盡管全球的新冠肺炎疫情仍舊沒有緩和趨勢，但激光加工行業(yè)似乎成功抵御了疫情帶來的沖擊和影響。據(jù)Optech Consulting咨詢公司的分析報告顯示，與2019年相比，2020年全球工業(yè)激光源市場增長2%達到43億美元，并預計2021年全球激光加工系統(tǒng)市場將增加12%，達到195億美元。

另據(jù)德國Spectaris行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年德國約有1000家公司在光子學領域創(chuàng)造了406億歐元的銷售額，這比2019年增加了0.1%。該協(xié)會還預計2021年德國光子學市場將增長9.4%，出口也有望增長16%。

■Fraunhofer Cluster of Excellence Caps正在開發(fā)千瓦級超短脈沖激光器，用于精確、可擴展和數(shù)字可控的材料加工

事實證明，光子學是歐洲作為高科技基地的一項關(guān)鍵技術(shù)。通過多年的研發(fā)投資，德國經(jīng)濟已經(jīng)取得了領先地位。超短脈沖激光器可以將加工精度提升至亞微米級別，由于非線性相互作用，它們還可以加工最硬的材料。目前，F(xiàn)raunhofer Cluster of Excellence Caps正在開發(fā)千瓦級超短脈沖激光器。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所負責人Constantin H?fner教授對此表示，在“光子世紀”保持這一地位是政治、商業(yè)和科學最重要的任務。同時他還指出，具備光子學專業(yè)背景的年輕人對行業(yè)發(fā)展很重要。德國必須繼續(xù)在這一領域進行有針對性的投資。

■弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所負責人Constantin H?fner教授

作為一種非接觸式和無磨損工具，激光束具備了多種形式。氣體、光纖或半導體激光器已經(jīng)在汽車制造、半導體工業(yè)和測量技術(shù)等應用中確立了地位。同時，隨著超短脈沖激光器的廣泛使用，激光材料加工質(zhì)量也將進一步提升。

超短脈沖激光器憑借亞微米級的加工精度，并且由于非線性相互作用，還可以加工硬質(zhì)材料。這使得它們在材料加工方面具有多功能性，因此也成為數(shù)字光子生產(chǎn)的終極工具。然而，超短脈沖激光器仍然缺乏用于高吞吐量應用所需的平均功率和工業(yè)魯棒性。

作為Fraunhofer Excellence Cluster Advanced Photon Sources Caps的一部分，項目組開發(fā)的超短脈沖激光器克服了這一技術(shù)瓶頸，平均功率達到10kW。憑借這些世界紀錄的成就，在不久的將來也會有大規(guī)模的行業(yè)應用。目前，新型超短脈沖激光器在耶拿和亞琛的兩個應用實驗室進行著大量的應用測試。

H?fner教授談到，現(xiàn)代生產(chǎn)需要靈活性和敏捷性，因此更多的關(guān)注是過程而非僅僅是產(chǎn)品。數(shù)字光子生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的推動者，它彌合了虛擬開發(fā)環(huán)境和實際生產(chǎn)之間的差距?，F(xiàn)在，越來越多的研究將有效利用機器學習和人工智能，以加速流程適應和縮短上市時間。未來，流程必須更快地適應成本、監(jiān)管或可持續(xù)性驅(qū)動因素。未來的競爭優(yōu)勢將是在生產(chǎn)環(huán)境中有效地使用數(shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字化是激光技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

通過云自動控制100臺激光器

此前，亞琛工業(yè)大學與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所合作建立了一個數(shù)據(jù)中心，用于控制和監(jiān)測激光加工過程。這個概念基于一個控制激光系統(tǒng)的項目，該項目由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開發(fā)并使用了開源軟件Kubernetes。相應的系統(tǒng)已經(jīng)成功運行了兩年，可以在幾分鐘內(nèi)自動遠程安裝新激光器的軟件。

超短脈沖激光器是一個復雜的系統(tǒng)，幾乎可以以微米精度加工任何材料。設備上的許多傳感器控制機器和激光加工過程?？刂平M件和從傳感器讀取數(shù)據(jù)的軟件非常多樣化。

■Kubernetes軟件用于控制多個超短脈沖激光系統(tǒng)。研究人員目前正在研究測量數(shù)據(jù)的自動評估

Moritz Kr?ger是亞琛工業(yè)大學激光技術(shù)主席的研究助理，也是弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的聯(lián)合主席。他表示，對于控制50-100個激光器，從為這些系統(tǒng)安裝新軟件且實時評估傳感器數(shù)據(jù)的角度來看，傳統(tǒng)概念是不夠的。所以，完全重新編程機器控制是必須的，開源軟件提供了更多的分布式系統(tǒng)兼容性和開發(fā)選項。

■生產(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)中可以使用Kubernetes控制可自由擴展的生產(chǎn)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心運行的核心是Kubernetes。作為一種開源軟件，Kubernetes可以在分布式計算機系統(tǒng)上自動安裝、擴展和維護應用程序。軟件最初由Google公司設計，并得到Microsoft Azure、IBM Cloud、Red Hat OpenShift、Amazon EKS、Google Kubernetes Engine和Oracle OCI等領先云平臺的支持。

目前兩個研究機構(gòu)正在研究測量數(shù)據(jù)的自動評估，目標是把來自多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集在一起，并以圖形方式為用戶進行處理。未來，激光系統(tǒng)的加工過程將通過機器學習，并借助人工智能領域的數(shù)據(jù)得到優(yōu)化。