生產(chǎn)個(gè)性化的人工晶狀體（IOL)。燒蝕層厚度介于0.5-5μm 之間，表面粗糙度Ra 值<1μm，最終打造的產(chǎn)品無(wú)變暗和碳化現(xiàn)象。另外，采用CO2 激光輻照的激光拋光工藝是通過(guò)激光和材料的相互作用來(lái)熔化稀薄的邊界層，以及通過(guò)表面張力實(shí)現(xiàn)表面平整，材料損失可忽略不計(jì)。

最后，可通過(guò)激光輻照實(shí)現(xiàn)大面積成型。以激光加工飛機(jī)機(jī)翼上的微孔為例，孔徑小于200μm，采用可變孔模式，成型孔是用于改善氣體流動(dòng)。此外，鉆孔速率大于10,000 孔/ 秒，可選用包括單脈沖激光鉆孔、飛秒激光螺旋鉆孔和激光沖擊鉆孔在內(nèi)不同的超快激光鉆孔技術(shù)。

總結(jié)和展望

毋庸置疑，數(shù)字光子生產(chǎn)時(shí)代的腳步已經(jīng)越來(lái)越近，激光增材制造（以SLM 和LMD 工藝為代表）、超快激光加工等先進(jìn)制造技術(shù)層出不窮，為工業(yè)制造的升級(jí)轉(zhuǎn)型不斷注入新活力。這些技術(shù)同樣也是數(shù)字光子生產(chǎn)對(duì)工業(yè)4.0 產(chǎn)生的直接影響。據(jù)悉，在未來(lái)5 ～ 10年內(nèi)，通過(guò)將增材制造和超快激光技術(shù)與數(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)鏈緊密集成，能夠?qū)⑸a(chǎn)力提高30倍。

事實(shí)上，在激光技術(shù)領(lǐng)域，近年來(lái)已投入大量精力來(lái)優(yōu)化和改善制造流程以及相應(yīng)的激光光源。而如今，一個(gè)新的研發(fā)方向便是：如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字解決方案與激光制造的無(wú)縫整合，以系統(tǒng)地提高生產(chǎn)力、過(guò)程可靠性、自動(dòng)性和質(zhì)量，繼而創(chuàng)造顯著的附加值？

鑒于此，當(dāng)前大量研究正聚焦集成自動(dòng)化工藝生產(chǎn)鏈。未來(lái)的目標(biāo)是：每一種資源，無(wú)論是制造的機(jī)器、產(chǎn)品，抑或是生產(chǎn)工藝流程，都應(yīng)當(dāng)擁有一個(gè)數(shù)字化雙胞胎（digital twin）——數(shù)字圖像，不僅可以進(jìn)行仿真和建模，還可以隨時(shí)精準(zhǔn)捕捉整個(gè)工藝流程的狀態(tài)，最終達(dá)到高效的柔性和智能生產(chǎn)。