隨(sui)著先進制造技術的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷發展，激(ji)(ji)光(guang)加工(gong)的(de)(de)(de)(de)未來(lai)應用可歸納為“ 數(shu)字光(guang)子生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)(digital photonic production)”。在電腦中(zhong)設計一(yi)個(ge)結(jie)(jie)構(gou)或(huo)產(chan)(chan)(chan)品，借助(zhu)二極管(guan)或(huo)固態激(ji)(ji)光(guang)器通過(guo)(guo)增材制造的(de)(de)(de)(de)方(fang)式或(huo)者利用高功(gong)率超快激(ji)(ji)光(guang)器燒蝕手(shou)段制造——這(zhe)一(yi)愿(yuan)景催生(sheng)(sheng)了(le)眾多研(yan)究(jiu)熱點(dian)。但是(shi)產(chan)(chan)(chan)品鏈(lian)的(de)(de)(de)(de)集(ji)成與(yu)滿足(zu)工(gong)業4.0 需求方(fang)面的(de)(de)(de)(de)挑戰亟待解決。從激(ji)(ji)光(guang)技術的(de)(de)(de)(de)角度(du)看，主要研(yan)究(jiu)集(ji)中(zhong)在加工(gong)質量相關數(shu)據(ju)的(de)(de)(de)(de)在線測量、過(guo)(guo)程控制機理以及與(yu)自動(dong)化的(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)合。選擇性激(ji)(ji)光(guang)熔化（SLM）、激(ji)(ji)光(guang)金屬沉(chen)積(ji)（LMD)、激(ji)(ji)光(guang)超快燒蝕及激(ji)(ji)光(guang)拋(pao)光(guang)等工(gong)藝獲得了(le)大量的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)。從經濟(ji)角度(du)出(chu)發，提(ti)高生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)能力是(shi)核心目(mu)標。

在(zai)2018 慕尼黑上海光(guang)博會同期舉行(xing)的第十三屆國(guo)際(ji)激(ji)光(guang)加工(gong)技術研(yan)討會（LPC2018）上，德國(guo)弗(fu)勞(lao)恩霍夫激(ji)光(guang)技術研(yan)究(jiu)所（Fraunhofer ILT) 所長、德國(guo)亞琛(chen)工(gong)業大學教(jiao)授Reinhart Poprawe 便以“面向工(gong)業4.0 的數字光(guang)子生產”為題發表(biao)了(le)演講，他主要分享了(le)SLM 增材制造工(gong)藝以及(ji)超(chao)快激(ji)光(guang)燒蝕等技術領域的研(yan)究(jiu)成果。本文將(jiang)對此做部分摘(zhai)錄和梳理。

Reinhart Poprawe教授，弗勞恩霍夫激光技術研究(jiu)所所長

工業4.0 背景下的數字光子生產

如今，工(gong)業(ye)4.0 時代正向全球(qiu)制造業(ye)疾速駛來。Reinhart Poprawe 教授指出(chu)，在以網(wang)絡化(hua)和(he)物聯網(wang)化(hua)為(wei)特征的(de)(de)第四次(ci)工(gong)業(ye)革(ge)命(ming)中，激(ji)光技(ji)術(shu)同樣是不可或(huo)缺的(de)(de)組成部分。激(ji)光技(ji)術(shu)應用(yong)在不同材料(liao)上可以帶來工(gong)藝水平和(he)生產能(neng)力的(de)(de)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)。

德(de)國亞琛工業大(da)學(xue)之(zhi)前(qian)對工業4.0 提出(chu)的(de)觀點是(shi)通過協(xie)作(zuo)機制提供四(si)個核心（圖(tu)1）。這四(si)個核心分別是(shi)由(you)傳(chuan)感技(ji)術(shu)(shu)和(he)(he)認知(zhi)系(xi)(xi)統等(deng)自動化技(ji)術(shu)(shu)打(da)造的(de)物理系(xi)(xi)統（physical systems)；由(you)商(shang)業群(qun)體和(he)(he)社會群(qun)體通過協(xie)作(zuo)手段產生的(de)社會行(xing)為(social behavior)；由(you)高速計算(suan)和(he)(he)云(yun)儲(chu)存等(deng)技(ji)術(shu)(shu)打(da)造的(de)信(xin)息(xi)化硬件體系(xi)(xi)(IT-Hardware)，以及由(you)ERP和(he)(he)PLM 系(xi)(xi)統等(deng)技(ji)術(shu)(shu)打(da)造的(de)信(xin)息(xi)化軟件體系(xi)(xi)(IT-Software)。其(qi)中(zhong)的(de)內核則(ze)是(shi)通過人(ren)與人(ren)、人(ren)與機器、以及機器與機器之(zhi)間的(de)高度(du)協(xie)作(zuo)來(lai)實現生產效(xiao)能的(de)彰顯(xian)和(he)(he)提升。

圖1：德國亞琛工(gong)業大學對工(gong)業4.0 提(ti)出(chu)的觀點是通過(guo)協作機制提(ti)供四個(ge)核心。

在(zai)此背景下，相應(ying)的(de)“互聯網(wang)生產”路(lu)線圖也被分為三(san)個階(jie)段來實施：第(di)(di)一個階(jie)段是(shi)到2020 年完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)啟(qi)用和(he)激(ji)活(huo)目(mu)(mu)標，即通(tong)過互聯網(wang)生產網(wang)絡（IoP）的(de)基礎架構在(zai)研發周期(qi)、生產周期(qi)和(he)用戶開發周期(qi)之間(jian)實現連通(tong)性。第(di)(di)二個階(jie)段是(shi)到2025 年完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)連接(jie)目(mu)(mu)標，即通(tong)過多(duo)站點(dian)實驗(yan)室之間(jian)的(de)跨(kua)域協作實現各個周期(qi)的(de)IoP 連接(jie)，并且可(ke)實時回答定義的(de)問題。第(di)(di)三(san)個階(jie)段是(shi)到2030 年完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)融合目(mu)(mu)標，即通(tong)過全(quan)球實驗(yan)室的(de)形式實現所(suo)有周期(qi)的(de)全(quan)面IoP 集成(cheng)(cheng)，并且基于數據解答迄今(jin)仍(reng)然未知的(de)問題。

如今，數(shu)字(zi)光子生(sheng)產(chan)(chan)已掀(xian)起(qi)了一場新(xin)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)業革(ge)命。在數(shu)字(zi)光子生(sheng)產(chan)(chan)中(zhong)，使用激光作為工(gong)(gong)具所(suo)展(zhan)現的(de)(de)(de)優勢和(he)獨特性包括：最(zui)高的(de)(de)(de)功率密度；最(zui)快的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)速度；最(zui)短的(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)；無質量(liang)、無力量(liang)、無接觸的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)；最(zui)好的(de)(de)(de)可控性（CAD 設(she)計階段直至最(zui)終產(chan)(chan)品）( 圖2）。

圖2：數字光子生產結合增(zeng)材制造(zao)等(deng)技術(shu)打造(zao)的產品。

而(er)(er)從成本角(jiao)度看，數子光(guang)子生產(chan)(chan)(chan)與傳統(tong)生產(chan)(chan)(chan)以(yi)及一(yi)般(ban)的(de)(de)激光(guang)制造等方(fang)式相比，無論在批(pi)量尺(chi)寸或是產(chan)(chan)(chan)品復雜性等方(fang)面都展(zhan)現出核(he)心優勢。因此(ci)，前者從僅提供價值的(de)(de)基礎(chu)上升級(ji)為以(yi)生產(chan)(chan)(chan)商、顧客(ke)、產(chan)(chan)(chan)品和環境(jing)等要素(su)為依托的(de)(de)價值共(gong)創體系，從而(er)(er)打造出創新(xin)的(de)(de)商業模式。而(er)(er)后(hou)者則幫助(zhu)推(tui)動(dong)創新(xin)產(chan)(chan)(chan)品的(de)(de)應運而(er)(er)生。

此(ci)外，數(shu)字光子生產的(de)另一個目(mu)標是通(tong)過增(zeng)材制造實現(xian)輕量(liang)化構造，從而達到減重(zhong)降(jiang)本的(de)目(mu)的(de)。

數字光子生產如何實現？——激光增材制造

當前，增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)在全球的(de)(de)持續(xu)發酵(jiao)無(wu)疑是熱(re)點，世(shi)界各國正投(tou)身(shen)于這一顛覆性技術的(de)(de)布局，力(li)爭(zheng)早日實現(xian)產業化。然(ran)而，在紛繁的(de)(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)技術中，激(ji)光增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)（LAM）以其獨特的(de)(de)加(jia)工優勢(shi)愈發受(shou)到(dao)關(guan)注。眾(zhong)所周(zhou)知，激(ji)光具有能量密度高(gao)的(de)(de)特點，可實現(xian)難(nan)加(jia)工金(jin)屬(shu)材(cai)料的(de)(de)制(zhi)(zhi)造(zao)，例如航空(kong)航天領域(yu)采用的(de)(de)鈦合金(jin)、高(gao)溫(wen)合金(jin)等，同時LAM 技術還具有不受(shou)零件結構限制(zhi)(zhi)的(de)(de)優點，可用于結構復雜、難(nan)加(jia)工以及薄壁零件的(de)(de)加(jia)工制(zhi)(zhi)造(zao)。

長(chang)久以來，金屬3D 打印是增(zeng)材(cai)(cai)制造(zao)(zao)領域的(de)重要突破之一，而適(shi)用于精密金屬3D 打印的(de)SLM 技術無(wu)疑成為增(zeng)材(cai)(cai)制造(zao)(zao)的(de)核心賦(fu)能要素。SLM 工藝(yi)由德國Fraunhofer 研究(jiu)院于1995 年首(shou)次提出，它(ta)是一種金屬粉末(mo)的(de)快速成型(xing)技術。

SLM 工作(zuo)流程(cheng)可概括為——打印機控制激光(guang)在(zai)鋪設好的(de)粉(fen)末上(shang)方選(xuan)擇性地對(dui)粉(fen)末進行輻照，金(jin)屬(shu)粉(fen)末加熱到完全熔化后成型(xing)。然后，活塞使工作(zuo)臺降(jiang)低一(yi)(yi)(yi)個單位的(de)高度，新(xin)的(de)一(yi)(yi)(yi)層(ceng)粉(fen)末涂敷(fu)在(zai)已(yi)成型(xing)的(de)當(dang)前層(ceng)上(shang)，設備調入新(xin)一(yi)(yi)(yi)層(ceng)截面的(de)數(shu)據(ju)進行激光(guang)熔化，與前一(yi)(yi)(yi)層(ceng)截面粘結，此過(guo)程(cheng)逐層(ceng)循(xun)環直至(zhi)整個物體成型(xing)( 圖3）。

圖3：SLM 工(gong)藝的基本原理圖

此(ci)外，SLM 工(gong)藝的特點還包括：使(shi)用了系列(lie)化材料；粉(fen)末(mo)顆(ke)粒能完(wan)全融化；零件致密度可達(da)到近乎100%；尺寸精度較高；大幅節約材料用量(liang)；熱裝置使(shi)該工(gong)藝能夠靈(ling)活加工(gong)包括鈦(tai)合(he)金、鋁合(he)金、鋼、CoCr 合(he)金、鎳合(he)金等(deng)在內的多種材料。

SLM 工藝(yi)的(de)應(ying)用領域(yu)也十分(fen)廣泛(fan)，以汽車為例，包括機(ji)箱組件、軟管支架、運動(dong)組件、防皺(zhou)壓(ya)板、HKL 鉸鏈、減(jian)振器進(jin)氣道、行李架支架、制動(dong)器線夾、滑(hua)輪等在內(nei)的(de)眾多元素都可(ke)以采用這種工藝(yi)打造（圖(tu)4）。

圖4：SLM 工藝在(zai)汽(qi)車制造(zao)領域的應用示例。

另外，數年前，Fraunhofer ILT 曾采(cai)用 SLM 技術(shu)生產出了首例(li)人體(ti)(ti)髖關節(jie)臼杯(bei)，并(bing)且在(zai)2008 年進(jin)行了植入應(ying)用。這款髖關節(jie)臼杯(bei)的性能通(tong)過人體(ti)(ti)骨骼和(he)種植體(ti)(ti)之間(jian)的相互作(zuo)用得到改善，這是(shi)傳統(tong)制造無法實現(xian)的。

就激光(guang)選區熔化設備(bei)和過程開發(fa)(fa)方(fang)面來(lai)看，國(guo)(guo)外(wai)對SLM 工藝開展研究的國(guo)(guo)家主要集中(zhong)在德(de)國(guo)(guo)、英國(guo)(guo)、日本(ben)、法國(guo)(guo)等。其中(zhong)，德(de)國(guo)(guo)是從事SLM 技(ji)術研究最早與(yu)最深入的國(guo)(guo)家。第一臺SLM 系統是1999 年由德(de)國(guo)(guo)Fockele 和Schwarze（F&S）與(yu)Fraunhofer ILT 攜(xie)手(shou)研發(fa)(fa)的基于不銹鋼粉末的SLM 成型設備(bei)。目前(qian)國(guo)(guo)外(wai)主要的SLM 設備(bei)制造商包(bao)括德(de)國(guo)(guo)EOS、SLM Solutions 和Concept Laser 等公司(si)。在中(zhong)國(guo)(guo)地區，華(hua)南理工大學于2003 年開發(fa)(fa)出國(guo)(guo)內首套激光(guang)選區熔化快速制造設備(bei)DiMetal - 240，并相繼于2007年開發(fa)(fa)出DiMetal - 280，2012 年開發(fa)(fa)出DiMetal - 100，2014 年開發(fa)(fa)出Dimetal - 400 等成型設備(bei)。

另外，Aconity3D 是來自德國亞琛的(de)一家增(zeng)材制造(zao)設備的(de)制造(zao)商，該(gai)公司研發的(de)SLM 工藝(yi)設備Aconity ONE 配(pei)備了(le)一個(ge)?400mm 的(de)大(da)型構建(jian)平(ping)臺，該(gai)模(mo)塊化實驗系統主要用于金(jin)屬的(de)增(zeng)材制造(zao)。這個(ge)創新的(de)旋轉裝置能夠快速更換材料，并且(qie)配(pei)有預熱裝置。同時，開放(fang)式(shi)的(de)軟(ruan)件架構可以通過開放(fang)式(shi)接口與生產實現集(ji)成，且(qie)具有分布式(shi)的(de)實時分析功能，這些都(dou)為工業4.0準(zhun)備就緒。

當(dang)前，SLM 設備領域的(de)開發(fa)目標是朝著高性(xing)能、低(di)成本的(de)方(fang)向不斷挺進。例(li)如：研發(fa)配(pei)有單(dan)個二極管激光(guang)器(qi)、龍門(men)系統，以(yi)及組件成本<30 k €的(de)SLM 系統。此外(wai)，SLM 工藝的(de)可持續發(fa)展(zhan)趨勢包括：從現今的(de)小型部(bu)(bu)件生(sheng)(sheng)產(chan)發(fa)展(zhan)到(dao)未來的(de)大型部(bu)(bu)件制(zhi)造(zao)（圖5）。SLM 新機器(qi)概(gai)念方(fang)面的(de)研發(fa)則聚焦在生(sheng)(sheng)產(chan)力上。具(ju)體來說，需要從傳統SLM 工藝的(de)單(dan)光(guang)斑、激光(guang)功率(lv)恒(heng)定，以(yi)及高掃描(miao)速度(du)等特性(xing)向多光(guang)斑陣(zhen)列(lie)、激光(guang)功率(lv)可調(diao)制(zhi)，以(yi)及低(di)掃描(miao)速度(du)的(de)新概(gai)念持續發(fa)展(zhan)。

圖5：SLM 工藝(yi)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)趨勢是從(cong)現今(jin)的(de)小型(xing)部(bu)件(jian)生(sheng)產發(fa)展(zhan)(zhan)到未來的(de)大型(xing)部(bu)件(jian)。

另外一(yi)個SLM 機(ji)(ji)器概念則是(shi)采(cai)用(yong)多光斑SLM 機(ji)(ji)器的(de)實驗設置。該原(yuan)理的(de)主(zhu)要優點(dian)包括：使用(yong)了二(er)極管激光器；輕松提(ti)升生產效率(lv)（更高質(zhi)量的(de)激光光斑）；輕松升級構建(jian)尺寸（更大的(de)加(jia)工軸）；局部氣流保護和局部過程(cheng)控制。

因此，SLM 可謂制(zhi)造(zao)工藝的一(yi)次重(zhong)大變革(ge)，相對(dui)于傳(chuan)統的機加工（減材制(zhi)造(zao)），SLM 作(zuo)為一(yi)種(zhong)材料堆積制(zhi)造(zao)方式，可以制(zhi)造(zao)各種(zhong)復雜形狀(zhuang)，并可充分(fen)發(fa)揮(hui)材料的性能比(bi)，將是未來(lai)綠色制(zhi)造(zao)的主要方式之一(yi)。

數字化材料精密加工——超快激光脫穎而出

現如今，以(yi)皮秒與飛(fei)秒激光(guang)器(qi)為(wei)代表的(de)超快激光(guang)器(qi)具(ju)有極短(duan)的(de)激光(guang)脈沖和極高的(de)峰值功率的(de)特點，從而在精(jing)密材(cai)料加(jia)(jia)工中彰顯出(chu)獨特的(de)超精(jing)細、無(wu)熱影響(xiang)等性能（圖6）。這種(zhong)“超精(jing)細”加(jia)(jia)工也由此解決(jue)了許(xu)多傳統(tong)手(shou)段(duan)無(wu)法(fa)攻克的(de)高、精(jing)、尖、硬(ying)、難等加(jia)(jia)工難題(ti)，并且具(ju)有卓越(yue)的(de)加(jia)(jia)工質(zhi)量和加(jia)(jia)工效(xiao)率。

隨著德國“工(gong)業4.0”和“中國制(zhi)(zhi)造2025”的不(bu)斷深化，高(gao)端制(zhi)(zhi)造、智能制(zhi)(zhi)造、高(gao)精密制(zhi)(zhi)造的需求將(jiang)顯著增長，從而為(wei)超快(kuai)激光(guang)提供新的發展機(ji)遇。預計到2020 年全球超快(kuai)激光(guang)器市(shi)場(chang)總額(e)將(jiang)超過15 億美(mei)元。

其中，超(chao)短脈(mo)沖(chong)(chong)激光(guang)器(qi)——一(yi)種用(yong)于(yu)材(cai)(cai)料精(jing)密加(jia)工(gong)(gong)的新(xin)工(gong)(gong)具(ju)已(yi)經展(zhan)現(xian)出眾多優勢。首先，超(chao)短脈(mo)沖(chong)(chong)激光(guang)器(qi)可加(jia)工(gong)(gong)的材(cai)(cai)料范圍極其廣泛：寬帶隙材(cai)(cai)料（玻璃，藍(lan)寶石，金剛石）；半導(dao)體（硅(gui)，砷(shen)化(hua)(hua)鎵，碳化(hua)(hua)硅(gui)）；金屬（碳化(hua)(hua)鎢(wu)，鋼，銅(tong)）；聚合物；生物材(cai)(cai)料……其次，超(chao)短脈(mo)沖(chong)(chong)激光(guang)器(qi)具(ju)有(you)高精(jing)度加(jia)工(gong)(gong)特性(xing)，可實(shi)現(xian)燒蝕深度小于(yu)100nm 的精(jing)確度。第三，這(zhe)種激光(guang)器(qi)具(ju)有(you)免工(gong)(gong)具(ju)、無磨損以及資源優化(hua)(hua)的特性(xing)，并(bing)且(qie)在數字(zi)光(guang)子生產中幾乎無需前置(zhi)時間。

圖(tu)6：使用一款超快激光器切割(ge)薄(bo)型(xing)玻璃(li)。

例如，可(ke)使用(yong)(yong)紫(zi)外(wai)（UV）飛秒激光燒(shao)蝕(shi)(shi)工(gong)藝來生產個性化(hua)的(de)(de)人(ren)工(gong)晶狀體（IOL)。燒(shao)蝕(shi)(shi)層(ceng)厚度介于0.5-5μm 之間(jian)，表面粗糙(cao)度Ra 值<1μm，最終(zhong)打造的(de)(de)產品無變(bian)暗和碳化(hua)現象。另外(wai)，采用(yong)(yong)CO2 激光輻照(zhao)的(de)(de)激光拋光工(gong)藝是通過激光和材(cai)料的(de)(de)相互作(zuo)用(yong)(yong)來熔化(hua)稀薄(bo)的(de)(de)邊界(jie)層(ceng)，以及通過表面張力實現表面平(ping)整，材(cai)料損失可(ke)忽略不計。

最后，可(ke)通過激(ji)光(guang)(guang)輻照實現大面積成型。以激(ji)光(guang)(guang)加工飛機機翼上的微孔(kong)(kong)(kong)(kong)為例，孔(kong)(kong)(kong)(kong)徑小于(yu)200μm，采(cai)用可(ke)變孔(kong)(kong)(kong)(kong)模式，成型孔(kong)(kong)(kong)(kong)是用于(yu)改善氣體(ti)流(liu)動。此(ci)外，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)速率大于(yu)10,000 孔(kong)(kong)(kong)(kong)/ 秒，可(ke)選用包(bao)括單(dan)脈沖激(ji)光(guang)(guang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)、飛秒激(ji)光(guang)(guang)螺旋鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)和激(ji)光(guang)(guang)沖擊鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)在內不同的超快激(ji)光(guang)(guang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)技術(shu)。

總結和展望

毋庸置疑，數(shu)字光子(zi)(zi)生產時代(dai)的腳步已經越(yue)來越(yue)近，激(ji)光增(zeng)材制造（以SLM 和(he)LMD 工(gong)(gong)藝為代(dai)表）、超快激(ji)光加(jia)工(gong)(gong)等先進制造技術(shu)(shu)層出(chu)不窮(qiong)，為工(gong)(gong)業制造的升級轉型不斷注入新活力。這(zhe)些技術(shu)(shu)同樣(yang)也是(shi)數(shu)字光子(zi)(zi)生產對(dui)工(gong)(gong)業4.0 產生的直接影響。據悉，在未(wei)來5 ～ 10年內，通過將增(zeng)材制造和(he)超快激(ji)光技術(shu)(shu)與數(shu)字化工(gong)(gong)業生產鏈緊密(mi)集(ji)成，能(neng)夠將生產力提高30倍。

事實上，在激光(guang)技術(shu)領域，近(jin)年來已投入大量精力來優化和改善(shan)制造流程以及相應(ying)的激光(guang)光(guang)源。而如今，一(yi)個(ge)新的研發方向(xiang)便是(shi)：如何實現數字解(jie)決方案與激光(guang)制造的無縫(feng)整合(he)，以系統(tong)地提高(gao)生產力、過程可靠性(xing)、自動性(xing)和質(zhi)量，繼(ji)而創造顯著的附加(jia)值？

鑒于此，當前大量研究正聚焦(jiao)集(ji)成自動化(hua)工(gong)藝(yi)生產(chan)鏈。未(wei)來的目標是(shi)：每一(yi)(yi)種資源，無(wu)論是(shi)制造的機器、產(chan)品(pin)，抑(yi)或是(shi)生產(chan)工(gong)藝(yi)流程(cheng)，都應(ying)當擁有(you)一(yi)(yi)個數字(zi)(zi)化(hua)雙胞胎(tai)（digital twin）——數字(zi)(zi)圖像，不僅可以(yi)進行仿(fang)真和建(jian)模，還可以(yi)隨(sui)時精準捕(bu)捉(zhuo)整個工(gong)藝(yi)流程(cheng)的狀(zhuang)態，最(zui)終達到高效的柔性和智能生產(chan)。