編者薦語：

激光作為一種工具，一個載體，內(nèi)涵和外延不斷拓展，愈久彌新！

以下文章來源于ACT激光世界 ，作者LFWC雜志

文/Andreas Thoss，Constanin Haefner

編者按：

作為歐洲最大的激光應(yīng)用研究中心，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）擁有卓越的人才和雄厚的技術(shù)，多年來一直引領(lǐng)著激光應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的前沿。本篇希望通過分享Laser Focus World（LFW）雜志特約編輯Andreas Thoss對Fraunhofer ILT主任Constantin Haefner的采訪內(nèi)容，為讀者了解激光技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的前沿動態(tài)提供有價值的參考。

兩年前，Constantin Haefner擔(dān)任歐洲最大的應(yīng)用激光技術(shù)研究中心——德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）的新主任。他在接受Andreas Thoss的采訪時，談到了激光技術(shù)的發(fā)展趨勢以及Fraunhofer ILT的一些發(fā)展策略。

Andreas Thoss：從當(dāng)前的趨勢來看，數(shù)字化生產(chǎn)或生產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)（IoP）非常突出。您在Fraunhofer ILT的工作是如何應(yīng)對這一趨勢的？

ConstantinHaefner：激光是一個完美的工具；它的光束是無質(zhì)量和無磨損的。而且，激光允許人們更加精確地觀察生產(chǎn)過程。使用激光的生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而理解這個“數(shù)據(jù)池”是數(shù)字化光子生產(chǎn)所面臨的一項挑戰(zhàn)。

第二個挑戰(zhàn)是將現(xiàn)實全面地映射到虛擬世界中，包括設(shè)計規(guī)范、材料特性和激光與材料相互作用的物理特性等。實際過程是第三個挑戰(zhàn)。在過去，我們大多是通過基于人的知識和許多試驗來開發(fā)工藝；而在一個日益復(fù)雜和加速的世界中，這個過程正變得越來越具有挑戰(zhàn)性。然而幸運的是，今天我們有更多的計算能力、模擬工具和對基礎(chǔ)物理的更深入的理解；但真正的加速器是對“全面的高質(zhì)量數(shù)據(jù)”的獲取和聯(lián)網(wǎng)，同時結(jié)合現(xiàn)代機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)。人員得到了解放，生產(chǎn)可以變得更加高效、更加敏捷且更具有可持續(xù)性。

這就是數(shù)字化生產(chǎn)的優(yōu)勢之一：工藝設(shè)計得到機器智能的協(xié)助。數(shù)字化光子生產(chǎn)的目標(biāo)是投入生產(chǎn)時的“一次成功”。

此外，生產(chǎn)機器的性能各不相同，即使在一個型號中也是如此，但更多的時候是由于操作者的經(jīng)驗。了解這些偏差、并通過將其納入工藝模型來預(yù)測這些偏差，是我們感興趣的主要內(nèi)容之一。這關(guān)乎精度、可重復(fù)性和可操作性。換句話說，數(shù)字光子生產(chǎn)應(yīng)該允許人們能以同樣的方式使用機器，無論環(huán)境如何或是由誰來操作它。

我們通過分布式機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)了這一點。來自所有機器的“數(shù)據(jù)池”提供了更多的分析和預(yù)測能力，以開發(fā)、改進(jìn)或操縱一個過程。數(shù)值模擬建立在基礎(chǔ)物理學(xué)之上，并提供了一個指導(dǎo)框架；然后人工智能環(huán)路使用這些模擬，并增加了對真實數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，允許實時數(shù)據(jù)解釋，并向機器控制環(huán)路提供關(guān)于如何優(yōu)化過程的建議。然后，自動將成功的操作方法推廣到云中的其他機器。此舉將節(jié)省大量時間。

這就是為什么數(shù)字化生產(chǎn)是Fraunhofer ILT的一個非常重要的課題。在德國亞琛，我們擁有各個生產(chǎn)技術(shù)研究所之間的“數(shù)據(jù)池”。我們開發(fā)激光器和傳感器，我們開發(fā)機器學(xué)習(xí)代碼和算法，用它們反過來評估流程。最終，我們可以更快、更準(zhǔn)確地優(yōu)化價值鏈。

AT：下一個大趨勢是增材制造（AM）。Fraunhofer ILT通過EHLA技術(shù)在這方面樹立了一個真正的里程碑。接下來增材制造領(lǐng)域會發(fā)生什么？

CH：我們剛剛慶祝了Fraunhofer ILT獲得“金屬激光粉末床熔融工藝”專利25周年，該專利由ILT的三位科學(xué)家在1996年申請（見圖1）。無論是過去還是現(xiàn)在，3D激光打印對我們來說都是一個大話題。它也是數(shù)字化光子生產(chǎn)的一個重要部分。

 

圖1：1996年，F(xiàn)raunhofer ILT為金屬3D打印工藝申請了專利；圖中所示為激光粉末床熔融（LPBF）工藝。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

3D打印的魅力當(dāng)然在于其設(shè)計的靈活性、材料的多樣性，以及與減材加工工藝相比較低的材料消耗。然而，當(dāng)考慮可持續(xù)經(jīng)濟(jì)時，我們還需要考慮3D打印在整個周期內(nèi)的資源效率，包括即從礦石到粉末、從粉末到產(chǎn)品，我們正在積極研究。

生產(chǎn)過程中的自適應(yīng)技術(shù)，對于檢測和糾正零件的缺陷和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，非常必要。這樣，我們就能減少廢品，實現(xiàn)更高的平均故障時間。這不僅對“一次成功”有好處，而且也有助于提升3D打印的生產(chǎn)力。

預(yù)測性分析也是其中的一部分。你可以預(yù)測一個東西何時以及如何工作或失敗，或者它有什么反應(yīng)。換句話說，你可以將一些特征編程到零件中。這開啟了全新的設(shè)計靈活性，但目前這種靈活性只能在非常有限的范圍內(nèi)使用。我們在針對航空航天平臺的激光開發(fā)項目中利用了這一點。

特定的AM設(shè)計仍然是最大的問題之一。大多數(shù)工程師已經(jīng)學(xué)會了基于燒蝕工藝進(jìn)行思考。大學(xué)需要在設(shè)計工程師的課程中，盡早加入增材制造的設(shè)計方法，以讓學(xué)生們能夠充分挖掘和應(yīng)用3D打印的能力。

現(xiàn)在，AM正處于一個非常有趣的階段，我們在市場上有一系列機器。當(dāng)然，我們必須要降低成本，提高效率。在AM領(lǐng)域還有很多研究和開發(fā)工作要做，而且不僅僅是在航空航天或醫(yī)療植入這樣的高價值工程領(lǐng)域。

AT：每個人都在談?wù)摎夂蚝涂沙掷m(xù)性。激光技術(shù)能為此做出什么貢獻(xiàn)？

CH：我之前談到的很多激光技術(shù)都有助于可持續(xù)性，高效的3D打印和IoP也是如此。這實際上是關(guān)于利用效率的提高。與其說是全新的工藝，倒不如說是在工藝鏈中更有效地工作，從而節(jié)約資源。

德國政府目前正在推動應(yīng)對氣候變化或有助于可持續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)。儲能技術(shù)，如氫氣或電池技術(shù)是ILT的主要議題。激光在所有這些生產(chǎn)過程中都發(fā)揮著重要作用。

例如，現(xiàn)在的問題是將這種氫氣技術(shù)推向市場。我們的一個研究課題是用于電解裝置或燃料電池的雙極板。我們?nèi)绾尾拍芤愿呖煽啃院蜆O高的吞吐率來生產(chǎn)它們？氫氣是非常小的原子，很容易擴散。因此，100%的緊密焊接至關(guān)重要。再次強調(diào)一下：高精度、一次成功和高質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)，是激光器真正顯示實力的地方。

我們用于地球觀測的激光器在氣候保護(hù)方面也發(fā)揮著重要作用。例如，我們在衛(wèi)星上建造激光器，從太空中非常精確地測量風(fēng)力，并能進(jìn)行更好的天氣預(yù)報。影響氣候的氣體，如二氧化碳或甲烷，也可以用我們的激光器從太空探測到。這不僅僅是一個簡單的激光源，當(dāng)然也包括系統(tǒng)技術(shù)以及如何能實現(xiàn)它們的訣竅。

這些有意義的事情都在推動著我們不斷努力，它們有助于實現(xiàn)我們未來迫切需要的可持續(xù)性。

AT：在未來三年，F(xiàn)raunhofer ILT的工作重點是什么？

CH：FraunhoferILT的團(tuán)隊有大約600名員工，他們致力于我們的核心使命：合同研究和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。我們將繼續(xù)通過卓越人才、知識深度和趨勢探尋來完成我們的使命。在技術(shù)方面，我們將系統(tǒng)地推動激光工藝和激光技術(shù)的發(fā)展，以實現(xiàn)可持續(xù)的數(shù)字化光子生產(chǎn)，特別是在機械和工廠工程、能源儲存、航空航天、醫(yī)療技術(shù)或移動性方面的應(yīng)用。

我們將進(jìn)一步加強用于生產(chǎn)的高性能激光系統(tǒng)的開發(fā)，也將增加用于太空平臺的激光系統(tǒng)開發(fā)。此外，我們正在為量子技術(shù)的光子解決方案建立新能力，并與我們的合作伙伴在亞琛為我們的工業(yè)客戶建立一個“量子科學(xué)技術(shù)中心”。我們也與在荷蘭代爾夫特的QuTech合作，希望在德國實現(xiàn)第一個量子互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點（見圖2）。

 

圖2：用于量子成像的光子對源。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

這也是為了開辟其他新領(lǐng)域，比如說二次源。這些是高能激光的應(yīng)用，可以在全新的研究市場上獲得回報。高亮度的X射線或粒子束可以由激光器產(chǎn)生，并能克服目前傳統(tǒng)光源的限制。這就是激光器可以開辟新天地的地方。

最后，我們看到對綜合解決方案的需求越來越大。這需要高度的系統(tǒng)工程。在我們的航空航天項目中，我們已經(jīng)建立了嚴(yán)格的系統(tǒng)工程流程，現(xiàn)在我們可以將其映射到其他項目中。同樣，這是關(guān)于效能和效率的問題：第一次就把它做對。

AT：最后，您認(rèn)為激光的未來在哪里？

CH：21世紀(jì)的激光器是無數(shù)條價值鏈的一部分。而正是這些價值鏈上的專有技術(shù)，有針對性地利用激光，為制造商帶來了成功，或是實現(xiàn)了原本無法想象的工藝。

當(dāng)然，當(dāng)下的工作關(guān)注點正在日益從光源的開發(fā)轉(zhuǎn)向工藝或系統(tǒng)技術(shù)。FraunhoferILT正在利用豐富的經(jīng)驗，為工業(yè)中出現(xiàn)的一系列問題開發(fā)出量身定制的解決方案。激光的時代才剛剛開始，我相信它還會持續(xù)很長時間。