激光紋理加工

BACKGROUND

隨著航空航天、光電子、半導(dǎo)體制造業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式已越來(lái)越難以滿足高端工業(yè)需求，于是，人們開(kāi)始探索更先進(jìn)的加工方法。激光作為一種具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性強(qiáng)等特點(diǎn)的光源，在20世紀(jì)中后期便開(kāi)始應(yīng)用于加工領(lǐng)域，如今，超快激光器技術(shù)不斷突破，激光加工工藝也朝著更高精度、更快速度、更佳質(zhì)量、更多元應(yīng)用方面發(fā)展。激光紋理加工就是其中一個(gè)新型應(yīng)用。

激光加工主要是利用激光束投射到基材表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，加工工業(yè)包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。激光幾乎能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無(wú)可替代的作用。

激光紋理加工時(shí)，激光會(huì)使表層或基材內(nèi)部形成均勻分布的幾何形狀，從而有針對(duì)性地改變材料的特性，形成新的功能。例如使用激光進(jìn)行表面粗糙化處理或引入光滑紋理以實(shí)現(xiàn)材料需求的滑動(dòng)性能。這類紋理單個(gè)元素通常只有幾微米大小。短激光脈沖以很高的脈沖功率產(chǎn)生高能量密度，從而使大部分材料直接蒸發(fā)（升華）。與此同時(shí)，每一次激光脈沖只生成一道精細(xì)加工紋，基本避免了像傳統(tǒng)加工方式會(huì)產(chǎn)生的金屬熔融物或者碎屑。

通過(guò)激光紋理加工，在激光輻射（主要是脈沖）的作用下，可以在表面上可重復(fù)地產(chǎn)生均勻分布的幾何形狀。激光束將可控地熔化材料，然后通過(guò)合適的過(guò)程控制系統(tǒng)將其固化為預(yù)定義的紋理。

激光紋理加工原理圖

激光紋理加工可以使材料產(chǎn)生某些特性，比如會(huì)影響例如摩擦特性、導(dǎo)電性或?qū)嵝缘?。此外，激光紋理加工還可以應(yīng)用于增強(qiáng)工件的粘合度和耐用性。

——04合成材料

01

熱交換系統(tǒng)中的部件連接

激光在金屬接合材料中產(chǎn)生帶底切的微紋理，使合成材料與金屬表面牢固結(jié)合。這種連接出現(xiàn)在冷卻和加熱系統(tǒng)中，例如在電池組的電池系統(tǒng)冷卻中。為電池系統(tǒng)冷卻確保良好的運(yùn)行條件。

02

為膠合做準(zhǔn)備

膠合技術(shù)要求部件表面干凈且略微紋理化。在粘合前的步驟中，使用激光器對(duì)局部接合處進(jìn)行紋理化和清潔。紋理化使粘合材料具備更好的濕潤(rùn)性。由此提高了粘合連接的粘附力與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種激光工藝可輕松集成至自動(dòng)化生產(chǎn)線上。

03

連桿的激光紋理化

通過(guò)激光紋理化可精準(zhǔn)改良功能面的摩擦特性。該工藝可用于生產(chǎn)汽車部件。

04

金屬與合成材料的連接

激光在金屬接合材料中產(chǎn)生帶底切的微紋理，使合成材料與金屬表面牢固結(jié)合。此工藝用于例如制造汽車部件或白色家電。金屬與合成材料的復(fù)合材料在輕型結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)樗鼈兗饘俑邚?qiáng)度、高剛性的特點(diǎn)與塑料輕重量、設(shè)計(jì)自由度大的特點(diǎn)于一身。

激光紋理加工應(yīng)用如此廣泛，那么如何對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證加工質(zhì)量呢？

LAMpAS

紋理加工監(jiān)控

CASE

在歐盟資助的LAMpAS項(xiàng)目中，虹科合作伙伴New Infrared Technologies（NIT）公司開(kāi)發(fā)了一種高速非制冷中紅外攝像機(jī)，滿足了LAMPAS項(xiàng)目的激光加工工藝的要求。相機(jī)將能夠在線檢測(cè)激光表面紋理加工過(guò)程中積聚的熱量。該相機(jī)成為L(zhǎng)AMpAS在線監(jiān)控系統(tǒng)中集成的重要技術(shù)之一。

LAMpAS項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)旨在生產(chǎn)特征尺寸小于1μm的具有明確定義的周期性表面圖案，可以為例如烤箱，冰箱和其他家用電器的防指紋表面，裝飾圖案表面和易于清潔的飾面等應(yīng)用提供量身定制的表面功能。

LAMpAS項(xiàng)目使命

通過(guò)對(duì)材料表面紋理形狀特征的控制可以為產(chǎn)品增添特殊功能，如抗菌、自清潔性能、減少摩擦、光學(xué)安全功能和裝飾效果等。

上述這些功能與在微米和納米級(jí)特征尺寸的多尺度表面形狀加工密切相關(guān)。

有必要以低成本對(duì)這樣的特征表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

因此，為了滿足對(duì)于具有新穎表面性能且成本合理的產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求，就要通過(guò)開(kāi)發(fā)高功率超短激光源，并結(jié)合先進(jìn)光學(xué)概念，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的快速材料加工的同時(shí)產(chǎn)生的熱影響最小。

LAMpAS紅外相機(jī)使用了虹科-NIT的Tachyon 16K相機(jī)的升級(jí)版本，這款相機(jī)采用非常獨(dú)特的傳感器技術(shù)，允許在非制冷情況下中處理在MWIR光譜范圍（1-5微米）內(nèi)具有出色靈敏度的焦平面陣列。為L(zhǎng)AMpAS開(kāi)發(fā)的相機(jī)升級(jí)版本允許在快照配置中每秒捕獲超過(guò)4000張全分辨率（128x128）圖像。實(shí)現(xiàn)了靈活的RoI（感興趣區(qū)域）選擇，光學(xué)和窗口的新AR涂層以及集成的NUC（非均勻性校正）等新功能。

激光紋理加工過(guò)程是極其動(dòng)態(tài)的過(guò)程，結(jié)合了非常高的掃描速度和高頻超短激光脈沖。在紋理加工過(guò)程中對(duì)經(jīng)過(guò)處理的表面上積聚的熱量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可提供過(guò)程本身的有用信息。德累斯頓工業(yè)大學(xué)和NIT的研究人員在LAMpAS項(xiàng)目中進(jìn)行的研究表明，累積的熱量與紋理質(zhì)量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。作為L(zhǎng)AMpAS監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，高速紅外熱成像系統(tǒng)將實(shí)時(shí)提供有關(guān)激光紋理加工過(guò)程穩(wěn)定性和一系列具有新功能的表面質(zhì)量信息，例如烤箱，冰箱和其他家用電器的易于清潔的飾面紋理。

紋理監(jiān)控技術(shù)

TECHNOLOGY

值得注意的是，LAMpAS項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合高速紅外成像和實(shí)時(shí)FFT（快速傅里葉變換）兩種技術(shù)，用于激光表面紋理加工過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)。這種創(chuàng)新旨在直接使用激光干涉圖案方法及早發(fā)現(xiàn)微觀精細(xì)加工過(guò)程中的不穩(wěn)定性和加工瑕疵。

這種創(chuàng)新的重要性：目前使用直接激光干涉圖案方法應(yīng)用于微觀結(jié)構(gòu)加工主要困難是難以檢測(cè)獲得的表面形貌的偏差。然而，有了LAMpAS的原型在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合虹科高速中紅外相機(jī)，解決方案便躍然紙上。它的工作原理是使用傅里葉分析的數(shù)學(xué)方法檢測(cè)處理從激光處理區(qū)域反射的光。然后通過(guò)算法分析記錄的圖像，該算法能夠揭示反射圖案的形狀和亮度的變化。因此，可以方便地檢測(cè)到制造過(guò)程中加工地表面形貌的細(xì)微偏差，并且可以向用戶提供制造過(guò)程中的關(guān)鍵信息。

虹科Tachyon16K系列相機(jī)在LAMpAS項(xiàng)目的激光加工監(jiān)控系統(tǒng)中扮演了重要角色，每秒捕獲高達(dá)4000張圖像的能力使其與快速數(shù)字圖像處理的結(jié)合成為可能，此外，Tachyon16K可在室溫環(huán)境使用，無(wú)需制冷，省去了大量維護(hù)成本。并且相機(jī)設(shè)計(jì)緊湊，擁有堅(jiān)硬的合金外殼，配備高速工業(yè)通訊接口GigE VISION 2.0，可方便地集成到各種設(shè)備中。除了高性能的硬件，虹科也為Tachyon16K系列相機(jī)提供方便的軟件管理系統(tǒng)以及可用于定制軟件編程的SDK，方便用戶二次開(kāi)發(fā)。

虹科Tachyon16K還可應(yīng)用于：機(jī)器視覺(jué)、 增材制造、工業(yè)過(guò)程控制, 氣體監(jiān)測(cè)，光譜學(xué)，玻璃制造質(zhì)檢等。

虹科Tachyon16K

PRODUCT

非制冷高速中紅外相機(jī)，集成自研發(fā)VPD-PbSe紅外傳感器，128×128像素陣列，無(wú)需制冷維護(hù)，降低成本，plus版本幀率可達(dá)4000fps，中紅外工業(yè)應(yīng)用不二之選

如果您對(duì)虹科中紅外相機(jī)以及激光加工質(zhì)量監(jiān)控解決方案感興趣，想要了解更多相關(guān)信息，歡迎來(lái)電或留言咨詢，我們將竭誠(chéng)為您服務(wù)！