«Тогда эта технология буквально взлетит»



Профессор Рейнхарт Поправе отвечает за Институт лазерной технологии Фраунгофера (ILT) в Аахене. Он также возглавляет кафедру лазерной технологии (LLT) в RWTH Aachen University, является членом правления Laser Institute of America и является почетным профессором Университета Цинхуа в Пекине. В интервью он рассказывает о лазерных процессах в Индустрии 4.0, технологической перспективе аддитивного производства и о проделанной работе с ультракороткими импульсными лазерами и ультрафиолетовой литографией.

Проф. Поправе, одним из ключевых направлений деятельности вашего института, является обработка лазерного материала. Какую роль она может играть в Индустрии 4.0?

Лазеры предлагают высококачественную энергию. Энтропия, другими словами, степень беспорядка в системе, практически равна нулю. В результате мы можем рассчитать и сфокусировать энергию очень точно с точки зрения пространства и времени. Это делает лазеры идеальными для обработки материалов. И затраты, которые всегда были препятствием, падают: волоконные лазеры в настоящее время стоят около 50 000 евро за киловатт — пять лет назад, эта цифра была в восемь раз выше! Чем лучше мы можем адаптировать эту универсальную форму энергии к конкретному приложению, тем шире будет спектр приложений. Поскольку эта энергия безмассовая и, следовательно, быстрее, чем любой механический инструмент, лазеры все чаще используются в качестве инструментов для процессов с электронным управлением в Индустрии 4.0.

Каковы основные преимущества?

Цифровое фотонное производство может индивидуализировать детали без каких-либо дополнительных затрат и создавать даже самые сложные структуры. И поскольку лазеры также могут использоваться в качестве датчиков, одновременно можно создавать цифровые двойники. Однако в настоящее время мы склонны полагаться на «цифровые тени»: мы используем проекцию цифрового двойника, чтобы получить необходимые ключевые данные. Эти сквозные цепочки процессов в Индустрии 4.0 требуют, чтобы данные были переданы точно от станции к станции. Это также легче с лазерными процессами, чем с механическими процессами, поскольку все данные процесса доступны в цифровом виде. Обработка лазерного материала предопределена для Индустрии 4.0.

Многие корпорации и компании среднего бизнеса участвуют в Центре аддитивного производства в Аахене. Станет ли аддитивное производство (Additive Manufacturing ,AM) серийным промышленным процессом?

Это уже серийный процесс в целом ряде секторов. В медицинской технике, производстве самолетов или строительстве насосов производители полагаются на промышленную трехмерную печать для мелкосерийного производства. Производители автомобилей также внимательно изучают процессы. В нашем кампусе в мае BMW представит первый серийный компонент, произведенный с использованием селективной лазерной плавки (SLM). Он будет использоваться в кабриолете с электрическим приводом, другими словами, в мелкомасштабном применении. В таких проектах, как этот, сектор проверяет, достаточны ли и в какой степени надежность и стабильность компонентов для более широкого использования. В целом, объемы производства постоянно растут — результат роста производительности аддитивных процессов.

Каковы перспективы?

Группа Fraunhofer запустила проект «будущего-AM», чтобы увеличить производительность в 20 раз в течение трех-пяти лет. Хотя стоимость процесса возрастает, высокая производительность и скорость производства легко компенсируют это. Наша цель — сократить расходы в десять раз. Даже сегодня аддитивное производство сложных компонентов имеет экономический смысл. Теперь нам нужно сделать упор на массовое производство, где производится более 100 000 компонентов. Потенциал также никоим образом не исчерпывается, когда дело доходит до пластмасс. Мы работаем над новыми процессами, такими как «thiol-ene click chemistry, химия тиоленового щелчка», фотоиндуцированный процесс полимеризации, качество которого приближается к методу литья под давлением.

Каким будет типичный процесс АМ для металлических компонентов в 2030 году?

Порошок поступит спереди, а готовые компоненты появятся сзади. Процесс будет полностью автоматизирован, от обработки порошка до последующей обработки. Если все будет хорошо, системы будут иметь гораздо больше лазеров, чем в настоящий момент. Вместо использования твердотельных лазеров с диодной накачкой с многочисленными источниками пучка, объединенными для создания единого пучка, который очень быстро перемещается по порошковому слою, мы можем использовать многочисленные источники пучка непосредственно, чтобы подставить порошок в энергию лазера. Концепции, связанные с волоконно-связанными диодными лазерами, обещают гораздо большую производительность, поскольку гораздо лучше используют выход лазеров, и порошок может подвергаться параллельному воздействию лазерной энергии. Этот процесс также станет свободно масштабируемым. Сегментированные пространства размером 1,5 х 3 м — обычный размер для обработки металла — будут тогда нормальными.

Смена темы: производители полупроводников надеются скоро использовать ультрафиолетовую литографию. Как эксперт EUV (Extreme ultraviolet), где вы видите самые большие препятствия, связанные с использованием процесса для крупномасштабного производства?

С 2019 года три производителя полупроводников, включая Intel и Samsung, запустит крупномасштабное производство EUV. Однако разработчики традиционных процессов экспозиции борются зубами и ногтями. Используя эксимерные лазеры, они достигли показателей в 15 нм в процессах массового производства — чего мы никогда не считали возможным. Более того, они сделали это с 193 нм источниками луча! Это действительно впечатляет. Вначале технология EUV будет использовать СО2-лазеры с одноцифровой длиной волны. Самыми серьезными препятствиями всегда были сложность, затраты и успешное сопротивление производителей классических технологий.

В каких областях, кроме полупроводникового сектора, существует потенциал технологии EUV?

Неравновесное излучение EUV с длиной волны 2,5 нм может обеспечить просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения. Биологи могли получить еще лучшее понимание живых клеток, даже если клетки погибают, когда изображение берется под действием ультрафиолетового света. Также возможна когерентная генерация пучка EUV. Это обеспечило бы лазерное излучение с длиной волны 10 нм, и эго можно было бы сфокусировать в одноцифровом диапазоне nm. Это было бы очень привлекательным предложением для квантовой технологии, поскольку мы могли бы рассматривать кубиты (элементарная квантовая ячейка памяти) индивидуально. Длины волн в этом диапазоне также очень привлекательны для измерительных систем. Учитывая спрос на рынке полупроводников, новая технология развивается для важных областей фотоники в будущем.

На данный момент интенсивно развиваются ультракороткие импульсные лазеры. Каковы, по вашему мнению, наиболее важные области использования технологий USP — в контексте международных рынков?

Вы заметили, что крылья самолетов отличаются от того, как они это делали десять лет назад? У них теперь есть изогнутые кончики. Эти так называемые крылышки минимизируют боковое движение и, следовательно, турбулентность, которая увеличивает потребление керосина на несколько процентов. Производители самолетов теперь сосредоточены на другой турбулентности: огромные нисходящие вихри, где более быстрый поток воздуха на поверхности крыла встречает более медленный поток под крылом. Это снижает эффективность. Почему я говорю вам это? С помощью сверхкоротких импульсных лазеров теперь можно адаптировать граничные области на верхней стороне крыла так, чтобы часть воздушного потока отсасывалась. Используя технологию USP, во второй оболочке крыла сделано около 10 миллиардов отверстий. В результате этих отверстий отрицательное давление засасывает воздух и отводит его.

С каким эффектом?

По данным НАСА, минимизация этих вихрей за крыльями может снизить потребление керосина на 10-15 процентов! Это мотивирует нас к разработке USP-лазеров со средней мощностью 10 кВт. Мы создали Фраунгоферовский кластер для достижения этой цели. В настоящее время типичными являются 100 ватт. В скором времени они будут заменены системами на 2 кВт, а системы мощностью 10 кВт могут быть стандартными в течение трех-пяти лет. Пользователям нужны такие производительные системы, чтобы процессы USP занимали всего несколько часов и минут, а не недели и дни. Технология будет буквально взлетать везде, где необходимо структурировать и оптимизировать поверхности с точки зрения потока. Тем не менее, применения поверхностных технологий для ветроэнергетики или защиты от коррозии также находятся в стадии разработки. Они обеспечивают экстремальную точность — порядка 100 нм — и должны иметь преимущества перед знакомыми микропроцессами, такими как коррекция глаз фемтосекундными лазерами в макромасштабе.

Перевод: https://world-of-photonics.com/about/industry-topics/photonics-interview/2018/prof-reinhart-poprawe/index.html

Источник

Теги: 

Институт лазерной технологии Фраунгофера (ILT) в Аахене, Профессор Рейнхарт Поправе, Индустрия 4.0, технологической перспективе аддитивного производства, Центр аддитивного производства в Аахене, технологии EUV

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru