20 نوامبر 2024 -توسط گرت ویلمر، Horizon: The EU Research & Innovation Magazine-اعتبار: CC0 دامنه عمومی
نسل جدیدی از لیزرها با استفاده از فوران های نوری فوق کوتاه پتانسیل زیادی برای تولید پایدار قطعات دقیق نشان می دهد.
مارتین اوسبیلد، مهندس مکانیک و مدیر تحقیقات آلمانی، طرفدار پرهیز از زباله است. در خانه، او خیلی زودتر از تعویض وسایل خانه شکسته – از ماشین لباسشویی گرفته تا مخلوط کن غذا و دوچرخه، تعمیر می کرد. در کار، همان اصول زیست محیطی در دستور کار او قرار دارد.
Osbild رهبری تیمی از محققان در موسسه Fraunhofer برای فناوری لیزر (Fraunhofer ILT) در آخن، آلمان را بر عهده دارد، که به دنبال این هستند که چگونه پیشرفت در فناوری لیزر می تواند به کاهش ضایعات و افزایش پایداری زیست محیطی در تولید کمک کند.
کار آنها بخشی از یک همکاری تحقیقاتی چهار ساله اتحادیه اروپا به نام متامورفا است که در آگوست 2026 به پایان می رسد.تمرکز اصلی بر روی ریزماشینکاری لیزری است – شکل‌دهی و پردازش بسیار دقیق فلزات و سایر مواد مورد نیاز در زمینه‌هایی مانند الکترونیک، هوافضا و کاربردهای پزشکی.
این کار در میان تقاضای فزاینده برای قطعات مینیاتوری اهمیت بیشتری پیدا می کند. خطوط تولید امروزی به ریزماشین کاری در تولید قطعات پیچیده برای استفاده در محصولات مختلف از لوازم الکترونیکی پیشرفته تا ساعت های لوکس متکی هستند.
به گفته Osbild، بسیاری از تکنیک‌های ریزماشینکاری موجود شامل فرآیندهای مکانیکی و الکتروشیمیایی ناکارآمد و غیرقابل انعطاف است که انرژی زیادی را مصرف می‌کند و در عین حال زباله‌های فراوان و مواد شیمیایی مضر تولید می‌کند.
او گفت: «بسیاری از فرآیندهای صنعتی کاملاً قدیمی هستند، به این معنی که به خوبی مطالعه شده‌اند، اما سازگار با محیط زیست نیستند.
برای Osbild و تیم او، راه حل در فناوری لیزر و به طور خاص تر، لیزر به اصطلاح اولترا کوتاه پالس (USP) نهفته است. استفاده از پالس های بسیار کوتاه نور با دوام از چهار میلیاردم تا تریلیونم ثانیه برای برش و ساختار دادن سطوح، دقت بسیار بیشتری را نسبت به یک پالس لیزری طولانی تر یا تابش مداوم می دهد.
دقت بالاتر برای اولین بار در پردازش لیزر، ضایعات را کاهش می دهد و همچنین از استفاده از مواد شیمیایی مورد نیاز در فرآیندهای سنتی جلوگیری می کند. علاوه بر این، این تکنیک نیاز به جایگزینی ابزارها را برطرف می کند زیرا هیچ سایشی و پارگی وجود ندارد. همچنین گرمایش سطح، اتلاف انرژی و نیاز به پوشش را به حداقل می رساند. لیزرهای USP می توانند تقریباً هر ماده ای را با دقت در مقیاس میکرومتر پردازش کنند.
یکی از موانعی که محققان با آن روبرو هستند این است که لیزرهای USP برای کارآمدی در مقیاس صنعتی به قدرت لیزر شدید نیاز دارند.
دیوید برونیل، هماهنگ‌کننده تحقیقات گروهی در LASEA، تولیدکننده ماشین‌های لیزر صنعتی مستقر در لیژ، بلژیک، می‌گوید: «اشکال لیزرهای USP برای سال‌ها این بود که آن‌قدر قدرتمند نبودند که برای کاربردهای صنعتی بیشتر با قطعات بزرگ قابل رقابت باشند.
LASEA از نزدیک با تیم Fraunhofer ILT و سایر شرکای تحقیقاتی از فرانسه، آلمان، یونان، لوکزامبورگ، هلند و اسپانیا همکاری می کند تا فناوری لیزر USP را برای تولید در مقیاس بزرگ افزایش دهد.
محققان اکنون درگیر آزمایش یک سیستم USP 1 کیلوواتی هستند که به عقیده آنها می تواند به طور قابل توجهی دامنه کاربردهای ریزماشین کاری USP را در مقایسه با سیستم های تجاری فعلی که با توان های 200 تا 300 وات کار می کنند، باز کند.
برونیل گفت: «اکنون شاهد افزایش واقعی قدرت هستیم که ریزماشین کاری را بسیار پربارتر می کند.
هدف جایگزینی کل زنجیره تولید ریزماشینکاری با یک سیستم لیزری دیجیتال USP است. این حسگرهای سه بعدی و الگوریتم‌های یادگیری ماشین را برای به حداکثر رساندن کارایی، کمک به طراحی و نظارت بر ضایعات ترکیب می‌کند.
آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند به طور بالقوه مصرف انرژی و زباله را تا ۹۰ درصد کاهش دهد. می توان آن را در ساخت طیف گسترده ای از محصولات، از قطعات الکترونیکی گرفته تا سر تیغ و ماشین آلات برجسته سازی ورق های فلزی مورد استفاده بر روی بدنه خودروها و قوطی های غذا و نوشیدنی استفاده کرد. پتانسیل بسیار زیاد است.
LASEA در طول سال‌ها در تعدادی از پروژه‌های با بودجه اتحادیه اروپا در زمینه توسعه فناوری لیزر و فوتونیک مشارکت داشته است و از بودجه اتحادیه اروپا و تخصص مشترک طیف گسترده‌ای از شرکای اروپایی بهره می‌برد. این به این شرکت کمک کرد تا از سال 1999 به طور تصاعدی رشد کند.همچنین به حفظ مشاغل پیشرفته و دانش فنی در اروپا در بخش با اهمیت استراتژیک کمک کرده است.
برای برونیل، بودجه اتحادیه اروپا در بخش تولید لیزر به سوق دادن منطقه به سمت صنعت 5.0 کمک می کند – که در آن مردم با فناوری پیشرفته و مبتنی بر هوش مصنوعی همکاری می کنند تا به بهبود محیط زیست و انعطاف پذیری کمک کنند، در حالی که رفاه کارگران را نیز در اولویت قرار می دهند.
وی گفت: «اروپا توسعه اقتصاد و فناوری منطقه را به سوی دنیایی بهتر هدایت می کند.
LASEA همچنین در یک ابتکار تحقیقاتی قبلی با بودجه اتحادیه اروپا به نام LAMPAS مشارکت داشت که یک سیستم لیزر پرقدرت USP الهام گرفته از فرآیندهای بیولوژیکی را توسعه داد.. برای مثال، مشاهده خواص خود تمیز شوندگی برگ های نیلوفر آبی منجر به ایجاد سطوحی با ویژگی های ضد آب شد.
پروفسور آندرس لازانی، متخصص فوتونیک و مهندسی سطح لیزر در دانشگاه فنی درسدن در آلمان که این تحقیق را هماهنگ کرده است، می گوید: الهام گرفتن از زیست شناسی به ویژه قدرتمند است زیرا طبیعت عملکردهای سطحی فوق العاده کارآمدی را ایجاد کرده است.
فناوری توسعه‌یافته را می‌توان برای سطوح تولید شده با لیزر با ویژگی‌های تمیز کردن آسان در اجاق‌ها، یخچال‌ها و سایر لوازم خانگی و همچنین سطوح ضد اثر انگشت استفاده کرد. درمان لیزری وسایل گرمایش آب در ماشین ظرفشویی همچنین منجر به تجمع کمتر مواد معدنی شده و به جلوگیری از گرفتگی دستگاه ها کمک می کند.
پوست کوسه منبع الهام دیگری برای طراحی‌های سطحی بود که اصطکاک و کشش را کاهش می‌دهند و در بخش‌هایی مانند حمل‌ونقل و آیرودینامیک تأثیر می‌گذارند.
لازانی می‌گوید: «با تقلید از این سیستم‌های بیولوژیکی، می‌توانیم موادی ایجاد کنیم که عملکرد بهتری داشته باشند، ماندگاری بیشتری داشته باشند و به صرفه‌جویی در انرژی کمک کنند.»
لازانی همچنین تاکید کرد که همکاری با حمایت اتحادیه اروپا از این بخش، نیروی محرکه ای برای صنعت اروپا است. LAMPAS، که در سال 2022 به پایان رسید، شرکت های فناوری لیزر از بلژیک، فرانسه، آلمان و اسپانیا را شامل می شود.
او گفت: “این سطح از همکاری برای تقویت نوآوری و اطمینان از اینکه آخرین پیشرفت های فناوری نه تنها در اروپا توسعه می یابد، بلکه در اینجا تجاری می شود، کلیدی است.”
با نگاهی به آینده، او گفت که فناوری‌های لیزر به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا تولیدکنندگان در سراسر صنایع به دنبال راه‌هایی برای بهبود کارایی و عملکرد و در عین حال کاهش اثرات زیست‌محیطی هستند.
او گفت: «عملکردهایی که چنین فناوری‌هایی ارائه می‌کنند، فقط خوب نیستند. آنها می توانند عملکرد محصول را در بسیاری از صنایع بطور اساسی بهبود بخشند.”
