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虹科案例 | 虹科中红外相机用于激光纹理加工过程的质量监控

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【摘要】:
着航空航天、光电子、半导体制造业的迅猛发展,传统的机械加工方式已越来越难以满足高端工业需求,于是,人们开始探索更先进的加工方法。激光作为一种具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点的光源,在20世纪中后期便开始应用于加工领域,如今,超快激光器技术不断突破,激光加工工艺也朝着更高精度、更快速度、更佳质量、更多元应用方面发展。激光纹理加工就是其中一个新型应用。

 

激光纹理加工

 

BACKGROUND

随着航空航天、光电子、半导体制造业的迅猛发展,传统的机械加工方式已越来越难以满足高端工业需求,于是,人们开始探索更先进的加工方法。激光作为一种具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点的光源,在20世纪中后期便开始应用于加工领域,如今,超快激光器技术不断突破,激光加工工艺也朝着更高精度、更快速度、更佳质量、更多元应用方面发展。激光纹理加工就是其中一个新型应用。


图片

激光加工主要是利用激光束投射到基材表面产生的热效应来完成加工过程,加工工业包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。激光几乎能适应任何材料的加工制造,尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

激光纹理加工,激光会使表层或基材内部形成均匀分布的几何形状,从而有针对性地改变材料的特性,形成新的功能。例如使用激光进行表面粗糙化处理或引入光滑纹理以实现材料需求的滑动性能。这类纹理单个元素通常只有几微米大小。短激光脉冲以很高的脉冲功率产生高能量密度,从而使大部分材料直接蒸发(升华)。与此同时,每一次激光脉冲只生成一道精细加工纹,基本避免了像传统加工方式会产生的金属熔融物或者碎屑。

通过激光纹理加工,在激光辐射(主要是脉冲)的作用下,可以在表面上可重复地产生均匀分布的几何形状。激光束将可控地熔化材料,然后通过合适的过程控制系统将其固化为预定义的纹理。

激光纹理加工原理图

 

 

 


激光纹理加工可以使材料产生某些特性,比如会影响例如摩擦特性、导电性或导热性等。此外,激光纹理加工还可以应用于增强工件的粘合度和耐用性。

 

 

 

 

纹理加工应用

 

APPLICATION

 

 

 

01

 

热交换系统中的部件连接

激光在金属接合材料中产生带底切的微纹理,使合成材料与金属表面牢固结合。这种连接出现在冷却和加热系统中,例如在电池组的电池系统冷却中。为电池系统冷却确保良好的运行条件。

02

 

为胶合做准备

胶合技术要求部件表面干净且略微纹理化。在粘合前的步骤中,使用激光器对局部接合处进行纹理化和清洁。纹理化使粘合材料具备更好的湿润性。由此提高了粘合连接的粘附力与长期稳定性。这种激光工艺可轻松集成至自动化生产线上。

03

 

连杆的激光纹理化

通过激光纹理化可精准改良功能面的摩擦特性。该工艺可用于生产汽车部件

04

 

金属与合成材料的连接

激光在金属接合材料中产生带底切的微纹理,使合成材料与金属表面牢固结合。此工艺用于例如制造汽车部件或白色家电。金属与合成材料的复合材料在轻型结构中发挥着越来越重要的作用,因为它们集金属高强度、高刚性的特点与塑料轻重量、设计自由度大的特点于一身。

 

 

 

激光纹理加工应用如此广泛,那么如何对加工过程进行实时动态监控,保证加工质量呢?

 

 

 

LAMpAS

纹理加工监控

 

CASE

在欧盟资助的LAMpAS项目中,虹科合作伙伴New Infrared Technologies(NIT)公司开发了一种高速非制冷中红外摄像机,满足了LAMPAS项目的激光加工工艺的要求。相机将能够在线检测激光表面纹理加工过程中积聚的热量。该相机成为LAMpAS在线监控系统中集成的重要技术之一。

LAMpAS项目团队旨在生产特征尺寸小于1μm的具有明确定义的周期性表面图案,可以为例如烤箱,冰箱和其他家用电器的防指纹表面,装饰图案表面和易于清洁的饰面等应用提供量身定制的表面功能。

 

LAMpAS项目使命

 

通过对材料表面纹理形状特征的控制可以为产品增添特殊功能,如抗菌、自清洁性能、减少摩擦、光学安全功能和装饰效果等。

上述这些功能与在微米和纳米级特征尺寸的多尺度表面形状加工密切相关。

有必要以低成本对这样的特征表面结构进行大批量生产。

因此,为了满足对于具有新颖表面性能且成本合理的产品日益增长的需求,就要通过开发高功率超短激光源,并结合先进光学概念,以实现对工件的快速材料加工的同时产生的热影响最小。

 

LAMpAS红外相机使用了虹科-NIT的Tachyon 16K相机的升级版本,这款相机采用非常独特的传感器技术,允许在非制冷情况下中处理在MWIR光谱范围(1-5微米)内具有出色灵敏度的焦平面阵列。为LAMpAS开发的相机升级版本允许在快照配置中每秒捕获超过4000张全分辨率(128x128)图像。实现了灵活的RoI(感兴趣区域)选择,光学和窗口的新AR涂层以及集成的NUC(非均匀性校正)等新功能。

激光纹理加工过程是极其动态的过程,结合了非常高的扫描速度和高频超短激光脉冲。在纹理加工过程中对经过处理的表面上积聚的热量进行在线监测,可提供过程本身的有用信息。德累斯顿工业大学和NIT的研究人员在LAMpAS项目中进行的研究表明,累积的热量与纹理质量之间存在很强的相关性。作为LAMpAS监控系统的一部分,高速红外热成像系统将实时提供有关激光纹理加工过程稳定性和一系列具有新功能的表面质量信息,例如烤箱,冰箱和其他家用电器的易于清洁的饰面纹理。

 

 

 

 

纹理监控技术

 

TECHNOLOGY

值得注意的是,LAMpAS项目的监测系统结合高速红外成像实时FFT(快速傅里叶变换)两种技术,用于激光表面纹理加工过程的在线监测。这种创新旨在直接使用激光干涉图案方法及早发现微观精细加工过程中的不稳定性和加工瑕疵。

这种创新的重要性:目前使用直接激光干涉图案方法应用于微观结构加工主要困难是难以检测获得的表面形貌的偏差。然而,有了LAMpAS的原型在线监测系统,结合虹科高速中红外相机,解决方案便跃然纸上。它的工作原理是使用傅里叶分析的数学方法检测处理从激光处理区域反射的光。然后通过算法分析记录的图像,该算法能够揭示反射图案的形状和亮度的变化。因此,可以方便地检测到制造过程中加工地表面形貌的细微偏差,并且可以向用户提供制造过程中的关键信息。

虹科Tachyon16K系列相机在LAMpAS项目的激光加工监控系统中扮演了重要角色,每秒捕获高达4000张图像的能力使其与快速数字图像处理的结合成为可能,此外,Tachyon16K可在室温环境使用,无需制冷,省去了大量维护成本。并且相机设计紧凑,拥有坚硬的合金外壳,配备高速工业通讯接口GigE VISION 2.0,可方便地集成到各种设备中。除了高性能的硬件,虹科也为Tachyon16K系列相机提供方便的软件管理系统以及可用于定制软件编程的SDK,方便用户二次开发。

虹科Tachyon16K还可应用于:机器视觉、 增材制造、工业过程控制, 气体监测,光谱学,玻璃制造质检等。

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