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)的機械加工方式已越來越難以滿足高端工業(yè)需求，于是，人們開始探索更先進(jìn)的加工方法。激光作為一種具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性強等特點的光源，在20世紀(jì)中后期便開始應(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)來完成加工過程，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、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。

激光紋理加工時，激光會使表層或基材內(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現(xiàn)材料需求的滑動性能。這類紋理單個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，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)加工方式會產(chǎn)生的金屬熔融物或者碎屑。

通過激光紋理加工，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，然后通過合適的過程控制系統(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)用于增強工件的粘合度和耐用性。

紋理加工應(yīng)用

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性。由此提高了粘合連接的粘附力與長期穩(wěn)定性。這種激光工藝可輕松集成至自動化生產(chǎn)線上。

03

連桿的激光紋理化

通過激光紋理化可精準(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)揮著越來越重要的作用，因為它們集金屬高強度、高剛性的特點與塑料輕重量、設(shè)計自由度大的特點于一身。

激光紋理加工應(yīng)用如此廣泛，那么如何對加工過程進(jìn)行實時動態(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項目中，虹科合作伙伴New Infrared Technologies（NIT）公司開發(fā)了一種高速非制冷中紅外攝像機，滿足了LAMPAS項目的激光加工工藝的要求。相機將能夠在線檢測激光表面紋理加工過程中積聚的熱量。該相機成為LAMpAS在線監(jiān)控系統(tǒng)中集成的重要技術(shù)之一。

LAMpAS項目團(tuán)隊旨在生產(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項目使命

通過對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，為了滿足對于具有新穎表面性能且成本合理的產(chǎn)品日益增長的需求，就要通過開發(fā)高功率超短激光源，并結(jié)合先進(jìn)光學(xué)概念，以實現(xiàn)對工件的快速材料加工的同時產(chǎn)生的熱影響最小。

LAMpAS紅外相機使用了虹科-NIT的Tachyon 16K相機的升級版本，這款相機采用非常獨特的傳感器技術(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LAMpAS開發(fā)的相機升級版本允許在快照配置中每秒捕獲超過4000張全分辨率（128x128）圖像。實現(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。

激光紋理加工過程是極其動態(tài)的過程，結(jié)合了非常高的掃描速度和高頻超短激光脈沖。在紋理加工過程中對經(jīng)過處理的表面上積聚的熱量進(jìn)行在線監(jiān)測，可提供過程本身的有用信息。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)量之間存在很強的相關(guān)性。作為LAMpAS監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，高速紅外熱成像系統(tǒng)將實時提供有關(guān)激光紋理加工過程穩(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項目的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合高速紅外成像和實時FFT（快速傅里葉變換）兩種技術(shù)，用于激光表面紋理加工過程的在線監(jiān)測。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獲得的表面形貌的偏差。然而，有了LAMpAS的原型在線監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合虹科高速中紅外相機，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)方法檢測處理從激光處理區(qū)域反射的光。然后通過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，可以方便地檢測到制造過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程中的關(guān)鍵信息。

虹科Tachyon16K系列相機在LAMpAS項目的激光加工監(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，無需制冷，省去了大量維護(hù)成本。并且相機設(shè)計緊湊，擁有堅硬的合金外殼，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，方便用戶二次開發(fā)。

虹科Tachyon16K還可應(yīng)用于：機器視覺、 增材制造、工業(yè)過程控制, 氣體監(jiān)測，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，集成自研發(fā)VPD-PbSe紅外傳感器，128×128像素陣列，無需制冷維護(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

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