01 Technische principes en kenmerken
Het basisprincipe van een water-geleide laser is om de laserstraal te koppelen aan een hoge- micro-waterstraal, en de laser door de waterstraal naar het oppervlak van het materiaal te leiden. In dit systeem gaat de door de laserbron gegenereerde laser eerst door een reeks optische componenten (zoals lenzen en spiegels) voor collimatie en focussering, en wordt vervolgens gecombineerd met de hoge- waterstraal door een speciaal mondstuk. De waterstraal vormt een klein kanaal in het mondstuk en de laserstraal wordt door dit kanaal naar het oppervlak van het werkstuk geleid, zoals weergegeven in figuur 1. Omdat de brekingsindex van water anders is dan die van lucht, verandert het voortplantingspad van de laser in water. Daarom is een nauwkeurig optisch ontwerp vereist om de stabiliteit en energiefocus van de laserstraal te garanderen.
Figuur 1. Het technische principe van water-geleide lasers.
Hoge precisie: water-geleide lasertechnologie kan verwerkingsnauwkeurigheid op submillimeter- of zelfs micrometer-niveau bereiken. Omdat de diameter van de waterstraal erg klein is, meestal slechts tientallen tot honderden micrometers, kan de laserstraal nauwkeurig naar specifieke posities op het werkstuk worden geleid voor fijne snij-, boor- of graveerwerkzaamheden. Hoge efficiëntie: tijdens de water-geleide laserbewerking wordt de laserstraal via de waterstraal rechtstreeks naar het werkstukoppervlak overgebracht, waardoor energieverlies en verstrooiing in de lucht worden verminderd. Bovendien zorgt de waterstraal ook voor koel- en spoeleffecten, waardoor de oppervlaktetemperatuur van het werkstuk effectief wordt verlaagd en de hitte-zone wordt verkleind, waardoor de verwerkingsefficiëntie en -kwaliteit worden verbeterd. Verminderde thermische schade: vanwege het koelende effect van de waterstraal is de door warmte-beïnvloede zone (HAZ) bij water-geleide laserbewerking erg klein. De door warmte-beïnvloede zone verwijst naar het gebied op het oppervlak en in het werkstuk waar thermische vervorming, schade of faseveranderingen optreden als gevolg van warmtegeleiding en straling tijdens laserbewerking. Door de snelle afkoeling van de waterstraal in water-geleide laserbewerking wordt de warmte snel van het werkstukoppervlak verwijderd, waardoor de grootte en diepte van de-hittezone wordt verkleind en thermische vervorming en schade aan het materiaal wordt voorkomen.
Figuur 2. (a) SEM-beelden van gesneden secties van titaniumlegeringen door 'conventioneel droog lasersnijden' en water-geleid lasersnijden, (b) vergelijking van snijoppervlakken van CFRP verkregen door water-geleid lasersnijden en 'conventioneel droog lasersnijden'.
02 Toepassingsgebieden
Lucht- en ruimtevaartsector: De lucht- en ruimtevaartsector stelt zeer hoge eisen aan de precisie en kwaliteit van materiaalverwerking, en water-geleide lasertechnologie wordt op dit gebied veel gebruikt. Het kan worden gebruikt voor de verwerking van belangrijke onderdelen van lucht- en ruimtevaartmotoren, zoals bladen, turbineschijven en verbrandingskamers, die meestal zijn gemaakt van moeilijk-te-verwerkbare materialen zoals superlegeringen en titaniumlegeringen. Water-geleide lasers kunnen deze materialen effectief snijden en graveren en tegelijkertijd de verwerkingsprecisie en oppervlaktekwaliteit garanderen, waardoor de prestaties en betrouwbaarheid van componenten worden verbeterd. Bovendien kunnen water-geleide lasers ook worden gebruikt voor het bewerken van structurele onderdelen van ruimtevaartvoertuigen, zoals vleugels en rompen, waardoor complexe vormen en lichtgewicht ontwerpen kunnen worden bewerkt.
Halfgeleiderveld: Bij de productie van halfgeleiders kunnen water-geleide lasers worden gebruikt om halfgeleidermaterialen zoals siliciumwafels te snijden, maar ook voor het verpakken en testen van chips. Omdat halfgeleidermaterialen extreem hoge verwerkingsprecisie en oppervlaktekwaliteit vereisen, maken de hoge precisie en lage thermische schade-eigenschappen van water-geleide lasers ze tot een ideaal verwerkingsinstrument. Ze kunnen siliciumwafels fijn snijden, waardoor scheuren en schade worden vermeden, waardoor de opbrengst en prestaties van chips worden verbeterd. Bovendien kunnen water-geleide lasers worden gebruikt voor micro-verwerking van halfgeleiderapparaten, zoals de fabricage van micro-elektronische componenten en het etsen van microcircuits, waardoor bewerkingsprecisie op micrometer- of zelfs nanometerniveau wordt verkregen.
Nieuw energieveld: In de nieuwe energiesector kunnen water-geleide lasers worden gebruikt om belangrijke componenten van nieuwe energieapparaten zoals zonnepanelen en brandstofcellen te verwerken. Bij de productie van zonnepanelen kunnen water-geleide lasers bijvoorbeeld worden gebruikt om siliciumwafels te snijden en elektrodepatronen op het oppervlak van zonnecellen te etsen, waardoor de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie en prestaties van de panelen worden verbeterd. Bij de productie van brandstofcellen kunnen water-geleide lasers componenten zoals membraanelektroden en bipolaire platen verwerken, waardoor uiterst-precies snijden en graveren mogelijk wordt, waardoor de prestaties en levensduur van brandstofcellen worden verbeterd.
Figuur 3. Toepassingen van water-geleide lasers.
03 Uitdagingen en problemen waarmee water wordt geconfronteerd-Begeleide lasers
Stabiliteit van de waterstraal: Tijdens water-geleide laserverwerking kan de stromende waterstraal met hoge- snelheid onstabiel worden, wat de kwaliteit van de verwerking kan beïnvloeden. Tijdens het snijden kunnen schommelingen in de waterstraal bijvoorbeeld afwijkingen in de snijlijn veroorzaken of de oppervlakteruwheid vergroten, wat een impact heeft op zowel de bewerkingsnauwkeurigheid als de oppervlaktekwaliteit. Om de stabiliteit van de waterstraal te garanderen, is het noodzakelijk om het waterstraalcontrolesysteem te optimaliseren, zodat het tijdens de verwerking een stabiele toestand kan behouden.
Laser-Efficiëntie van de waterkoppeling: de efficiëntie van de koppeling tussen de laserstraal en de waterstraal heeft rechtstreeks invloed op de verwerkingsresultaten. Als de koppelingsefficiëntie laag is, zal het laserenergieverlies in de waterstraal toenemen, waardoor zowel de verwerkingsefficiëntie als de kwaliteit afnemen.
Technische vereisten voor mondstukgaten: Om een hoge-waterkwaliteit-geleide laserverwerking te garanderen, zijn het ontwerp en de productieprecisie van het mondstukgat van cruciaal belang. Het mondstukgat moet extreem dunne wanden hebben met behoud van een hoge nauwkeurigheid in ronding en geen tapsheid om de impact van de waterstroom te kunnen weerstaan. Bovendien moet de ruwheid van het binnenoppervlak van het gat extreem laag worden gehouden om de stabiliteit en consistentie van de waterstraal te garanderen.
Aanpassingsvermogen aan de omgeving: Water-geleide laserverwerkingsapparatuur stelt hoge milieueisen. De werking van de apparatuur vereist bijvoorbeeld een stabiele stroomvoorziening, schoon water en een omgeving met constante temperatuur en vochtigheid. In omgevingen met slechte omstandigheden, zoals grote temperatuurschommelingen, hoge luchtvochtigheid of een onstabiele stroomvoorziening, kunnen de prestaties van de apparatuur verslechteren of zelfs uitvallen. Bovendien kunnen factoren zoals stof en trillingen in de omgeving de verwerking verstoren, waardoor de nauwkeurigheid en kwaliteit van de bewerking worden beïnvloed. Daarom zijn bij praktische toepassingen strikte controle en beheer van de werkomgeving van de apparatuur noodzakelijk.
04 Huidige ontwikkelingsstatus van de industrie in binnen- en buitenland
Met de voortdurende vooruitgang van de laserprecisieverwerkingstechnologie en de toenemende marktvraag, wordt de water-geleide laserverwerkingstechnologie ook voortdurend ontwikkeld en verbeterd. Tot de internationaal erkende toonaangevende fabrikanten van water-geleide laserapparatuur behoren hoofdzakelijk twee bedrijven: het Zwitserse Synova en Avonisys. Momenteel ontwikkelen zich onder de bedrijven op het gebied van binnenlandse water-laserverwerkingsapparatuur onder meer Wot Intelligent Manufacturing, Cosset en Shanghai Lengchen Technology. Sommige andere bedrijven hanteren de aanpak om verwante buitenlandse technologieën rechtstreeks te introduceren en deze vervolgens in eigen land te assembleren en produceren, terwijl ze hun producten optimaliseren. Hoewel dit snel technologische hiaten kan opvullen en de R&D-kosten en -tijd op de korte termijn kan verminderen, zijn er op de lange termijn nog steeds bepaalde problemen, zoals de afhankelijkheid van buitenlandse kerntechnologieën, onevenwichtige R&D-investeringen en overlooprisico's in de industriële keten. De auteur is van mening dat er een positieve cyclus van 'introductie-absorptie-overtreffen' tot stand moet worden gebracht. Het goede nieuws is dat er nu binnenlandse bedrijven zijn die commerciële apparatuur kunnen leveren met 100% lokaal geproduceerde componenten. Met de transformatie en modernisering van de Chinese productie-industrie zal water-geleide laserverwerkingstechnologie een belangrijkere rol spelen in de-high-end productie, vooral in nieuwe energievoertuigen, de lucht- en ruimtevaart en-high-end apparatuurproductie. De toepassing van water-geleide lasertechnologie zal technologische innovatie en productverbetering in deze industrieën stimuleren.
