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特域浅析:超快精密加工发展的最终路线是什么?

发布时间:2022-09-02 16:22:59

超快激光器

近年来,激光制造的一个重要部分精密加工得到较多的关注,业界普遍看好其发展空间。实现精密加工的激光器也从早期的固体纳秒绿光/紫外激光器发展到皮秒和飞秒激光器,特别是超快激光器国产化以后,精密加工基本上是以超快激光为主流了。超快精密加工技术快速突破,发展的最终趋势是如何呢?

超快激光器国产化加快

超快激光器在外国较早出现研究成果是在2003年左右,至今已约20年,分为不同的技术路线。直到2010年后商用超快激光器才逐渐成型,并得以应用。当时价格较为昂贵,功率低,适用范围小,工业应用条件不成熟。

彼时我国的超快激光完全空白,到2013年后有归国人才回国创业才开始有这方面的产业化尝试。这方面的缺失也让我国付出了高昂的使用代价,国内精密设备商往往花费一百多二百多万进口一台超快激光器,最终精密激光加工设备的价格高达三四百万元。

我国超快激光器到2017年后技术快速突破,科研和生产企业达二三十家,国产化进程大大提高了,超快激光器的国产化推动了激光器价格的大幅下滑,同时也实现了超短脉冲激光技术的自主化。与此同时,我国的超快激光加工设备应用快速拓展,在手机、电子产品、陶瓷、玻璃、太阳能、芯片等行业逐渐渗透,超快激光精密加工市场备受行业看好。超快激光引起了资本市场的关注,少部分新兴的超快激光器企业得到数千万甚至上亿元的融资。

切割机冷水机

陶瓷激光切割

超快激光器的技术路线

超快激光器最早的技术都是走固态激光技术路线,固体激光具有出光功率高、稳定性高、控制好的特点,基本上是纳秒/亚纳秒固体激光器的升级延续,所以在精密加工方面,皮秒飞秒固体激光取代纳秒固体激光是顺理成章的。

然而在光纤激光器大行其道的环境下,超快激光也走向了光纤激光方向,皮秒/飞秒光纤激光器快速涌现,从外国的Amplitude到国内的安扬、国神等企业,超快激光的光纤化路线似乎又成为一个重要方向,足以跟固体超快激光分庭抗礼。

此外,超快激光器的另一个重要特点是从红外波段升级到紫外波段。超快激光器一直都是讲的红外激光,红外皮秒激光加工本身已经是非常精密的,在玻璃切割打孔、陶瓷基板、晶圆切割等已经有很完美的效果,但在技术层面是无止境的。仅在过去3年,多个厂商路线推出了皮秒紫外激光器,再次把超快激光技术竞争推上一个高度。紫外激光被认为是冷光源,超短脉冲加持下的紫外光,可以把“冷加工”做到了极致,在材料上的打孔和切割几乎无烧焦痕迹,达到完美加工。

航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”

航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”

超短脉冲激光的技术拓展其中一个趋势必然是功率的提升,从早期3瓦5瓦发展到如今百瓦级,去年某外国厂商已经展示了300瓦的商用超快激光器。在功率水平、稳定性上我国的超快激光器产品与外国先进水平相比仍然有不少差距,但国产激光器进步很快,假以时日也会赶上来。

超快激光功率究竟要求多高?目前市场应用的精密加工普遍采用20瓦至50瓦功率,而德国某机构已经启动攻关千瓦级超快激光器。皮秒和飞秒激光器已经是超精密,至于后面阿秒激光,仍然是科研阶段,用于工业加工目前还看不到有这个必要。

超快激光加工的需求波动

过去几年受手机玻璃、miniLED、OLED、5G、太阳能、芯片精密加工需求等鼓动,业界普遍看好超快激光的前景。过去3年超快激光出货量取得了较大幅度增长。

超快激光器的冷却方案

超快激光应用的优势就在于其表面非接触、精度极高,所以将其用于消费电子部件微制造、易脆性材料、薄膜切割、精制电路、生物医疗等领域市场非常广阔,与很多行业的发展息息相关。但是因超快激光的高精度和稳定性加工效果的提升,功率也提升了,对温控效果的要求也高有所提升!功率越高,水温越难保持,达不到制冷要求,会造成激光器的损坏,影响生产。

随着超快激光器国产化,特域也跟随着超快激光的步伐,研发出适合多种超快激光器的冷水机,如特域CWUP-20激光冷水机,制冷量达1700W,温控精度达±0.1℃,高精度温控减少水温波动,稳定激光器出光率,满足20W紫外激光器冷却;具备恒温和智能两种温控模式,机身小巧,设计紧凑;支持RS-485 Modbus通讯协议,远程监控水温和修改水温参数,具有多种报警保护功能:压缩机延时保护;压缩机过流保护;水流报警;温度超高/低报警,为超快激光加工提供良好的保障。

超快激光冷水机

2022年,受新冠疫情及经济环境不确定性增加等因素影响,下游设备投资需求受到较大抑制,国内相关企业的设备投资明显放缓。以手表、平板、穿戴设备为代表的消费电子需求低迷,PCB(印制电路板)、显示面板、LED等多个行业的超快激光设备需求下滑,唯有晶圆、芯片领域发展有所带动。这一年的超快激光精密加工遇到了增长的挑战,为了竞争有限的客户,激光器和设备都被迫选择进一步降价,价格战的阴影同样影响到超快激光领域。

超快激光的出路在于提高功率开拓更多应用场景,百瓦级的皮秒未来会成为标配,高重复率的高脉冲能量激光器可以实现更强大的加工能力,譬如厚度达8 mm的玻璃切割和打孔。紫外皮秒激光适合在高度敏感材料上加工,几乎没有热应力,比如切割高敏的医疗产品(如支架)。

激光切割机冷水机

激光切割8mm玻璃

超快激光加工迎来了需求小年,但是这不会改变超快激光精密加工的趋势。我国目前拥有庞大的中低端的电子产品组装制造,到航空航天、生物医疗、半导体晶圆等高端行业,都会产生大量零部件精密加工,激光的无接触加工会是最佳的选择方案。

原创/广州特域机电有限公司

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