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編者薦語：
激光作為一種工具，一個(gè)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(duì)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(dòng)態(tài)提供有價(jià)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(shí)，談到了激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及Fraunhofer ILT的一些發(fā)展策略。
Andreas Thoss：從當(dāng)前的趨勢(shì)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(duì)這一趨勢(shì)的？
ConstantinHaefner：激光是一個(gè)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(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而理解這個(gè)“數(shù)據(jù)池”是數(shù)字化光子生產(chǎn)所面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是將現(xiàn)實(shí)全面地映射到虛擬世界中，包括設(shè)計(jì)規(guī)范、材料特性和激光與材料相互作用的物理特性等。實(shí)際過程是第三個(gè)挑戰(zhàn)。在過去，我們大多是通過基于人的知識(shí)和許多試驗(yàn)來開發(fā)工藝；而在一個(gè)日益復(fù)雜和加速的世界中，這個(gè)過程正變得越來越具有挑戰(zhàn)性。然而幸運(yùn)的是，今天我們有更多的計(jì)算能力、模擬工具和對(duì)基礎(chǔ)物理的更深入的理解；但真正的加速器是對(duì)“全面的高質(zhì)量數(shù)據(jù)”的獲取和聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代機(jī)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(shì)之一：工藝設(shè)計(jì)得到機(jī)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(shí)的“一次成功”。
此外，生產(chǎn)機(jī)器的性能各不相同，即使在一個(gè)型號(hào)中也是如此，但更多的時(shí)候是由于操作者的經(jīng)驗(yàn)。了解這些偏差、并通過將其納入工藝模型來預(yù)測(cè)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(jī)器，無論環(huán)境如何或是由誰來操作它。
我們通過分布式機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。來自所有機(jī)器的“數(shù)據(jù)池”提供了更多的分析和預(yù)測(cè)能力，以開發(fā)、改進(jìn)或操縱一個(gè)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(gè)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(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解釋，并向機(jī)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(dòng)將成功的操作方法推廣到云中的其他機(jī)器。此舉將節(jié)省大量時(shí)間。
這就是為什么數(shù)字化生產(chǎn)是Fraunhofer ILT的一個(gè)非常重要的課題。在德國亞琛，我們擁有各個(gè)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(jī)器學(xué)習(xí)代碼和算法，用它們反過來評(píng)估流程。最終，我們可以更快、更準(zhǔn)確地優(yōu)化價(jià)值鏈。
AT：下一個(gè)大趨勢(shì)是增材制造（AM）。Fraunhofer ILT通過EHLA技術(shù)在這方面樹立了一個(gè)真正的里程碑。接下來增材制造領(lǐng)域會(huì)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(qǐng)（見圖1）。無論是過去還是現(xiàn)在，3D激光打印對(duì)我們來說都是一個(gè)大話題。它也是數(shù)字化光子生產(chǎn)的一個(gè)重要部分。
圖1：1996年，F(xiàn)raunhofer ILT為金屬3D打印工藝申請(qǐng)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(jì)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(shí)，我們還需要考慮3D打印在整個(gè)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(duì)于檢測(cè)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(shí)現(xiàn)更高的平均故障時(shí)間。這不僅對(duì)“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(cè)性分析也是其中的一部分。你可以預(yù)測(cè)一個(gè)東西何時(shí)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(jì)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?cè)卺槍?duì)航空航天平臺(tái)的激光開發(fā)項(xiàng)目中利用了這一點(diǎn)。
特定的AM設(shè)計(jì)仍然是最大的問題之一。大多數(shù)工程師已經(jīng)學(xué)會(huì)了基于燒蝕工藝進(jìn)行思考。大學(xué)需要在設(shè)計(jì)工程師的課程中，盡早加入增材制造的設(shè)計(jì)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(gè)非常有趣的階段，我們?cè)谑袌錾嫌幸幌盗袡C(jī)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(jià)值工程領(lǐng)域。
AT：每個(gè)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(shí)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(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化或有助于可持續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)。儲(chǔ)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(gè)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(kuò)散。因此，100%的緊密焊接至關(guān)重要。再次強(qiáng)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(shí)力的地方。
我們用于地球觀測(cè)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?cè)谛l(wèi)星上建造激光器，從太空中非常精確地測(cè)量風(fēng)力，并能進(jìn)行更好的天氣預(yù)報(bào)。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(cè)到。這不僅僅是一個(gè)簡單的激光源，當(dāng)然也包括系統(tǒng)技術(shù)以及如何能實(shí)現(xiàn)它們的訣竅。
這些有意義的事情都在推動(dòng)著我們不斷努力，它們有助于實(shí)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(diǎn)是什么？
CH：FraunhoferILT的團(tuán)隊(duì)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(shí)深度和趨勢(shì)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(dòng)激光工藝和激光技術(shù)的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的數(shù)字化光子生產(chǎn)，特別是在機(jī)械和工廠工程、能源儲(chǔ)存、航空航天、醫(yī)療技術(shù)或移動(dòng)性方面的應(yīng)用。
我們將進(jìn)一步加強(qiáng)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(tái)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(gè)“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(shí)現(xiàn)第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（見圖2）。
圖2：用于量子成像的光子對(duì)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(bào)。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(duì)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)。
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(jià)值鏈的一部分。而正是這些價(jià)值鏈上的專有技術(shù)，有針對(duì)性地利用激光，為制造商帶來了成功，或是實(shí)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(diǎn)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(yàn)，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(shí)代才剛剛開始，我相信它還會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。
