О революционных перспективах лазера, как универсального инструмента в обработке материалов.

Один из наиболее интересных, но сложных аспектов, провозглашённых применительно к четвертой промышленной революции, массовой персонализации - была заявлена необходимость гибкого производства. Спрос на универсальный и гибкий инструмент - это огромный шанс для лазера.

На протяжении десятилетий лазер был известен, как очень гибкий инструмент для обработки материалов, который может использоваться для широкого ряда производственных применений, которые, на самом деле, охватывают полный спектр производственных процессов, определенных в немецкой промышленности стандартом DIN 8580. DIN 8580 – это группа процессов литья, формирования, отделения и присоединения, покрытий и изменения свойств материалов (см.рис.).

В своем учебнике 1992 г., Helmut Hügel уже давно выразил это так: «важность лазера для промышленного производства, прежде всего, заключается в его чрезвычайной гибкости в отношении различных процессов обработки — резки, абляции, сверления, сварки, упрочнения, легирования, наплавки — в отношении многочисленных материалов и различной конфигурации заготовок».

Вот почему мы привыкли воспринимать лазер как универсальный инструмент производства. Но до сих пор, мы всегда использовали разные лазеры для различных применений. Основной причиной этого являются специфические физические требования различных процессов, особенно в связи с тем, что средняя мощность лазера, интенсивность, длительность и пиковая мощность импульса, длина волны - совершенно разные.

Вторая причина заключается в том, что до сих пор, лазеры (например, USP) со сверхкороткими пикосекундными или фемтосекундными импульсами значительно отличались от традиционных импульсных или непрерывном (CW) лазеров. В то же время, средняя мощность этих различных лазеров была низкой и отличалась на несколько порядков друг от друга, и, как следствие, микрообработка с USP лазерами была менее эффективна, чем макрообработка с мощными непрерывными лазерами (CW).

Но эта ситуация может измениться. Возможности лазерных систем USP могут быть расширены. Средняя выходная мощность USP лазеров уже повышена до мультикиловаттного уровня и использование этого типа лазеров в настоящее время расширяется за пределы классической микрообработки лабораторий и завоевывает крупномасштабные производственные применения. Поэтому мы скоро увидим ultrafast применение USP лазеров с прецизионной точностью обработки материалов в крупномасштабном автомобильном (и другом) производстве, которое очень похоже на традиционные применения макрообработки. Например, резки и сварки.

Но могут ли быть реализованы разные процессы лазерной обработки не несколькими, а одним лазером?

Этот вопрос не является новым. В своем выступлении на ХХI лазерном международном конгрессе, состоявшемся в Мюнхене ещё в 1993 году, профессор Andreas Gebhardt и его коллеги обсуждали возможность и перспективы применения одного и того же лазера для различных применений, что особенно важно для малых и средних предприятий. Но эта идея по сей день остаётся нереализованной.

Глядя на модульную архитектуру современных мощных лазеров USP, легко приходишь к выводу, что должна быть возможность переключаться на различные режимы, подходящие для всех процессов обработки материалов. И сверхкороткие импульсные лазеры могут обеспечить эту задачу. Многопроходные thindisk усилители мощности одинаково хорошо работают на сверхкоротких и длинных импульсах, и при непрерывном излучении.

Таким образом, не существует никаких технических причин, которые бы не позволили нам использовать одну единую лазерную систему, которая будет переключаться на CW, импульсные или USP режимы (mode-locked, Q-switched, and CW). В первой попытке, можно выбрать два режима, чтобы было проще реализовать проект, например, сверхбыстрый и CW режимы — в одной и той же системе. Эта идея не является революционной, поскольку диодные лазеры уже могут переключаться между различными режимами.

Такой подход может использоваться для реализации универсальной лазерной системы, которая может переключаться между различными режимами и поэтому может применяться для обработки всех материалов, выполнения всех производственных заданий/Заказов.

Современные лазеры позволяют выполнять преобразование частот, а нелинейные оптические эффекты все более привлекательны и эффективны. Есть возможность переключаться не только между различными длинами импульсов и CW режимом, но и между разными длинами волн.

Это, наконец, осуществит надежду на то, что один и тот же лазер превращается в универсальный обрабатывающий инструмент, который будет применяться для обработки большинства известных материалов и выполнения всех заявок от Заказчиков, а XXI век действительно, как ожидают, будет веком фотона. Конечно, есть еще несколько проблем. Некоторые, например, по-прежнему связаны с оптикой, передачей в волокне сверхкоротких мощных импульсов. Другие проблемы касаются инженерных систем.

Благодаря огромному прогрессу, как лазерных источников, так и фундаментального понимания физики лазерной обработки материалов, мы сегодня в значительной степени знаем, как и с какой стратегией, какими параметрами идеальный процесс должен выполняться.

См. рисунок - Лазер может использоваться для всего спектра процессов обработки материалов, которые определены в немецкой промышленности стандартом DIN 8580.

Авторы статьи - THOMAS GRAF, MARWAN ABDOU AHMED, PETER BERGER, VOLKHER ONUSEIT, и RUDOLF WEBER - все сотрудники: Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) at the University of Stuttgart, Germany.

Подробнее см.: www.ifsw.uni-stuttgart.de.

Источник: THE LASER: One universal tool for manufacturing / THOMAS GRAF, MARWAN ABDOU AHMED, PETER BERGER, VOLKHER ONUSEIT, and RUDOLF WEBER // Industrial Laser Solutions, 2019, JANUARY / FEBRUARY, p.13-15; www.industrial-lasers.com