盡管全球的新冠肺炎疫情仍舊沒(méi)有緩和趨勢(shì)，但激光加工行業(yè)似乎成功抵御了疫情帶來(lái)的沖擊和影響。據(jù)Optech Consulting咨詢(xún)公司的分析報(bào)告顯示，與2019年相比，2020年全球工業(yè)激光源市場(chǎng)增長(zhǎng)2%達(dá)到43億美元，并預(yù)計(jì)2021年全球激光加工系統(tǒng)市場(chǎng)將增加12%，達(dá)到195億美元。

另?yè)?jù)德國(guó)Spectaris行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年德國(guó)約有1000家公司在光子學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造了406億歐元的銷(xiāo)售額，這比2019年增加了0.1%。該協(xié)會(huì)還預(yù)計(jì)2021年德國(guó)光子學(xué)市場(chǎng)將增長(zhǎng)9.4%，出口也有望增長(zhǎng)16%。

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

事實(shí)證明，光子學(xué)是歐洲作為高科技基地的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)多年的研發(fā)投資，德國(guó)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)取得了領(lǐng)先地位。超短脈沖激光器可以將加工精度提升至亞微米級(jí)別，由于非線(xiàn)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(kāi)發(fā)千瓦級(jí)超短脈沖激光器。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所負(fù)責(zé)人Constantin H?fner教授對(duì)此表示，在“光子世紀(jì)”保持這一地位是政治、商業(yè)和科學(xué)最重要的任務(wù)。同時(shí)他還指出，具備光子學(xué)專(zhuān)業(yè)背景的年輕人對(duì)行業(yè)發(fā)展很重要。德國(guó)必須繼續(xù)在這一領(lǐng)域進(jìn)行有針對(duì)性的投資。

■弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所負(fù)責(zé)人Constantin H?fner教授

作為一種非接觸式和無(wú)磨損工具，激光束具備了多種形式。氣體、光纖或半導(dǎo)體激光器已經(jīng)在汽車(chē)制造、半導(dǎo)體工業(yè)和測(cè)量技術(shù)等應(yīng)用中確立了地位。同時(shí)，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(jìn)一步提升。

超短脈沖激光器憑借亞微米級(jí)的加工精度，并且由于非線(xiàn)性相互作用，還可以加工硬質(zhì)材料。這使得它們?cè)诓牧霞庸し矫婢哂卸喙δ苄裕虼艘渤蔀閿?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(yīng)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(xiàng)目組開(kāi)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(dá)到10kW。憑借這些世界紀(jì)錄的成就，在不久的將來(lái)也會(huì)有大規(guī)模的行業(yè)應(yīng)用。目前，新型超短脈沖激光器在耶拿和亞琛的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行著大量的應(yīng)用測(cè)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(guò)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(dòng)者，它彌合了虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)之間的差距。現(xiàn)在，越來(lái)越多的研究將有效利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，以加速流程適應(yīng)和縮短上市時(shí)間。未來(lái)，流程必須更快地適應(yīng)成本、監(jiān)管或可持續(xù)性驅(qū)動(dòng)因素。未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將是在生產(chǎn)環(huán)境中有效地使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字化是激光技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

通過(guò)云自動(dòng)控制100臺(tái)激光器

此前，亞琛工業(yè)大學(xué)與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所合作建立了一個(gè)數(shù)據(jù)中心，用于控制和監(jiān)測(cè)激光加工過(guò)程。這個(gè)概念基于一個(gè)控制激光系統(tǒng)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)并使用了開(kāi)源軟件Kubernetes。相應(yīng)的系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)行了兩年，可以在幾分鐘內(nèi)自動(dòng)遠(yuǎn)程安裝新激光器的軟件。

超短脈沖激光器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，幾乎可以以微米精度加工任何材料。設(shè)備上的許多傳感器控制機(jī)器和激光加工過(guò)程。控制組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(gè)超短脈沖激光系統(tǒng)。研究人員目前正在研究測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)評(píng)估

Moritz Kr?ger是亞琛工業(yè)大學(xué)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(duì)于控制50-100個(gè)激光器，從為這些系統(tǒng)安裝新軟件且實(shí)時(shí)評(píng)估傳感器數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，傳統(tǒng)概念是不夠的。所以，完全重新編程機(jī)器控制是必須的，開(kāi)源軟件提供了更多的分布式系統(tǒng)兼容性和開(kāi)發(fā)選項(xiàng)。

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

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的核心是Kubernetes。作為一種開(kāi)源軟件，Kubernetes可以在分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上自動(dòng)安裝、擴(kuò)展和維護(hù)應(yīng)用程序。軟件最初由Google公司設(shè)計(jì)，并得到Microsoft Azure、IBM Cloud、Red Hat OpenShift、Amazon EKS、Google Kubernetes Engine和Oracle OCI等領(lǐng)先云平臺(tái)的支持。

目前兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在研究測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)評(píng)估，目標(biāo)是把來(lái)自多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集在一起，并以圖形方式為用戶(hù)進(jìn)行處理。未來(lái)，激光系統(tǒng)的加工過(guò)程將通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，并借助人工智能領(lǐng)域的數(shù)據(jù)得到優(yōu)化。