Новое поколение лазеров, использующих сверхкороткие импульсы света, демонстрирует большой потенциал для устойчивого производства прецизионных деталей.

Немецкий инженер-механик и руководитель исследований Мартин Осбильд — сторонник избегания отходов. Дома он скорее отремонтирует, чем заменит сломанные предметы домашнего обихода — от стиральных машин до блендеров и велосипедов. На работе те же экологические принципы занимают важное место в его повестке дня.

Осбилд возглавляет группу исследователей в Институте лазерных технологий Фраунгофера (Fraunhofer ILT) в Ахене, Германия, которые изучают, как усовершенствования лазерных технологий могут помочь сократить отходы и повысить экологическую устойчивость производства.

Их работа является частью четырехлетнего исследовательского проекта ЕС под названием METAMORPHA, который завершится в августе 2026 года.

Точное производство

Основное внимание уделяется лазерной микрообработке — сверхточной формовке и обработке металлов и других материалов, необходимых в таких областях, как электроника, аэрокосмическая промышленность и медицина .

Эта работа становится все более важной на фоне растущего спроса на миниатюрные компоненты. Сегодняшние производственные линии полагаются на микрообработку при производстве сложных деталей для использования в различных продуктах: от высокотехнологичной электроники до роскошных часов.

По словам Осбилда, многие существующие технологии микрообработки включают неэффективные и негибкие механические и электрохимические процессы, которые потребляют много энергии, производя при этом большое количество отходов и вредных химических веществ.

«Многие промышленные процессы довольно старые, а значит, хорошо изучены, но при этом не являются экологически безопасными», — сказал он.

Для Осбилда и его команды решение заключается в лазерной технологии, а точнее, в так называемой лазерной обработке ультракороткими импульсами (УКИ). Использование чрезвычайно коротких импульсов света длительностью всего от квадриллионных до триллионных долей секунды для резки и структурирования поверхностей позволяет добиться гораздо большей точности, чем более длинный лазерный импульс или непрерывное излучение.

Более высокая точность лазерной обработки с первого раза снижает отходы, а также позволяет избежать использования химикатов, необходимых в традиционных процессах. Кроме того, эта технология позволяет обойти необходимость замены инструментов, поскольку нет износа. Она также минимизирует нагрев поверхности, потери энергии и необходимость в покрытиях. Лазеры USP могут обрабатывать практически любой материал с точностью до микрометра.

Рука на пульсе

Одним из препятствий, с которым сталкиваются исследователи, является то, что для эффективности лазеров USP в промышленных масштабах требуется интенсивная мощность лазера.

«Недостатком лазеров USP в течение многих лет было то, что они были недостаточно мощными, чтобы быть конкурентоспособными в промышленных приложениях с крупными деталями», — сказал Дэвид Брюнель, координатор групповых исследований в LASEA, производителе промышленных лазерных установок из Льежа, Бельгия.

LASEA тесно сотрудничает с командой Fraunhofer ILT и другими партнерами по исследованиям из Франции, Германии, Греции, Люксембурга, Нидерландов и Испании с целью масштабирования лазерной технологии USP для крупномасштабного производства.

В настоящее время исследователи проводят испытания системы USP мощностью 1 киловатт, которая, по их мнению, может значительно расширить спектр применения микрообработки USP по сравнению с существующими коммерческими системами, работающими при мощности от 200 до 300 Вт.

«Теперь мы видим реальный рост мощности, который сделает микрообработку намного более производительной», — сказал Брюнель.

Цель состоит в том, чтобы заменить всю производственную цепочку микрообработки одной цифровой лазерной системой USP. Она будет включать 3D-датчики и алгоритмы машинного обучения для максимизации эффективности, помощи в адаптации конструкций и мониторинга отходов.

Индустрия 5.0

Тесты показывают, что эта технология может потенциально сократить как отходы, так и потребление энергии на 90%. Ее можно применять при изготовлении широкого спектра продукции: от электронных компонентов до бритвенных головок и машин для тиснения металлических листов, используемых на кузовах автомобилей и банках для еды и напитков. Потенциал огромен.

LASEA на протяжении многих лет участвовала в ряде финансируемых ЕС проектов по развитию лазерных технологий и фотоники, получая выгоду как от финансирования ЕС, так и от совместного опыта широкого круга европейских партнеров. Это помогло компании расти экспоненциально с 1999 года.

Это также помогло сохранить высококлассные рабочие места и технические знания в Европе в секторе, имеющем стратегическое значение.

По мнению Брунеля, финансирование ЕС в секторе производства лазеров помогает региону продвигаться к Индустрии 5.0, в которой люди работают вместе с передовыми технологиями на основе искусственного интеллекта, способствуя улучшению окружающей среды и повышению устойчивости, при этом уделяя первостепенное внимание благополучию работников.

«Европа направляет развитие экономики и технологий региона на пути к лучшему миру», — сказал он.

Естественное вдохновение

LASEA также участвовала в более ранней исследовательской инициативе, финансируемой ЕС, под названием LAMPAS, которая разработала мощную лазерную систему USP, вдохновленную биологическими процессами. Например, наблюдение за самоочищающимися свойствами листьев лотоса привело к разработке поверхностей с водоотталкивающими свойствами.

«Вдохновение из биологии особенно действенно, поскольку природа развила невероятно эффективные поверхностные функции», — сказал профессор Андрес Лазаньи, специалист по фотонике и лазерной инженерии поверхностей в Дрезденском техническом университете в Германии, который координировал исследование.

Разработанная технология может быть использована для лазерных поверхностей с легкими для очистки свойствами в духовках, холодильниках и других бытовых приборах, а также для поверхностей, на которых не остаются отпечатки пальцев. Лазерная обработка приборов для нагрева воды в посудомоечных машинах также привела к меньшему накоплению минералов, что помогло предотвратить засорение машин.

Кожа акулы стала еще одним источником вдохновения для дизайна поверхностей, снижающих трение и сопротивление, что нашло применение в таких секторах, как транспорт и аэродинамика.

«Имитируя эти биологические системы, мы можем создавать материалы, которые работают лучше, служат дольше и способствуют экономии энергии», — сказал Лазаньи.

Движущая сила

Лазани также подчеркнул, что сотрудничество, стимулируемое поддержкой сектора со стороны ЕС, является движущей силой для европейской промышленности. В LAMPAS, который завершился в 2022 году, приняли участие компании лазерных технологий из Бельгии, Франции, Германии и Испании.

«Такой уровень сотрудничества имеет ключевое значение для стимулирования инноваций и обеспечения того, чтобы новейшие достижения в области технологий не только разрабатывались в Европе, но и коммерциализировались здесь», — сказал он.

Заглядывая вперед, он сказал, что лазерные технологии получат более широкое распространение, поскольку производители во всех отраслях продолжают искать способы повышения эффективности и производительности, одновременно снижая воздействие на окружающую среду.

«Функциональность, которую предоставляют такие технологии, не просто приятна, — сказал он. — Они могут кардинально улучшить производительность продукции во многих отраслях».