《激光技术正在入侵这些行业,你还有多少不了解?》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2017-12-28
  • 由于生产技术不成熟,激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割,光束武器等应用,但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等因素被束之高阁。

    近百年来各领域工程师和专家一直努力改进创新技术及应用,激光切割、焊接、打标等技术已经广泛地应用于工业生产和社会生活的方方面面,并代替了许多传统制造工艺。

    手机(3C)制造

    手机(3C)消费电子产品正朝着高集成化、高精密化方向升级,其产品内构件越来越小巧,电子集成度越来越高。所以,屏幕、线路板、后盖、内结构件(外观、形变、拉拔力)对切割、焊接、打标技术的要求也越来越高。

    同时伴随着产品周期短、出货量超大等问题,传统的印刷、冲压、CNC等工艺已经不能满足高品质的加工需求,或者不能有效控制生产成本。而经过长时间的发展,激光技术已能够轻松实现常规方法无法实现的工艺,已成为苹果、蓝思科技等高端用户的一致选择。

    汽车制造

    在欧美等发达工业国家,目前有50%~70%的汽车零部件是用激光加工(车身板材激光拼焊、白车身顶盖焊接、覆盖件激光三维切割、零部件激光打标和熔覆)来完成的,速度快、精度高、质量好。

    随着新能源政策及市场不断推出新品的趋势,汽车轻量化和更高效率的生产技术对汽车生产企业的发展至关重要。大族激光已经在这个领域取得重大进展,例如在SIMM展示的三维五轴联动激光切割机、拼焊系统、柔性焊接工作站已装备新能源汽车和宇通客车等高端制造企业。

    新能源电池焊接

    动力电池是新能源汽车的核心零部件,直接决定整车性能。电池外壳的传统加工方式是通过普通焊接或深喉冲压拉伸来完成,但安全性、使用寿命及综合成本始终无法达到市场要求。对比发现,激光焊接优势在于焊材损耗小、被焊接工件变形小、设备性能稳定易操作,焊接质量及自动化程度高。

    可以说,激光焊接工艺上的优势是其它焊接方式无法比拟的。随着新能源汽车行业迈向纵深发展,对配套电池的装配与焊接精度、质量都提出了更高的要求,大规模的采用激光焊接工艺也势在必行。

    金属板材加工

    在激光市场爆发之前,各类金属薄板零件加工都避不开数控转塔冲床加工工序,通过简单的模具组合,可以一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉伸成型加工。但是当光纤激光技术成为市场主流时,激光加工则显现出大的优势。

    光纤激光加工不仅仅是加工精度高、效率快,而且可针对薄板及厚板都加工、各种复杂的图形及曲面加工,无需开模,更容易实现自动化。因此,目前市场上激光加工已经开始取代部分数控转塔冲、剪板机。

    工业清洗

    当“制造业”遇上“环保”,如何寻找更清洁,且不具损伤性的清洗方式变成了老板们不得不考虑的问题。与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比,激光清洗具有更安全、高效率、不产生污染等优点。

    目前激光清洗主要用于模具、武器装备、飞机旧漆、电子工业、石雕等工业领域;随着技术的不断完善和设备的批量化生产,激光清洗技术必将工业清洗领域发挥重要的作用。

    到2022 年,全球激光加工市场规模预计将达到97.5 亿美元。其中,亚太地区将占据全球激光加工市场的最大份额,中国、日本及韩国将成为最主要的激光应用市场。

    随着新应用及自动化进程加快,激光技术势必推动制造业向价值链高端拓展,这也符合当前中国大力发展高端智能装备及精密制造的市场和政策需求。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=122456
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    • 清洁用水,正成为全球范围日益受到重视的一大资源利用问题。为了确保不断增长的全球人口能够获得清洁的水,开发新的水处理方法也被提上了日程。 你可能想不到,当一种叫做高铁酸盐的铁暴露在特殊光线(激光)下并发生一系列的化学反应,或将成为水处理技术的一大加持。据悉,高铁酸盐产生的有毒副产物比氯等化学物质更少,而且可能比复杂的臭氧处理系统更便宜,更容易部署。 这种新处理手段比较棘手的问题就在于,它需要与其他化合物结合或被光能激发,才能使高铁酸盐发挥最佳的水消毒净化效果。 近日,美国罗德岛大学(URI)的一组研究人员使用一种涉及超高速激光和X射线脉冲的技术,揭示了高铁酸盐暴露在可见光和紫外线下发生化学反应的新细节。相关研究结果发表在《美国化学学会杂志》(JACS)上,可以帮助研究人员优化其在水处理中的应用。 罗德岛大学化学助理教授、该研究的通讯作者Dugan Hayes表示,高铁酸盐的光激活此前从未被详细研究过,这项研究中他们的团队首次揭示了其中的一些光物理性质。 高铁酸盐是一种氧化剂,这意味着它可以通过“窃取”污染物的电子来分解污染物。高铁酸盐本身是一种相当强的氧化剂,但当被光激发时它会产生一种更强的氧化剂,称为Fe(V)(或Fe5+)。然而,在这项新研究之前,人们并不知道生产Fe(V)需要多少能量,以及可以生产多少能量。 为了明确这些方面,Dugan Hayes实验室的博士生Cali Antolini牵头开展了一项瞬态吸收光谱实验,这其实是一种利用超高速激光脉冲研究光化学反应的技术。 Cali Antolini借助罗德岛大学的设施,利用紫外线和可见光脉冲进行了实验。此外,她还在芝加哥阿贡国家实验室的先进光子源大型同步加速器平台上使用X射线进行了类似的实验。 在该实验中,最初的脉冲负责启动反应,而后续的脉冲则负责探测反应的过程。激光脉冲的速度大约为千万亿分之一秒,这让研究人员可以详细记录哪怕是最短时间内的反应产物。 研究结果表明,高铁酸盐与高活性Fe(V)的转化率约为15%。这项研究还发现,从紫外光谱延伸到可见光光谱的一系列波长应该能够产生Fe(V)。 研究人员表示,这一重要发现有两个原因:首先,可见光产生紫外光所需的能量更少,这使得高铁酸盐激发的能量效率比之前假设的更高。此外,可见光在浑浊的水中散射较少,这意味着Fe(V)可以在各种各样的水条件下产生。 该研究还有助于找到一种能够弥合大型城市水处理系统和小型农村水处理系统之间“清洁水差距”(clean water gap)的方法。高铁酸盐净化系统的建造更小型化、成本更低,相比昂贵而复杂的臭氧处理系统而言实用性有望得以提升。此外,高铁酸盐也有望减少对氯等刺激性化学物质的依赖,甚至可能消除氯无法去除的顽固污染物,其中包括在美国各地水系统中越来越常见的化学物质——全氟/多氟烷基物质(PFAS)。但在高铁酸盐系统被广泛应用之前,科学家们需要更好地了解高铁酸盐的化学性质。 这项研究的合著者、罗德岛大学土木与环境工程助理教授Joseph Goodwill表示:“高铁酸盐中强氧化剂的形成很难从机理上理解,这阻碍了工艺优化和在水处理应用中的全面实施。而这篇论文中得出的结论提高了我们对高铁酸盐体系的基本理解,为这一应用打开了大门。” 研究人员希望这些关于高铁酸盐光化学工作原理的新发现将有助于扩大铁基水处理的使用。目前这项研究已经得到了美国能源部(DE-SC0019429和DE-AC02-06CH11357)和美国国家科学基金会(2046383)的支持。
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    • 固态激光器产生的激光多在可见光的范围,比如激光笔。许多应用需要中红外激光,如分子探测等。而生成红外激光较为困难,尤其是超短、高强脉冲的红外激光。 很长一段时间以来,科学家们都在寻找一种制造红外激光脉冲的简单办法。如今,维也纳技术大学与哈佛大学合作,成功输出了超短红外激光脉冲。这种新技术无需任何大型实验设备,体积可缩小,对于某些应用来说十分重要。此项研究结果发表于Nature Communications。 频率梳 “在维也纳技术大学的纳米中心,我们使用经过设计的量子级联激光器生成了红外激光。” 维也纳技术大学固态电子研究所的Johannes Hillbrand说,他是本文的第一作者。寻常的固态激光器中,所发出的光的种类取决于材料中的原子种类,而在量子级联激光器中,纳米尺度的微结构起决定性作用。通过精心设计这些微结构,可以精确调整激光波长。 “我们的量子级联激光器不是只发出单一颜色的光,而是发出一系列不同频率的光。” Benedikt Schwarz副教授说,他领导了此项由欧洲研究委员会资助的研究项目。“这些频率排列得很有规律,其间距如同梳子的齿一般,是固定的。因此这种频谱被称为频率梳。” “钟摆”光 不仅是量子级联激光器发出的频率起到决定性作用,每个频率光波的相位也起决定作用。“就像两个由橡皮筋连接的钟摆,” Johannes Hillbrand解释道。“两个钟摆可以以完全相同、或者相反的方向前后摆动,所以它们要么向对方摆动,要么向远离对方的方向摆动。这两种振动模式的频率略有不同。” 这与由不同波长组成的激光非常相似:频率梳的单个光波可以完全同步振荡、以最佳相位叠加,产生短而强的激光脉冲;或者其振荡之间存在相位差,此时不会产生脉冲,而是产生强度基本均匀的激光。 光学调制器 Johannes Hillbrand说:“以往的量子级联激光器很难在这两种模式之间切换。然而,我们在量子级联激光器中嵌入了一个小型调制器,光波反复穿过这个调制器;同时在调制器上施加一个交流电压,根据电压的频率和强度不同,可以在激光中激发不同的光振荡。 Benedikt Schwarz说:“使用合适的频率驱动调制器,可使频率梳的不同频率完全同步振荡。而这使这些频率有可能组合成短而强的激光脉冲,可达超过每秒120亿次。” 在此之前,半导体激光器基本不可能实现如此短的短红外激光脉冲。如此短的光最多只能通过成本高昂、高损耗的方法产生。“我们的技术还有一个关键优势,即可以小型化。”Benedikt Schwarz强调。“比如,这项技术可以用于小型测量仪器中,使用特殊的激光束来检测气体样本中的特定分子。激光脉冲的高光强,使得同时需要两个光子的测量也成为可能。”