現(xiàn)代光制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢

摘要：綜合評述了作為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一——光制造技術(shù)的特征以及在現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的地位和展現(xiàn)的突出優(yōu)勢。從原理上說，激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替比的作用。通過對國外研究動向的分析，光制造技術(shù)的發(fā)展趨勢將重點定位在微結(jié)構(gòu)、微刻蝕、微工具以及多功能性微技術(shù)、微工程的研究與開發(fā)上。并可預(yù)測，三維微納尺度的激光微制造技術(shù)必將在新世紀(jì)的高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)中牽領(lǐng)風(fēng)云，成為具有世紀(jì)標(biāo)志的主流制造技術(shù)。

0 前言

目前對光制造還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。一般來講 利用激光或各種途徑產(chǎn)生的受激輻射作為能源(光源或熱源)，通過激光與物質(zhì)的相互作用，按一定要求進(jìn)行的加工或成形，統(tǒng)稱為光制造。因此，這里“光”主要指激光。自1960年第一臺激光器問世以來，激光及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。尤其是近20年來，光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。

光制造技術(shù)具有許多傳統(tǒng)制造技術(shù)望所不及的優(yōu)勢，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)。例如：材料浪費少;在大規(guī)模生產(chǎn)中制造成本低;根據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行編程控制(自動化)，在大規(guī)模制造中生產(chǎn)效率高;可接近或達(dá)到“冷”加工狀態(tài)，實現(xiàn)常規(guī)技術(shù)不能執(zhí)行的高精密制造;對加工對象的適應(yīng)性強(qiáng)，且不受電磁干擾，對制造工具和生產(chǎn)環(huán)境的要求大大降低;噪聲低。不產(chǎn)生任何有害的射線與殘剩，生產(chǎn)過程對環(huán)境的污染小等等。為適 應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能光源勢在必行。超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質(zhì)量等特征的激光正在積極研制當(dāng)中，尤其是能適應(yīng)微制造技術(shù)要求的激光光源更是倍受關(guān)注，并已形成國際性競爭。可以預(yù)言，光制造技術(shù)必將以其無可替代的優(yōu)勢成為21世紀(jì)迅速普及的高新技術(shù)。

1 現(xiàn)代光制造技術(shù)

激光具有“四高”特點，即：高相干性、高單色性、高方向性、高亮度。這是它在制造業(yè)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，其較早期的應(yīng)用實際上已廣為人知。比如已經(jīng)成熟的技術(shù)有：對常規(guī)材料進(jìn)行一般要求的焊接、熔敷、切割、鉆孔;材料的表面改性和表面合金化;激光退火與離子注入;激光鍍膜及光刻等。除這些直接的光制造技術(shù)外，激光作為熱源或光源(能量)已成為制造行業(yè)的“常規(guī)武器”。隨著激光工作物質(zhì)的研究與開發(fā)、器件與單元技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新。以高性能、寬波段、大功率為特征的激光取得了蓬勃的發(fā)展。例如，紫外光輸出的KrF ArF準(zhǔn)分子激光器、近紅外光輸出的CO2激光器以及大功率可見光輸出的Nd：YAG激光器等，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、信息、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)光制造創(chuàng)造了條件。尤其是光纖激光的出現(xiàn)， 使光制造的移動式定位加工變得極為便利。光制造技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，其突出的優(yōu)勢主要在對一些特種材料、特殊場合、特別要求的加工制造。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 特種材料特殊要求的焊接

激光焊接與大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接方法相比具有突出的優(yōu)點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速，能使-些難熔金屬表面的應(yīng)力閾值破壞(高反射率金屬表面)，或使高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點金屬快速熔化，達(dá)到某些特種金屬或合金材料的焊接。另一方面，在激光焊接過程中無機(jī)械接觸，容易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形，還排除了無關(guān)物質(zhì)落入焊接部位的可能;采用大焦深的激光系統(tǒng);還可實現(xiàn)特殊場合下的焊接，如由軟件控制進(jìn)行需隔離的遠(yuǎn)距離在線焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等;通過不發(fā)生材料表面蒸發(fā)的情況下熔化最大數(shù)量的物質(zhì)，可達(dá)到高質(zhì)量的焊接。以上特點是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前歐美一些國家， 對高檔汽車車殼與底座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器機(jī)身等- -些特種材料和微小接觸點的焊接,激光的應(yīng)用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接。

(2) 特殊精度的加工制造

這里指的高精度除通常意義下的精確定位外，主要還體現(xiàn)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)量級.上的控制。激光可采取連續(xù)和脈沖方式輸出。激光的脈沖式輻射為高精度的加工制造提供了類無倫比的優(yōu)勢。以固體的鉆孔與切割為例，激光能量高度集中以及加熱、冷卻速度快的特點可實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)難以達(dá)到的要求，加工屬熱化學(xué)過程。更為突出的是，通過脈沖式激光輻射可達(dá)到接近“冷”加工的光化學(xué)動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程和熱化學(xué)反應(yīng)來不及發(fā)生。另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數(shù)，按要求達(dá)到確定的去除深度，從而實現(xiàn)高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。

(3) 微細(xì)加工制造

激光微細(xì)加工技術(shù)最成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的微電子學(xué)領(lǐng)域。作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)?；a(chǎn)中。除此之外，能顯示其突出優(yōu)勢的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫;利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制(精密光刻);通過CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案(或文字)和控制，實現(xiàn)高保真打標(biāo);利用光阱的“束縛力”，對生物細(xì)胞執(zhí)行移動操作(生物光鑷) ， 以及高密度信息的激光記錄和微細(xì)機(jī)械零部件的光制造。無論是數(shù)字記錄或是掃描記錄還是圖象與文字的模擬記錄,激光記錄方法(光刻)都具有特別的優(yōu)勢并取得了重要突破。在微細(xì)機(jī)械零部件的光制造方面，最近幾年在國外已顯示出攻關(guān)趨勢，成為未來高新技術(shù)前期研究的熱點。日本采用激光技術(shù)制造出微米量級的三維“納米?！保@表明日本在微納量級的三維激光微成型機(jī)制上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)分子激光通過掩模方法，已經(jīng)加工出直徑分別為10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。

(4) 編程控制進(jìn)行高效的自動流程加工制造

由于激光輸 出的可控制性，使光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實行加工臺的定位控制，亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機(jī)器手定位控制，實現(xiàn)高效的自動化、智能化光制造。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構(gòu)架的焊接、齒輪盤及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產(chǎn)線(見圖1)。使原來的每天加工1440輛增加到現(xiàn)在的每秒加工1輛的生產(chǎn)速度。歐美國家已開始將光制造技術(shù)引入飛機(jī)制造的生產(chǎn)線。由于激光的高方向性和不受電磁干擾的特點，制造精度主要取決于控制系統(tǒng)的精度。因此，進(jìn)一步提高光制造的精度還有很大的潛力。

圖1.激光加工汽車組裝生產(chǎn)線示意圖

光制造技術(shù)要在不同產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用，很大程度上依賴于加工系統(tǒng)的性能與工藝。為使光制造技術(shù)的諸多突出優(yōu)勢體現(xiàn)于各種技術(shù)產(chǎn)業(yè)之中，歐、美、日一些國家在新光源、加工系統(tǒng)及工藝等方面的研究與開發(fā)就從未降溫過?？梢灶A(yù)料，在不遠(yuǎn)的將來，光制造技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中將牽領(lǐng)風(fēng)云，創(chuàng)造出前所未有的效率與價值。

2 激光微制造將成為新世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Richard Feynman早在20世紀(jì)50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出-代代的批量加工工具。21世紀(jì)將是多學(xué)科的集成，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械、以及傳感器、執(zhí)行器的信號處理單元集成在-起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。目前，被廣泛看好的兩大領(lǐng)域即是信息與生命科學(xué)。①21世紀(jì)是信息量高度膨脹的時代，下一 代信息記錄追求的是高集成度、高存儲量，所要達(dá)到的刻蝕線寬/深將是0.13μm/0.08μm,這對微刻技術(shù)是個挑戰(zhàn)。②能夠通過注射進(jìn)入人體內(nèi)臟和血管的醫(yī)療微納系統(tǒng)，在體外傳感的操縱下，執(zhí)行現(xiàn)狀偵探“破案”以及全面“大掃除”。可以想象，微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將是21世紀(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認(rèn)識和改造自然的能力上達(dá)到一個新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。

已經(jīng)成熟的微電子集成電路(1C) 工藝雖能進(jìn)行大規(guī)模的加工制造，但它僅適合于硅材料、局限于平面結(jié)構(gòu)和運動的加工。超短波長、超短脈沖激光通過接近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)以單光子能量為基本單位的三維微納尺寸加工。目前的研究進(jìn)展已經(jīng)顯示，激光微技術(shù)被公認(rèn)為是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺 了為期五年的光學(xué)資助計劃，其中重要的一項內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一-定比例遞增。未來具有世紀(jì)標(biāo)志的高新技術(shù)應(yīng)重點體現(xiàn)在：生物細(xì)胞組織的裁剪、分離與嫁接;納米級公差范圍內(nèi)的微米級精密加工制造等兩個方面。前者主要在于研究高時空分解度、高靈敏度、高選擇性、高處理速度、以及高時空的控制;對后者來說，技術(shù)的關(guān)鍵在于獲得亞納米(1~100nm)精度公差的橫向結(jié)構(gòu)和超精密成型表面的制造。因此,德國采取分解式的單元技術(shù)研究。在光的微制造與微納技術(shù)的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng).上，達(dá)到150~0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過衍射極限、分辨率小于100 nm的高重復(fù)性近場透鏡。

微納光制造及其相關(guān)技術(shù)，是當(dāng)前國際競爭的主要領(lǐng)域，微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志之一，激光微技術(shù)將在這個領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。我國在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，我們一定要抓住機(jī)遇，迎接新世紀(jì)光制造時代的到來。

審核編輯：湯梓紅